三维虚拟现实技术的环境艺术设计系统

潘磊

摘  要： 针对传统环境艺术设计系统设计出的效果图线条过多的问题，文中设计三维虚拟现实技术的环境艺术设计系统。设计系统所需硬件，处理器以单片机为主，外接传感器与储存器，对设计数据进行储存处理，将控制器与运算器组合为中央处理单元，处理记录环境设计数据到设计系统中;软件部分设计两个端口，服务器端口与客户端口，服务器端口利用变换矩阵将二维图像信息转化为三维虚拟现实数据，客户端口使用C语言将矩阵变换结果转换为代码输入到计算机中。综合硬件與软件设计，完成对三维虚拟现实技术的环境艺术设计系统的设计。准备实验所需软硬件相关参数，使用三种设计系统对山体进行设计，实验结果表明，与AutoCAD设计系统与Sketch UP设计系统设计出的山体效果相比，三维虚拟现实技术的环境艺术设计系统设计出来的山体效果图线条更少，更适合环境艺术设计。

关键词： 环境艺术; 设计系统; 三维虚拟现实; 仿真实验; 线条使用; 效果图线条

中图分类号： TN99?34; TP391.9                    文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2020）11?0125?03

Environmental art design system based on three?dimensional virtual reality technology

PAN Lei

（Hubei University of Technology Engineering And Technology College， Wuhan 430068， China）

Abstract： Since there are too many lines on the effect picture designed by the traditional environmental art design systems， an environmental art design system based on three?dimensional virtual reality technology is designed. The system hardware is designed first. The processor is based on MCU， the external sensor and memory are used to store and process the design data， and the controller and calculator are combined into a central processing unit to process and record the environment design data into the design system. In terms of the software， two ports named the server port and the client port are designed. For the server port， the two?dimensional image information is converted into three?dimensional virtual reality data by the transformation matrix. For the client port， the converted results are transformed into codes， and the codes are input into the computer by C language. The above hardware and software designs achieve the environmental art design system based on the three?dimensional virtual reality technology. The relevant software and hardware parameters required are prepared for the experiment. The three design systems are used to design the mountain. The experimental results show that， in comparison with the effect pictures of the mountain of the AutoCAD design system and the Sketch UP design system， the effect picture of environmental art design system based on three?dimensional virtual reality technology has fewer lines and is more suitable for the environment art design.

Keywords： environmental art; design system; three?dimensional virtual reality; simulation experiment; line using; line of effect picture

0  引  言

虚拟现实技术是一种多种技术融合的综合体，其中包括三维虚拟现实技术[1]。三维虚拟现实技术本质就是利用计算机模型产生三维的虚拟世界，提供给使用者身临其境的感觉，并且可以无权限地观察三维空间内的事物。环境艺术设计使用一定的组织和围合手段对空间进行艺术处理，运用人工照明或是自然光等一些设计语言对建筑物室内外的空间环境进行设计，体现出特定的氛围和一定的风格，来满足人们的功能使用及视觉审美上的需要[2?3]。

环境艺术设计系统是一个可以为环境设计师们展现艺术设计的平台。引入了三维虚拟现实的环境艺术设计系统可以将待设计的事物整合到一个立体空间中，使整体的设计更加立体逼真，能够将繁琐的设计过程简单化，促进了环境艺术设计手法向多样化的趋势发展，为环境艺术设计提供了新的设计方式。

1  硬件系统设计

系统硬件采用单片机为主控制器，控制处理一些特殊的环境计算过程。设计输入环境指标单元、输出单元，两个单元承载虚拟现实技术的输入与输出[4]。总的硬件设计电路框架图如图1所示。

根据图1，设计系统的硬件，主要包括中央处理单元、存储器、输入/输出接口、设计设备、通信接口以及电源。控制器采用单片机为主的微控制器，单片机结构简单，拥有强大的编程功能，可以承载不断变化的环境设计数据[5]。

数据功能模块设计为地形数据模块、建筑物模块和植物位置模块，三个模块分别采集数据，然后进行数模转换。将三个模块统一连接数据传输单元，方便转换后的数据统一传输、统一处理[6]。为保证处理过程的安全性、可靠性，传感器采用SP12多功能传感器，设计传感器内部时钟，在传感器内部放置2个振荡器，将振荡频率为2.5 kHz的低功耗振荡器放置内部时钟里，将振荡频率为2 MHz的振荡器用于数据功能模块中[7]。具体的传感器结构如图2所示。

