基于VR 技术的室内物体可视化建模设计

张 帅，王玉亮

（滁州学院a.美术与设计学院，安徽 滁州 239000；b.计算机与信息工程学院，安徽 滁州 239000）

物体三维重建技术［1］在计算机视觉、图像处理等领域飞速发展后，相关研究成为很多领域关注的热点［2］。为了满足数字城市建设要求，需要对可视化建模技术进一步研究，如文献［3］运用计算机断层扫描技术制作目标物体的收回建模图，并结合数学建模和仿真模拟算法，完成三维建模及可视化处理。但是，该建模方法计算复杂度较高。文献［4］基于三维激光点云数据进行可视化建模，通过坐标计算方法，明确点云数据与影像坐标之间的匹配关系，通过噪声滤除和边界线提取，得到目标物体的轮廓线，最终在计算机屏幕内呈现出可视化建模结果。但是，该方法建模耗时较长。文献［5］基于目标物体的三维形态特征分析结果，结合数学知识建立基础模型，应用B 样条曲线插值算法，建立三角网格化模型，再经过纹理粘贴得到可视化模型。但是，该方法应用拓展性较差。

为了得到更好的可视化建模效果，将虚拟现实技术与可视化技术相结合，提出了一种基于虚拟现实技术的室内物体可视化建模方法。通过三维扫描仪和相机采集室内物体图像，并利用虚拟现实（VR）技术建立可视化视觉通道，实现室内物体的交互式建模和对室内物体的智能调整和渲染处理，以达到提高建模效率和增强真实感的目的。

1 室内物体可视化VR 建模

1.1 室内物体图像采集与边界轮廓提取

室内物体可视化建模需要以物体图像为基础。为了得到更加全面的图像数据，使用三维扫描仪［6］采集室内物体的几何信息，再设置不同光源条件，用相机拍摄物体图像。针对两种方式采集的三维几何信息进行变换和配准处理，得到物体可视化建模所需的完整几何信息。对于某些特定数据来说，为了保证采样数据的准确性，需要对整个室内物体图像采集设备进行标定处理，具体的标定过程如图1 所示。

图1 图像采集设备标定过程

按照图1 所示的标定过程，完成相机标定、光源标定和三维扫描仪标定。利用标定后的设备完成室内物体图像采集，应用基于阈值的二值化处理方法，提取室内物体的轮廓边缘点。二值化处理模式［7］指的是判断输入图像的像素灰度值，当像素灰度值低于阈值，输出为白色，反之输出图像像素为黑色。二值化处理的表达式为

式中，(i,j)表示图像内某像素点坐标，a表示处理前灰度值，b表示处理后灰度值，γ表示阈值。输出结果为1，表明该像素为白色；输出结果为0，表明该像素为黑色。

采用中值滤波方法，剔除采集的室内物体图像中包含的噪声信息，再按照上述二值化模式处理过程，将图像中目标物体所在区域标注为黑色，其他区域标注为白色，基于此完成物体边界轮廓的提取。

1.2 建立物体模型可视化视觉通道

为了保证室内物体模型的可视化，根据人们对身边环境的感知原理，建立物体模型可视化视觉通道。通常情况下，人眼在观看事物时，双眼的视觉范围存在一定的重叠区域，如图2 所示。

图2 双目重叠示意图

在可视化建模过程中，需要先针对图2 所示的侧视网膜图像差进行分析，建立物品模型可视化视觉通道。倘若人眼前方有两个物体，并且这两个物体之间存在一定距离，则视物间距和侧视网膜图像差之间的关系可以描述为

依托于公式（3）的人眼感知原理，文中通过虚拟现实平台设计可视化视觉通道，运行以加强真实感为核心的可视化策略，确保后续建立的室内物体模型以沉浸可视化形式呈现出来。

1.3 设计基于VR 技术的交互建模方法

依托于虚拟现实技术，搭建三维虚拟场景，在该场景中实现室内物体的几何交互建模。考虑到室内物体可能会存在复杂的表面，因此，在建模过程中应用多边形逼近方法快速绘制多个任意复杂形状物体。具体的室内物体几何模型构建层次结构如图3 所示。

