基于虚拟现实技术和三维模型的室内色彩优化研究

郭广通 徐娜

摘  要： 室内设计当中，环境色彩优化不足往往导致家居设计不够逼真，与预期设计效果产生较大差异。以虚拟现实技术为基础技术依据，进行二维平面向三维平面的空间转换，搭建相应的三维空间模型。同时，对室内色彩进行环形调和，进行相应的光效渲染，做到实际光照和环境下的室内色彩仿真体现。优化手段与传统的CACD手段相比，光效渲染真实程度高，家居设计还原性很强，能够在更大程度上保证室内家居设计的高拟真性。通过实验进行效果验证，验证结果表明所设计方式的图像质量更高，设计效果更优，具有普适性。

关键词： 虚拟现实; 室内色彩优化; 光线渲染; 色彩搭配; 三维模型; 室内场景; 三维建模

中图分类号： TN911.73?34                       文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2020）21?0132?05

Research on indoor color optimization based on virtual reality technology and 3D model

GUO Guangtong， XU Na

（Yanching Institute of Technology， Sanhe 065000， China）

Abstract： In interior design， the lack of environmental color optimization often leads to the lack of fidelity in home design， which is quite different from the expected design effect. On the basis of the virtual reality technology， the spatial transformation from two?dimensional plane to three?dimensional plane is carried out to build the corresponding three?dimensional space model. At the same time， the indoor color is subjected to circular adjustment and corresponding light effect rendering， so as to realize the indoor color simulation representation under the actual lighting and environment. In comparison with the traditional CACD method， the optimization method has the advantages of high fidelity of light effect rendering and strong reducibility of home design， which can guarantee the high fidelity of interior home design to a greater extent. The verification results of experiments show that the proposed method has higher image quality and better design effect. Therefore， it has universal applicability.

Keywords： virtual reality; interior color optimization; light rendering; color matching; 3D model; interior scene; 3D modeling

0  引  言

随着计算机技术的飞速发展，虚拟现实技术也得到了长足的发展，同时在人们生产生活当中的应用也越来越广泛。在室内色彩设计方面，虚拟现实同样有其用武之地。对于室内家居设计来说，色彩设计是其关键一步。室内的色彩应当如何表达，是由设计师结合客户的主观需求决定的[1]。但是实际应用当中，用户往往无法直观感受色彩应用到室内家居设计当中的实际效果，也无法为设计师提出准确的修改意见。设计师想要依据用户需求对室内的色彩设计进行改进相对较难。需要研究出一种信息化的室内色彩设计方法，以计算机虚拟现实技术为基础，帮助用户更加准确地掌握室内色彩设计效果，便于设计师依据用户需求做出更契合客户意愿的室内色彩设计。目前一般通过CACD方式进行对应的室内色彩设计，但是这种方法所呈现出来的效果不够逼真，而且无法做到更加自然的光效渲染。CACD在进行室内色彩设计时，难以达到理想的设计效果。针对CACD的不足之处，提出以虚拟现实技术为基础的室内色彩优化以及设计方案，旨在帮助用户更为便捷、快速地选择符合自身意愿的室内色彩搭配，帮助设计师更加准确地达到用户需求。

1  室内色彩搭配的重要性

室内家居设计当中的色彩搭配在很大程度上决定了用户居住在室内的舒适感、空间感，能够调节环境氛围，帮助用户营造更为舒适的居住空间[2]。对于室内家居设计来说，色彩搭配对整体的室内家居设计影响很大，同时室内色彩搭配普遍较为经济实惠，易于实行。室内色彩搭配在室内家居设计当中的重要性主要体现在以下几个方面。

1.1  色彩搭配调节室内整体空间感

室内空间的大小是固定的，但是不同的室内色彩搭配，给人们造成的室内空间感是不同的[3]。具体来说，通过各种各样的色彩搭配，能够营造不一样的软硬感、轻重感、冷暖感、空间感以及时间感。色彩搭配能够直观地从视觉上为用户提供凹凸、上下、前后等各种效果。通过对室内的色彩进行搭配，人们能够产生感官上的面积以及体积的大小错觉。对于相对狭窄的空间布局，通过一定的色彩搭配，如在两边墙上使用一些色彩相对明亮的冷色，在房间的顶部填涂一些色泽相对温和的暖色，这样能够给人以视觉感官上的开阔度，从而尽量降低狭窄空间布局给人所造成的局促感[4]。在色彩搭配当中，相对较低明度的冷色调，能够营造一种远离的、内凹的感官错觉;相对较高明度的暖色调，能够营造一种前进的、外凸的感官错觉。尽管色彩搭配无法造成实际的物理改变，但是能够在很大程度上改变人们因为一些不当室内搭配产生的不适感。以温度举例，室内色彩不论如何搭配，都不能够改变室内真实[5]的温度。但是通过合理的室内色彩搭配，能够帮助人们产生心理上的冷暖感觉，使人们减缓对应的温度落差。好的色彩搭配，能够为室内家居设计带来更加完整合理的整体空间感。

