基于用户体验的家具虚拟展示设计研究

程晓晓

摘  要： 传统的虚拟家具展示操作流程复杂，且在进行家具角度变换时成像模糊，为解决这一问题，提出基于用户体验的家具虚拟展示设计。利用3D Studio MAX建模软件在开发平台上确定各个点的坐标，根据各个点的位置变化建立模型结构，在对数字正射影像数据进行校准的基础上叠加计算数字高程数据，生成具有视差的左右立体图像对，最后建立原型节点机制，引入虚拟现实建模语言动态映射技术，完成基于用户体验的家具虚拟展示设计。通过对用户进行任务测试的结果可知，使用基于用户体验的家具虚拟展示成像效果清晰度为5 MP，比传统方法的成像效果清晰度高出4 MP，验证了设计的基于用户体验的家具虚拟展示的有效性。

关键词： 家具虚拟展示; 用户体验; 3D建模; VRML动态映射; 立体图像对生成; 设计研究

中图分类号： TN99?34; TP391.72                    文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2020）05?0065?03

Design research on furniture virtual presentation based on user experience

CHENG Xiaoxiao

（Luoyang Institute of Science and Technology， Luoyang 471000， China）

Abstract： The design on furniture virtual presentation based on user experience is proposed in view of the facts that the traditional virtual furniture display operation process is complex， and the imaging is fuzzy when the angle of furniture is changed. The 3D Studio MAX modeling software is used to determine the coordinates of each point on the development platform and build the model structure according to the change of position of each point. The superposition calculation of digital elevation data is executed on the basis of calibrating the digital orthoimage data to generate left and right stereo image pairs with parallax. Finally， the prototype node mechanism is established and the virtual reality modeling language （VRML） dynamic mapping technology is introduced to complete the design of furniture virtual presentation based on user experience. The results of task test on users show that the definition of imaging effect of furniture virtual presentation on the basis of user experience is 5 MP， which is 4 MP higher than that of the traditional method. The test results verify the effectiveness of furniture virtual presentation designed on the basis of user experience.

Keywords： furniture virtual presentation; user experience; 3D modeling; VRML dynamic mapping; stereo image pair generation; design research

0  引  言

隨着生活质量的提高，人们对于家具的选择也有着更高的要求。国内外家具市场发展迅猛，信息化技术在其中有着不可或缺的作用，大多数的家具软件最初主要应用在设计、制图方面。由于家具本身种类多、体积大等特点，展厅的面积有限而不能将所有的家具都呈现在顾客面前[1]。为了更好地展示产品，近年来家具软件逐渐趋近于展示方面的发展，主要以图片或是Flash动画为主要展现方式，逐渐融入了人机互动、三维虚拟现实等技术，但是由于家具虚拟展示是刚刚兴起的与高科技结合的一个项目，在用户体验方面还不是特别完善，操作流程繁琐复杂，且在进行家具角度转换时成像模糊，用户体验差。

为了提高家具虚拟展示的应用性，研究一种基于用户体验的家具虚拟展示设计，在保证展示功能的基础上，使操作流程简化，使用门槛低，更适合投放在家具市场中供顾客体验。利用3D Studio MAX建模软件在开发平台上确定各个点的坐标，根据各个点的位置变化建立模型结构，在校准数字正射影像数据的基础上对数字高程数据进行叠加计算，生成具有视差的左右立体图像对，最后建立原型节点机制，引入虚拟现实建模语言动态映射技术，完成基于用户体验的家具虚拟展示设计。

1  基于用户体验的家具虚拟展示方法设计

1.1  构建3D虚拟模型

目前在设计方面的三维软件发展成熟且应用广泛，3D虚拟建模也是普及最广的三维动画和建模软件[2]。本文采用的建模软件选择3D Studio MAX，可以在PC上开放运行，同时利用它集成大量的第三方插件，因此其特效制作能力和三维动画非常强大，根据家具的成像属性，其建模流程如图1所示。

构建模型所用到的平台选择了OSG开发平台，该平台的本质实际上是一个跨平台的C++库。在OSG开发平台上要实现家具的虚拟展示，就要在特定环境下对家具进行摆放并搭配，在展示的过程中体现建筑的美感[3]。在建模过程中，利用不同户型作为特定环境，搭配灯具、壁纸等作为模型装饰，其模型结构如图2所示。

图2中的模型变换主要体现在空间组成的位置数据，空间组成是3D空间的特定位置和方向的排列。图形空间采用常规三维坐标系，点坐标表示为[（x，y，z）]，用来定义虚拟空间中的每个点。为了在虚拟空间中正确摆放家具，需要建立家具和OSG平台之间的关系[4]，因此在3D空间当中，可以用简单空间关系来描述两物体的空间关系。两者之间的基本关系为平移和旋转，可以表示为：

