基于虚拟现实的室内空间表现研究

陈海军

摘要：室内空间的表现形式多样，从传统的手工绘制、实体模型表现，到计算机辅助设计的二维图片，再到虚拟现实表现，由二维到三维到四维再到多维，从业者一直在探索，一直在创新。虚拟现实技术应用于室内设计是行业技术发展的一个飞跃。VR室内空间表现不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个交流工具。它以视觉形式反映了设计者的思想，把空间变成看得见的虚拟物体和环境，用户沉浸其中，使以往传统表现模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计效率和质量，提升了用户的体验。

关键词：虚拟现实;VR;室内空间表现

中图分类号：TP3        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）36-0129-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

B20峰会上，建设创新型世界经济，以互联网为核心的新一轮科技和产业革命蓄势待发，人工智能、虚拟现实等新技术日新月异，虚拟经济与实体经济的结合将给人们的生产方式和生活方式带来革命性变化。“十三五”规划也明确把虚拟现实作为战略性前沿技术而进行基础研发与提前布局。这几年虚拟现实取得初步发展，可以说是我国的朝阳产业，各行各业对VR技术的需求日益旺盛。虚拟现实技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。

1 VR虚拟现实室内空间表现技术

“虚拟现实”英文“Virtual Reality”，简称“VR”，是数字科技发展的产物，并伴随着数字科技进步不断发展创新，自VR技术出现到现在，逐渐向各行各业积极拓展延伸，涉及军事、设计、娱乐、教育、医疗、地产等，艺术设计也在积极探索与虚拟现实的融合。

室内空间的表现形式多样，虚拟现实的出现为室内空间的表现提供技术支持与物质保障。其原理是基于一个或者多个信息处理实时图像图形的三维软件，创建几何模型，对其着色、材质、阴影、渲染等，以视觉表现的方式来展示设计者的思路，并同时利用第三方硬件（如计算机、VR眼镜、数据头盔、VR手柄等）或平台与观者进行交互体验。例如室内空间装修之前的工作，首先要做的是设计师根据自己的设计理念，对空间的结构、风格、规划等仔细构想，利用虚拟现实技术按照自己的构思去构建身临其境的空间环境、而观者能沉浸其中，看到表现效果、体会设计师理念，动手操作互动，从而构建自然和谐、人机交互的环境。

2 室内空间表现发展历程

室内空间的表现形式多样，从传统的手工绘制、实体模型表现，到计算机辅助设计的二维图片，再到虚拟现实表现，由二维到三维到四维再到多维，从业者一直在探索，一直在创新。

（1）传统手工绘制形式

在计算机技术没有普及之前，一直是以手工绘制的形式来表现室内空间设计，其以徒手为基础，以各绘图工具为媒介，把设计师所思所想记录下来，可以说是一种最为纯净与自然的表现形式。设计师思维最直观的体现方式，是由思维转化成设计，由手工绘制推动和深化的过程当中，设计师需具备成熟的技巧和方法。形象的刻画、环境的塑造、材质的赋予等设计语言，都需要成熟丰富的技巧来组织，以达到与思维的高度统一。这种表现方式自然纯净、丰富自由，但相对而言，门槛较高，耗时较多。

（2）实体模型表现形式

在用图纸表达室内设计空间的时候，虽然二维图纸能表达三维空间效果，但设计理念和想法往往不能通过图纸的方式完全表达出来。实体模型则以其最直观的形象使设计想法最接近实际。在初期，概念型、草图型实体模型可以让作者推敲室内空间结构、色彩、采光等实际问题，从而推进设计过程，探求更理想的方案，甚至可以指导实际施工。在终期，展示型、商业型实体模型模拟非常高，展示最真实的效果，呈现给观者的是最真实的体验。

（3）计算机辅助设计表现形式

计算机技术的普及，给设计界带来翻天覆地的影响，也给室内空间的表现带来巨大的变化。随着电脑硬件和软件的不断完善，设计者彻底从手工繪制的工作中解放出来，各种功能齐全的设计软件如3DSMAX、CAD、PHOTOSHOP等，通过各种指令，就能极快地完成工作;同时，由于其可逆性，极大地缩短了设计时间，提高了工作效率，计算机网络平台资源的共享，更丰富了室内空间的表现手法，拓宽了设计思维。但有利也有弊，随着计算机技术在室内空间表现领域的广泛运用，素材资源的共享，促使设计师产生依赖心理，表现作品缺乏个性，忽视了艺术修养的培养。