1.2  色彩搭配影响人的情绪反应

人的眼睛在接收外界信息时，首先通过光线接收投射成像，而后通过视神经传递到大脑[6]。在这一过程中，不同的色彩传递给人的情绪反应是不同的。人们会因为不同的色彩而产生消极或积极的各种情绪。如红色让人兴奋，蓝色让人沉静，绿色让人活泼[7]。总体来说，冷色调的颜色多让人产生安静的情绪，甚至会让人产生犹豫的情绪，如蓝色、绿色以及灰色等;暖色调的颜色多让人兴奋，有活泼愉悦的感受，如橙色、红色以及黄色等。在斑斓的色彩搭配当中，黑色与白色作为色彩的两个极端，给人的感觉也各有不同。白色能够给人以素洁的感觉，但是白色具有十分强烈的对比度，瞳孔在这种刺激下会不断收缩，从而导致头疼等各种症状。黑色会给人以沉闷、枯燥、忧郁的感觉，导致人的注意力分散，因此如果长期生活在以黑色为主调环境当中的人，其瞳孔会不断放大，造成感觉上的麻木，日积月累会损害其自身的身心健康。色彩搭配对人的情绪反应的影响，最终会对人的两个方面造成影响：一是人的健康状态，色彩搭配会影响人的内分泌机能、心血管健康以及中枢神经系统的活动;二是影响人的智力发育，研究表明，舒适悦心的色彩搭配对人的智力发育有一定的促进作用。

1.3  色彩搭配改变人的心理感知

人之所以会对不同的色彩有不同的心理感受，这与色彩对应的色相有很大的关系。不同色彩对应的不同色相给人的心里感知是不同的。在我国，之前的歌剧院大多数以蓝色的色调为主进行装饰，但是蓝色无法调动人兴奋的情绪，反倒使得音乐剧变得乏味。后来剧院的装饰改成以红色为主的色彩基调，既能够在很大程度上调动观众积极听歌剧的情绪，也使得音乐剧演出效果更佳。同样，绿色往往表示活力、生命，让人感觉安宁和感受希望，因此在医院以及相应的医疗机构当中，绿色是经常被应用到的颜色。在医院中，相对较浅的绿色能够使患者的心情相对平稳，同时也使得医生不易疲劳，能够更好地为患者进行疾病医治[8]。不同的色彩搭配，对于人的心里感知所造成的影响不尽相同，在室内家居设计的色彩搭配当中，应当谨慎选择各种色彩搭配，以达到最好的室内设计效果。

2  以虚拟现实为基础的室内色彩设计

2.1  室内场景的模型创建

室内色彩设计的首要前提是对室内的场景进行对应的整体模型创建与整合[9]。要能够对室内家居摆设的外形以及室内整体空间布局通过模型表现出来。下面对室内空间应当如何建模进行详述。首先需要确定二维空间当中的关键点，设二维空间当中的关键点为[（x，y）]，则：

[x=x+αN1] （1）

[y=y+αN2] （2）

式中：[α]为对应的描述控制參数;[N1]表示对室内的整体场景变化进行描述的模式矩阵;[N2]表示对应的纹理变化的描述矩阵。描述控制参数[α]改变对应的场景整体轮廓以及对应的纹理也发生变化，以此来获取不同的室内场景二维空间的关键点坐标。

求得对应的二维空间的关键点坐标之后，通过计算机技术，对二维空间当中的关键点坐标进行标定，将二维空间的关键坐标转化为三维空间的关键点坐标。转换完成之后，就可以对摄像机机位进行设定，机位设定的示意图如图1所示。

摄像机机位设定完成，则开始采集室内场景的整体图像。以图1为例，其中，[D]定义为室内家居摆设对应的主要特征点，对应的摄像机成像点定位互成90°的两个点[D1]以及[D2]。其中，直线[O1D1]与直线[O2D2]相交，交点为[D]。当进行图像采集时，室内摆设所对应的坐标系的[z]轴与摄像机的[z]轴相互重合，其坐标系的[x]轴与摄像机坐标系所对应的[x]轴重合。定义[β]为摄像机所对应的焦距，[l]为摄像机对应的拍摄距离。则二维空间的关键点[（x，y）]转换为三维空间的关键点[（x，y，z）]可由以下公式得到：