传感器外接拓展接口，帮助实际环境设计数据输入到中央处理模块，中央处理模块外部输入部分连接计算机键盘，由键盘输入数据完成设计数据的输入[8]。存储器设计分为两个模块，系统程序储存器与用户程序储存器。系统程序储存器主要负责储存编程器得出的系统数据;用户程序储存器用来记录设计者设计的数据[9]。为了克服因计算机运行时间过长计算机发热，影响系统正常运行，硬盘驱动器数据接口采用SATA接口，至此设计系统的硬件设计完成，软件设计部分用以支持设计系统正常运行[10]。

2  软件系统设计

将系统软件设计分为两大部分，即服务器端和客户端，通过Internet将两个端口相连，服务器端口为设计者提供需要的设计数据等资源，客户端可以根据设计者的需求与服务器端口通信，整体构架图如图3所示。

由图3可知，虚拟现实环境艺术设计系统的服务器端融合了三维虚拟现实技术、SQL Server数据库、Virtools Multiuser Server服务器以及环境模型库 [11]。三维虚拟现实技术可以实现数据通信，对设计者请求的数据库内的数据进行查询、修改、添加、删除等操作。为了提高系统的拓展性和灵活性，将环境设计中的二维图形信息经过几何变换呈现出三维虚拟现实效果[12]。将维度转换过程当作环境图形在坐标系内的变化，使用齐次坐标表示二维图形，不断变换坐标，实现三维虚拟现实效果。此时假设变维之前的坐标为[[x，y，1]]，变换后坐标为[[x?，y?，1]]，此时的二维变换矩阵可表示为：

[T2D=adgbehcfi] （1）

式中[a]，[d]，[g]，[b]，[e]，[h]，[c]，[f]，[i]都表示二维图像的坐标点。进行变换时，将式（1）分为4个子矩阵[13][abde]，[c，f]，[gh]和[[i]]。子矩阵[abde]是缩放、旋转、对称变换;[c，f]是平移变换;[gh]为投影变换，[g]可以在[x]轴上[1g]处产生一个灭点，[h]则可以在[y]轴上[1h]处产生一个灭点;[[i]]可以将整个二维图形进行伸缩变换。所以，[1 0 0]可表示为[x]轴的无穷远点，[0 1 0]表示[y]轴上的无穷远点，[0 0 1]则表示原点[14]。此时，维度变换就可以通过下式实现：

[[x?，y?，1]=[x，y，1]100010TxTy1] （2）

式中[Tx]，[Ty]表示坐标轴中的维度变化量[15]。

将维度转换处理过程记录到计算机中，至此三维虚拟现实技术的环境艺术设计系统设计完成。

3  仿真实验

3.1  实验参数

设计实验所需的相关硬件软件的参数如下所示：

CPU ：Intel Celeron D 2 GHz或者同档次AMD CPU以上;内存：512 MB以上;显卡：ATI Radeon 8500 64 MHz独立显卡或是GeForce MX440 64 MHz;硬盘：至少留有1 GB的硬盘剩余，操作系统：Windows 2003及以上;建模软件：3DMAX 6;场景驱动软件：Multigen Vega Prime 1.2.2;程序开发软件：图形开发库，以环境设计中的山体为设计目标，分别使用AutoCAD设计系统、Sketch UP设计系统和三维虚拟现实技术的环境艺术设计系统对山体进行设计，对比设计出的山体效果图使用线条的数量。

3.2  实验结果

使用三种设计系统对山体的设计效果进行对比如图4所示。

由图4可以看出：使用AutoCAD设计系统设计出的山体效果图使用线条过多;使用Sketch UP設计系统设计出来的山体效果图在一定程度上减少了线条的使用，但还是存在大部分的线条，影响设计效果;而使用了三维虚拟现实技术的环境艺术设计系统设计出来的山体效果图没有使用直观的线条，而是采用虚拟现实技术代替传统设计方法的线条，将山体与地面进行分界。在这三种设计系统中，三维虚拟现实技术的环境艺术设计系统设计出来的山体效果图线条使用最少，更适合在环境艺术设计中使用。

4  结  语

随着科学技术的发展，环境艺术设计已经摆脱了只用纸和笔设计方案进行实现的情况，计算机辅助设计已经成为了设计师的主要设计工具，在一定程度上缩短了设计周期，提高了设计质量。其中，最为出色的就是三维虚拟现实技术支持的环境设计系统，它将环境中存在的待设计元素更加真实地体现出来，为环境艺术设计提供了新思路。

参考文献

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