（4）虚拟现实表现形式

计算机技术发展到一定的高度，虚拟现实开始应用于室内空间表现领域。在计算机技术发展的初期，受硬件和软件的限制，室内空间表现大多以图片的传媒方式来表达，这种二维方式的表达有很大的局限性，虚拟现实技术出现并运用以后，其可带领观者走进虚拟的多维空间，沉浸在其中，仿佛感知真实空间;可以与空间的物体接触，改变物体的位置，与空间互动;还可以在视觉、听觉、触觉、运动、时间等多个维度感知空间，其是行业最近需要探知的方向。

3 VR室内空间表现的特征

（1）逼真感

VR室内空间表现的场景、模型及情感设计都是根据真实世界来虚拟，无论是VR图形技术，还是VR图像技术，都可以营造观者感知的真实环境和事物。VR室内空间表现的界面、颜色、家具与现实空间所不同的是一个是感知上的逼真，一个是现实中的逼真。

（2）沉浸感

VR室内空间表现是利用计算机技术模拟产生三维的虚拟空间，观者沉浸这个虚拟空间里，可以去任何地方，感知这个空间，触摸这个空间，让用户有身临其境般的体验。观者的感知系统感知虚拟空间带来的刺激、惊喜，并产生情感与思维上的共鸣。

（3）交互性

当VR室内空间表现通过相应的技术让场景环境、事物可操作的时候，观者就可以和虚拟空间产生相互的作用。例如：把场景中的家具改变位置，界面改变造型，物件改变颜色，打开场景中的门窗、电视机、水龙头，和场景中的VR空间管家对话等。这种用户对虚拟空间中的事物发出操作指令和虚拟空间产生的反馈所产生的相互作用是传统室内空间表现不能比拟的。

（4）自主性

如果把VR虚拟空间表现当成一个故事的話，设计师不再是唯一的主角了，用户也不再是单纯的观众了。VR空间表现可以对各设计元素如不同风格的装饰，不同家具造型的动态对比，颜色的编辑，材质的修改等进行有效存储，用户在虚拟空间中可以自己DIY，做设计故事的主角，改变地板的材质，换一换墙壁的颜色，搭配一套自己喜欢的家具，这种虚拟空间表现的乐趣性不言而喻。

4 VR室内空间表现的主要技术要点与过程

VR室内空间表现的目的是要实现可视化，实现与用户之间的沟通。为了生成这种特殊的环境，需要多种技术融合，实现VR室内空间的整体及细微的效果表达，让用户产生置身真实空间的感觉。

4.1 主要技术要点

（1）虚拟的空间场景建模技术

在虚拟室内空间中，建模技术是一个重要的环节，利用3D SMAX、MAYA等专业软件创建建筑、家具、人物、植物、各装饰构件等模块，同时注意模型的优化，然后在这基础上进行触感反馈、立体视觉显示、交互等技术，营造出一个室内空间整体环境。

（2）立体视觉显示技术

立体视觉显示方式很多，如裸眼3D显示、全息投影3D显示、眼镜3D显示等。VR室内空间表现现在比较常用的是利用基础建模形成虚拟图形输入模块，利用UE4虚拟平台处理图形输入模块，然后形成立体视觉显示输出模块，最后，在计算机、VR眼镜等专业设备上就可以看到非常真实的虚拟空间。

（3）实时反馈交互技术

虚拟的空间要想实现与现实空间相同的感受，仅仅靠立体视觉显示不能达到与现实空间真实感的目的，用户不能被动地接受，更应该主动地感受，应加入实时反馈交互技术，让虚拟空间更具备真实感。如：在虚拟的室内空间当中，用手一推，窗户打开，同时可能还有微风吹过;按下电视机的遥控按钮，电视播放节目等，这种实时的反馈更能让用户身临其境。