[r1=βl-xy] （3）

[s1=βl-xz] （4）

[r2=βl-xcos α+ysin α（ycos α-xsin α）] （5）

[s2=βl-xcos α+ysin α] （6）

2.2  室内色彩的优化与设计

室内的场景搭建完成之后，借助截面环形调和的方式对室内的色彩进行搭配。截面环形的调和方式示意图如图2所示。

首先进行与目标任务相对应的三点调和。定义[Oa0b0M0]为对应的基础色点，则与基础色点相对应的两个调和色点为[Oa1b1M1]与[Oa2b2M2]。其中，[a0=a1=a2]，[b0=b1=b2]，[M0≠M1≠M2]。则对应于点[Oa0b0M0]的色环半径可以定义为[R]，且色环半径为[x2+y2=R2]，同时[z=z0]。之后计算[b=0]平面与其夹角[γ]，公式如下：

[γ=arctan（y0x0）] （7）

获得平面的色环点之后，要对其进行三维空间的转换，其转换公式如下：

[O′abM=OabM×z] （8）

[O′a1b1M1=-32R，-12R，z0，1] （9）

[O′a2b2M2=32R，-12R，z0，1] （10）

式中：[z]为对应的顶点，若对应的顶点[z=3]，则与之相对应的色环的调和点坐标为：

[Oa1b1M1=z-1×O′a1b1M1] （11）

[O′a2b2M2=z-1×O′a2b2M2] （12）

由以上步骤能够对室内色彩进一步搭配与优化，从而实现更好的室内色彩方案设计。

2.3  光效渲染处理

在完成室内色彩的调和搭配以后，为达到更好的室内色彩的优化效果，选择在此基础上做出进一步的光效渲染处理。室内色彩的搭配通常分为三个部分，即室内空间当中的辅光照明、主光照明以及背景光的照明[10]。由布尔原则易知，在这三类光中，主光对于整个室内家居的影响更为关键[11]。主光照明往往能够决定室内空间的亮度基调以及空间的照明氛围。因此在光渲染处理的部分，主要对主光对于室内色彩的渲染进行研究。

通过对室内主光对应的光线折射、光线反射及其直接辐射亮度进行计算，从而实现室内整体场景的主光渲染。辐射亮度对应的公式如下：

[W（x，ρ）=Wp（x，ρ）+ψW?（x，ρ），ρcos βfr（x，ρ），ρdρ]  （13）

式中：[Wpx，ρ]表示相同方向上同一点的直接辐射;[W（x，ρ）]表示室内空间中的特定点[x]沿着[ρ]方向对应的辐射度;[ψW（?（（x，ρ），ρ）cos  βfr（x，ρ），ρ）dρ]描述的是光线折射与光线反射对应的间接光。

通常对于虚拟现实的室内色彩设计而言，通过间接光与直接光结合后所得的平均亮度数值实现相关灯光渲染的虚拟仿真。其中有关于间接光的计算相对繁琐，但是纳入间接光能够使室内设计当中对应的整体亮度更加融合，因此对其通过亮度色阶对应的光照方式做出描述。对间接光进行面光源的模拟处理，能够达到对应间接光的光照效果水平[12]。同时，为达到室内光源模拟的效果最优，对其进行一定的灯光整合。要保持照射距离与灯光距离的一致，灯光距离保证为远距离光线的衰减距离的一半。其具体的光线照射模型如图3所示。

同时，在对应的光照渲染模型当中进行对应的灯光阵列的设置，具体要求是与泛光灯保持相同的距离。定义[u]为泛光灯光线到平面的距离，[k]为远距离光线的衰减距离的半径，[g]为对应的陈列灯距。若[x]轴上存在垂直于光源的线段[n]，对应的光源数量为[m]，则对应的光照亮度按照如下公式求得：

[Wxj=j=1mWjxj，ρj]  （14）

综上获得间接光对应的模拟效果，实现室内家居设计当中色彩亮度完善的光照感觉。

3  实验结果及其分析

3.1  设计方法及其结果综述

通过虚拟现实技术对室内色彩的优化与设计的方法概述如下：对室内家居的整体场景进行模型建立，并构筑各室的单独模型，最终以三维模型的方式呈现。首先需要对二维图形进行采集与录入，借助摄像机来完成。待二维模型建立完成之后，通过计算机转换，转化成对应的三维模型。而后对三维模型进行进一步的色彩设计以及相应的光线渲染。三维模型建立要考虑到两个方面的因素：一是要充分考虑到对应的实际家居摆设与整体室内环境的位置分布;二是要考虑到实际应用。