[X=RSX+T]   （1）

式中：[X=（x，y，z）T]为家具3D虚拟模型的摆放点;[X=（x，y，z）T]，为OSG平台中的点;[R，S，T]分别为OSG平台对家具的旋转变换矩阵、比例变换矩阵和平移变换矩阵。利用生活中表示具体意义的词汇对家具之间的关系进行定义，至此完成了3D虚拟模型的构建。

1.2  生成立体图像对

三维场景主要通过3D虚拟模型的数据来表现，因此开发了3DMAX插件来校准数字高程数据（DEM），在此基础上叠加数字正射影像数据（DOM），将校准后的DEM数据和叠加的DOM数据进行处理[5]，得到OSG平台下的FBX格式文件。空间家具的3D模型数据库对FBX格式的文件能够进行部分设置，包括颜色、位置摆放等，并最终对整体效果进行渲染。根据人眼的立体视觉，实现了左右眼分像，从而使虚拟场景产生立体感。立体图像对的快速生成算法如图3所示。

图3中，假设三维空间中任一点[P]在左右像平面中的成像为[P1（x1，y1）]和[P2（x2，y2）]，点[P]的视差[d]可以用[P2-P1]来计算，得到：

[（x，y，z）=（x1，y1，f）Ld] （2）

式中：[L]代表左右焦点之间的间距;[f]代表焦距;[d]代表两眼的视差。[d]与[z]之间满足：

[d=L·fz] （3）

按照上述关系式，能够根据左右眼不同的视线向量，即由不同的[R，S，T]来定义[6]。视线左右眼图的同步计算，减少了复杂的操作，最终生成具有视差的左右立体图像对。

1.3  引入虚拟现实动态映射技术

若要引入虚拟现实动态映射技术，首先要利用虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）对左右立体图像对进行定义，以层次结构的形式将实物图像组织成VRML动态映射，利用这些动态映射来表示场景中的各类家具，这是本文的设计中优化的关键步骤。本文方法的核心就是建立简化的VRML操作步驟，因此需要将3D模型的左右立体图像对映射成VRML虚拟世界[7]。由于数据体量大，为了减少VRML的源代码规模，需要避免相似节点的重复生成。为此建立基于VRML 2.0的EXTERN PROTO原型节点机制，利用其特性结合已有节点，对家具原型进行参数化，引用PROTO文件对新节点的参数进行自定义。VRML的映射流程如图4所示。

在图4中，对于VRML库的应用，需要严格限制数据的传输量和安全性[8]。为了利用Applet程序的优势，在服务器应用程序上实现两者的通信。传输产生VRML代码的参数，进一步再转换为整个VEML文件[9?10]。在本系统具体实现中以房间位置作为UCS坐标系，其他各类物体的相对位置属性定义参见表1。

根据表1中各类标识的属性特征，结合虚拟现实动态映射技术，能够在有效展示虚拟家具的同时，注重了整体设计的美感，对用户来说操作也较为简便。至此完成了基于用户体验的家具虚拟展示设计的研究。

2  基于用户体验的家具虚拟展示方法测试

在方法设计完毕后，需要开展可用性测试，验证设计的基于用户体验的家具虚拟展示方法的有效性。选取空间中某家具，分别利用传统的家具虚拟展示方法和设计的方法对其进行虚拟旋转展示，并在期间记录成像效果，分别对成像效果清晰度进行分析。

2.1  实验环境及参数

为了消除测试中由于设备配置不够带来的误差，两次测试均配备了相同高配置的计算机来支撑家具虚拟展示的流畅运行，具体参数如表2所示。

2.2  实验结果与分析

在实验的过程中，测试者分别使用传统方法和设计的方法进行家具旋转多角度展示的测试任务，测试对象选取的是一个单人家用沙发椅，在旋转之前成像如图5所示。

图6和图7中的6个图像是分别经过0°，30°，60°，90°，120°和150°旋转得到的成效效果。经过清晰度比对程序的数据显示，传统方法成像效果清晰度平均为1 MP，本文方法成像效果清晰度平均为5 MP，验证了基于用户体验的家具虚拟展示设计的有效性。

3  结  语

针对传统的虚拟家具展示操作流程复杂，导致用户在体验时的成功率低的问题，本文提出了基于用户体验的家具虚拟展示设计，通过对用户进行任务测试的结果可知，使用设计基于用户体验的家具虚拟展示成像效果清晰度为5 MP，比传统方法的成像效果清晰度高出4 MP，验证了设计的基于用户体验的家具虚拟展示的有效性。

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