图3 室内物体几何模型构建层次结构图

通过上述多边形逼近方法，实时构建室内场景内物体的每个组成部分。为了避免多边形数量过多造成模型绘制的速度较慢，保证虚拟现实环境下室内物体可视化建模的实时性，结合VR 技术［8-9］与多层次细节模型，实现室内物体几何模型的交互构建。在虚拟交互建模过程中，运用边缘像素分解策略，对室内目标物体图像进行特征分组，明确物体拓扑结构信息，并基于此得出物体3D 几何建模的尺度信息参量，即

式中，l表示褶皱信息，L表示物品边缘轮廓总长度，ϑ表示平滑算子，N表示物品建模的尺度信息参量。

确定物品建模的尺度信息后，在三维虚拟场景中计算最大像素点，实现图像像素强度的纹理分割，并以最大像素点为原点搭建三维场景坐标系。由于计算机屏幕坐标属于二维坐标，在屏幕坐标系下，视点前后两个与其共线的点，存在相同的投影点。因此，在VR 交互建模时，需要设置代表模型深度信息的孔分量。再根据远近平面映射后的透视变换关系，计算目标点在坐标系内的具体坐标。基于VR 技术的交互建模过程中，想实现VR 交互操作，需要针对预先搭建好的物体三维模型进行坐标系变换，使得三维模型出现在二维视平面内，在该虚拟坐标系［10］内通过平移、旋转、缩放等交互操作，改变物体形状、角度，观察物体虚拟模型的合理性，从而合理调整物体建模参数，使得建模结果与显示物体相符。在建模参数修正结束后，再将其映射至计算机屏幕上，将室内物体建模结果可视化呈现出来。

以物体模型上某一目标点为例，当其按照平移距离要求进行移动时，三维点坐标变换矩阵为

式中，(x,y,z)表示三维点坐标，表示变换后的三维点坐标，τ表示平移距离。

与平移交互操作不同，三维旋转变换指的是目标点围绕坐标轴旋转一定角度，则旋转变换矩阵为

式中，δ表示旋转角度。

最后，在确定不同坐标轴的缩放尺寸后，可以将三维缩放变换矩阵表示为

式中，k表示缩放尺寸。

通过平移、旋转、缩放等操作，在虚拟空间内实现室内物体3D 模型的交互开发，智能调整物体模型的建模参数，得到与实物相符的可视化模型。

1.4 实现室内物体可视化模型渲染

在室内物体3D 模型构建完成后，为了加强可视化模型的真实感，需要从原始图像中提取细节纹理信息，运用体绘制方法对模型进行纹理渲染。首先，针对观测体模型，搭建包含各种纹理数据信息的虚拟场景数据库，根据人工下达的控制指令执行对应的模型渲染操作。

考虑到在一些情况下，虚拟场景中的室内物体模型可能会被其他非目标物体遮挡，为了避免渲染结果受到遮挡影响，文中运用剔除算法删除虚拟场景内遮挡物。文中采用缓慢剔除算法转换可视化模型的三维向量，分别计算渲染开始与渲染结束时的剔除距离，优化物体可视化模型的渲染结果。在实际操作过程中，依托于投影转换原理，对视野向量坐标进行归一化处理。对于一个三角面片来说，其法向量可以表示为

式中，r表示法向量，(c1,d1,e1)表示点C的坐标，(c2,d2,e2)表示点D的坐标，(c3,d3,e3)表示E点 的坐标。

结合归一化后的视野向量与三角面片法向量，可得出

式中，ι表示视野向量。公式（11）计算结果显示在二维坐标系内，表明三维坐标成功转换为二维坐标，基于此可以确定可视化模型渲染过程中，需要剔除三维三角面角度，则

式中，ε表示角度。

通过上述计算，确定需要剔除的三角面，去除该三角面即表明去除了遮挡物体，在完成这一操作步骤后，再次进行渲染处理，完成室内物体可视化建模。

2 实验与结果分析

针对室内物体可视化建模问题进行研究，为了提升建模速度，设计一种基于VR 技术的建模方法。为了验证提出的建模方法是合理、可行的，设计实验测试。

2.1 实验准备

实验以室内收纳架上摆放的篮球为对象，进行物体可视化建模设计。在实验准备阶段，应用三维激光扫描设备和相机，采集不同光源条件下的篮球图像，最终得到分辨率为102 4×657 的实验图像。再通过标定分析，对实验图像进行拟合分析，获取可用于后续可视化建模的物体参数。这一过程中，三维激光扫描设备的主要参数信息如表1 所示。