三维模型的场景搭建是以3D平面为基础的。如室内客厅当中的桌椅、壁柜以及整体空间的摆设，都要通过3D模型进行确认[13]。同时，墙面及窗户的形状需要通过布尔计算进行求取。具体如图4所示。

在整体的场景空间的尺度与对应比例确认之后，再对室内的其他家具摆设进行进一步的细节调整。如通过对沙发面数、对倒角的半径以及其边缘线的调整，实现虚拟现实当中沙发的软硬感官上的调节。对于一些形状不是十分规则的家居摆设来说，通过调点法对不同的摆设进行进一步的形状调整，使其趋于真实[14]。以不规则座椅为例，通过挤压和调点，得到最终的椅子造型，具体如图5所示。

室内场景建模的最后一步是对各类家具摆设进行细节增强。模型面数已经固定的前提下，可以借助一些其他物品作为辅助，帮助室内场景实现更逼真的模拟效果。可以通过书本、水杯的点缀使其更为生动，效果图如图6所示。

为便于更为便捷直观的色彩搭配，可以通过建立不同材质单元的方式为室内家居的不同摆设及家具上色，以保证色彩搭配更为灵活，效率更高。材质单元相对独立，同时能够进行互相之间的叠加，以保证颜色的丰富性。材質单元可以广泛应用到室内家居设计的桌椅、沙发、挂件以及门窗上。材质单元组成的材质库的设立如图7所示。

材质库建立完成之后，需要对光照渲染进行安排。具体要对灯光渲染的亮度、光照角度进行一定程度的微调，从而实现整体环境光的流畅自然。

三维模型建立完毕，光照渲染完成之后，室内家居设计的色彩搭配初步完成，整体效果得以呈现。最终效果图如图8所示。从图8中可以看出，经过对应的色彩搭配之后，室内设计的整体效果更加自然，色彩还原度更高，整体空间感强烈，富有层次感。既便于用户直观地了解室内家居设计效果，也便于设计师更为便捷准确地进行室内色彩的搭配。

3.2 设计结果的测试与分析

为进一步验证设计结果，确认室内色彩设计是否得到优化，请30位室内设计师帮助完成实验。每位设计师都会通过色彩转换方法、CACD方法以及上述色彩搭配方法进行室内家居的整体场景色彩设计。各设计师设计完成之后，通过UIQD以及相应的评价梯度进一步评价室内设计效果的质量，并将测试所得结果的平均数值进行纵向比较。

平均梯度用来表征图像影线两侧或者是其边界的灰度所呈现出来的差异，也就是对应的灰度变化率。因此，平均梯度从另一方面对图像是否清晰做出了表征。当对应的图像清晰率较低，也就是纹理变化以及对应的细节反差相对较小时，平均梯度反而越大。平均梯度的公式表述如下：

[G=1A+Bi=0A-1j=0B-1ΔE2m+ΔE2n2] （15）

式中：[ΔEm]，[ΔEn]为对应的[x]轴以及[y]轴的差分;[A]，[B]分别代表对应的像素。

UIQD表示对应的图像质量指标，它表征了圖像的逼真效果以及是否易懂，反映的是人眼的视觉质量。图像质量指标越高，人眼对应的视觉质量就越高。UIQD的计算可以通过下式求得：

[UIQD=4αabβaβbα2a+α2bβ2a+β2b] （16）

式中：[αab]，[αa]，[αb]定义为对应图像在各种朝向下的协方差以及灰度方差;[βa]及[βb]表示对应图像的色彩数值。

具体的实验结果如表1所示。

由表1分析不难发现，与CACD方法以及色环转换的方法相比，本文使用方法能够获得较高的图像质量指标以及平均梯度。也就是该方法能够对室内色彩设计做进一步的优化，使其效果更优，因此该方法真实有效。

4  结  语

现有的室内家居设计的色彩设计方案，尽管能够在一定程度上帮助用户和设计师对实际室内家居色彩设计效果进行预览和调整，但是由于光照渲染的不足，实际虚拟效果不够真实。本文通过三维模型的空间建立，对其进行光照渲染，对以虚拟现实为基础的室内色彩优化提供新的设计方案，经实验验证有效可行。

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作者简介：郭广通（1982—），男，江苏徐州人，硕士，讲师，研究方向为室内设计和虚拟现实。

徐  娜（1984—），女，北京人，硕士，讲师，主要从事虚拟现实设计的研究与应用。