（4）虚拟空间声音合成技术

VR室内空间当中，视觉不是唯一，听觉也可作为重要的反馈辅助，在虚拟室内空间适当加入合适的音效、音乐，构建带有层次的声音特效，合成环绕立体声，提升用户的沉浸体验。

4.2 实施过程

（1）前期的规划构思

古人云：“先谋，后事者昌”。前期对室内空间的规划与构思在VR室内空间表现中处于首要地位，对具体的空间设计图纸和空间场景做大致的规划和构想，并对虚拟空间场景的建模和各个模块的功能做出构思。收集空间设计的相关资料，对空间户型进行调研与分析，对方案进行整体的构思并确定空间规划方案。完成CAD制图进行彩色平面图制作。

（2）创建室内空间模型

当前期的规划构思完善，准备工作做好以后，就可以开始基础的室内空间场景建模了。建模工作一般通过SDAMAX来创建与优化。3D建模是Unreal Engine 4的基础部分，场景的模型都要通过3DS MAX来完成，建模是构建场景的基本要素，一个好的虚拟现实项目要运行流畅，最重要就是模型的优化，同时还要保证模型的大小，保证程序发布之后不会占用太大的内存。基本的优化原则就是制作简模，建模过程中基本上所有模型都是简模，对于相交的面要删除相交之后重复的面，尽量减少模型的点以达到优化的目的，把场景中看不见的面都删除，这样就减少3DS MAX的模型面数，实现在程序上的流畅状态，然后再根据项目的需要来进行修改得出自己理想的模型 。

（3）构建虚拟室内空间

引进UE4虚幻引擎搭建虚拟平台，在UE4平台为优化了的室内空间模型添加灯光设置渲染、音效，图形界面，编写交互蓝图，最终形成一套完整的虚拟室内空间表现。其一，UE4引擎的画质是数一数二的，其中灯光设置渲染是关键，逼真的场景能给用户带来真实的沉浸感，对于用户来说真实感越好，容易得到认可。测试烘焙的话可以选择preview模式，最终效果的话就要选择production模式，通过提高该模型的灯光贴图分辨率或是它的灯光贴图UV面积利用率来提升效果。其二，根据空间的需求对场景中进行音乐的脚本添加与合成。例如：在虚拟室内空间中加固定声源和移动声源的方法。固定声源：窗户外面海浪的声音，厨房里面油的声音，电视画面声音等;移动声源：家庭成员经过身边渐行渐远的脚步声，多种声音合成，形成环绕立体声，犹如身临真实空间的沉浸体验。其三，根据室内空间与用户、用户与界面之间的关系，UI界面设计、交互技术也是虚拟现实项目的关键。VR室内空间表现通过UE4负责交互功能的开发，将虚拟场景与用户连接在一起，协调整体虚拟系统的工作和运转。搭建一个页面简约直接、逻辑结构合理、极具沉浸感的虚拟环境。

（4）后期输出

通过执行输出的可执行文件（EXE文件）或浏览器播放插件把模型显示在屏幕上，使用鼠标和键盘点击设置的交互区域或者第三方交互设备进行人机互动。通过以上，整套虚拟空间表现基本完成，如图1所示。

5 结语

VR技术的出现为室内空间表现注入了新的活力，弥补了传统室内空间表现的不足，其能充分地将室内空间的任何角度展示给观者，加强了与用户的联系，提升了用户的体验，较传统表现方式更直观、更高效、更具多维性，在国内来说属于新兴的朝阳产业。尽管VR室内空间表现在发展初期遇到很多困难，如空间表现用户体验还是缺乏直观性、软硬件还是跟不上实时动态反应数据、交互性效果不够理想等诸多问题，但促使人们寻求更多、更新的方法来解决问题。VR技术将是室内空间表现领域未来的发展方向。

参考文献：

[1] 李良志.虚拟现实技术及其应用探究[J].中国科技纵横，2019（3）：30-31.

[2] 石宇航.浅谈虚拟现实的发展现状及应用[J].中文信息，2019（1）：20.

[3] 汤朋，张晖.浅谈虚拟现实技术[J].求知导刊，2018（36）：50-51.

[4] 徐一夫.虚拟现实技术发展浅谈[J].科技传播，2018，10（23）：122-123，130.

[5] 笪旻昊.虚拟现实技术的应用研究[J].电脑迷，2019（1）：53.

[6] 涂思危.VR虚拟现实技术发展与应用[J].中国科技纵横，2019（4）：51-52，55.

[7] 王波，李宪锋，张丹.基于图像处理的虚拟现实技术的室内设计系统研究[J].现代电子技术，2020，43（11）：68-71，75.

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