表1 三维激光扫描设备参数统计表

依托于上述实验设备完成室内物品图像采集后，进行二值化处理，得到室内物体边界轮廓。二值化处理过程如图4 所示。

图4 二值化处理过程

2.2 可视化建模结果

由于提出的可视化建模方法是以VR 技术为核心的，为了更好地实施虚拟现实技术，应用Unity 3D 平台搭建可视化建模实验环境。该平台可以支持图形化开发环境、三维视景交互引擎、OpenGL 图形引擎等多种引擎工具的使用。除此之外，Unity 3D 平台具有较强的跨平台性能，其开发的程序支持Windows、Linux 等多平台的运行，基于此可以更好地利用虚拟现实技术对室内目标物体进行可视化建模。

按照研究内容，确定可视化视觉通道，通过交互建模方式形成图5（b）所示的网格图和图5（c）所示的白模效果图。

图5 可视化建模示意图

提取室内物体原图中的纹理特征，结合体绘制方法和缓慢剔除算法，将纹理信息粘贴至处于白模效果的篮球三维模型中。考虑到篮球自身存在一定的弯曲弧度，当纹理信息映射至室内物体模型表面时，投影可能会出现一定程度的坐标偏差。实际操作过程中，通过图像处理软件，可以对纹理图像内的自由节点进行标注和调整，确保纹理图像精准覆盖在篮球模型表面，最终得到图5（d）所示的可视化建模结果。

2.3 建模时效性分析

随着可视化建模方法应用范围越来越广，人们对建模时效性要求越来越高。因此，以建模时间为衡量指标，验证文中设计建模方法的有效性。同时，为了提升实验结果的说服力，在建模时效性分析阶段选文献［4］基于点云数据的建模方法、文献［5］基于B 样条曲线的建模方法作为对照组。其中，基于点云数据的建模方法的实现，需要通过3D 扫描器采集室内物体影像包含的点云数据，剔除不属于目标点的数据后，执行统一的3D 建模处理步骤，得到可视化建模结果。而基于B 样条曲线的建模方法提出；先应用数字图像处理技术，获取物体边缘坐标点和中心点；再从中心点入手，通过B样条曲线插值算法重建物体边缘框架；最后进行纹理贴图，实现可视化建模。

室内物体可视化建模，主要包括数据采集、数据处理、模型建立、参数调整、纹理渲染、可视化呈现6 个环节，分别记录不同方法在每个可视化建模阶段所用时长，得到图6 所示的建模时间对比结果。

图6 不同方法的可视化建模时间对比

根据图6 可知，以VR 技术为核心的可视化建模方法，在各个建模阶段所用的时间都低于其他两种方法。整体来看，所提方法的阶段建模平均耗时约为3 s，可视化建模总时间为18 s；应用基于点云数据的方法对室内摆放的篮球进行可视化建模，总建模时间为76 s；基于B 样条曲线的建模方法总建模时间为85 s。3 种建模方法对比可知，运用VR 技术后，室内物体可视化建模时间大幅缩减，时效性更高。

2.4 建模效果对比

为了验证本文所提方法在提高建模时效性的同时，也可以提高建模效果，分别利用本文设计方法、文献［4］基于点云数据的建模方法、文献［5］基于B样条曲线的建模方法对图5 中的原始图像进行建模，并与图5（d）的预期可视化建模效果进行对比。结果如图7 所示。

图7 可视化建模效果对比图

分析图7 可知，以VR 技术为核心的可视化建模方法的可视化建模效果与可视化建模预期效果接近度更高，文献［4］方法的可视化建模效果亮度过高，文献［5］方法的可视化建模效果亮度过暗。综上可知，本文方法在提高可视化建模时效性的同时，提高了建模效果。

3 结束语

可视化建模技术作为一项新兴技术，其发展受到很多研究人员的关注。本文提出将VR 技术融合到可视化建模过程中，设计了一种新型室内物体可视化建模技术。根据实验验证结果可知，所提方法的建模时间大幅降低，满足了人们越来越高的建模时效性要求。