VR技术下的三维家居设计及其展示系统开发应用

张文

摘  要： 传统三维家居设计及其展示系统存在内存利用率过高的问题，影响系统运行流畅度。针对上述问题，提出VR技术下的三维家居设计及其展示系统开发应用。引用VR外戴设备，设计接触传感器，通过设置的传感器节点实现视点和场景的转换;利用CAD和3ds MAX软件建立家居模型，并导入虚拟场景中，将家居设计展示在用户面前，通过VRML建模语言调整模型的属性，实现三维家居设计。测试结果表明，在使用相同的模型文件情况下，与传统的三维家居设计及展示系统相比，设计的VR技术下的三维家居设计及其展示系统内存利用率更低，系统运行更流畅。

关键词： 三维家居; 家居展示; 系统设计; VR技术; 家居建模; 系统测试

Abstract： In allusion to the memory utilization is too high in the traditional 3D home design and its display system， which affects the system′s running fluency， a development and application of 3D home design and display system based on VR technology is proposed. VR external wearing equipment is used to design contact sensor， and the conversion of viewpoint and scene is realized by setting sensor nodes. The CAD and 3ds Max software are used to build home model， which is imported into the virtual scene to display the home design to users. The attributes of the model is adjusted by means of VRML modeling language to realize 3D home design. The testing results show that， under the condition of using the same model file， the designed VR technology of 3D home design and display system has lower memory utilization and runs more fluency in comparison with the traditional 3D home design and display system.

Keywords： 3D home; home display; system design; VR technology; home modeling; system testing

0  引  言

VR是虛拟现实技术的缩写，是一种集合计算机、电子信息和仿真技术于一体的技术。该技术通过计算机模拟出虚拟环境给人以环境沉浸感，具有较好的交互性、多感知性、构想性和自主性[1]。目前该技术被广泛地应用在影视、教育、医学和军事等领域，其中有一部分专业人士已经研究出虚拟实验室、漫游系统和数字展览馆等，具有良好的发展趋势[2]。

随着经济的发展，人们对生活质量的要求不断提高，家居设计和家装行业得到快速发展，现在越来越多的人对自己的家居有着自己的个性化设计要求，通常通过三维家居展示系统与设计师一起协同工作完成自己的DIY设计[3]。但是传统的家居设计及其展示系统缺少交互性，并且在使用该系统时，存在内存利用率过高的问题，影响系统运行的流畅度。

针对上述情况，将VR技术引入到三维家居设计及其展示系统中，将虚拟和现实结合在一起，突破时间和空间领域，使用户沉浸在家居设计和展示的环境中，随意操作设计并得到环境真实的反馈。

1  三维家居设计及其展示系统硬件设计

利用VR技术的交互性强的特点，通过感知操作实现用户与家居设计及展示系统的互动，主要通过传感器、视点、事件触发和事件路径实现互动能力[4]。传感器节点是交互能力的基础，设计的系统通过交互能力将三维家居展示给用户，在三维家居设计场景图中，传感器节点一般是以其他节点的子节点的身份而存在，其父节点称为可触发节点，触发条件和时机由传感器节点类型确定[5]。

使用在VR中较为常见的接触传感器。系统中家居场景的变换由接触传感器的节点控制，用户在使用设计的系统时，佩戴外部设备。该设备内部存在一个开关节点，传感器节点是它的子节点，当该节点被触发时，开关节点同时被触发，引发某种特定的变化[6]。而视点的变化需要不同的触发传感器，在虚拟场景中用户视线观察的位置为视点节点，用户通过触发传感器节点来切换视点。将视点切换与上述场景变化的视点变化联系起来，构成一个事件体系，该事件体系由相互通信的传感器节点组成，在传感器节点上存在多个事件入口和对应的事件出口，当用户触发后它就此事件传送一个特定的值，则该节点为当前视点[7]。根据以上内容确定接触传感器的相关参数，如表1所示。

通过接触传感器调整观察的视角，完成场景转换，实现用户与虚拟家居环境的交互。

2  三维家居设计及其展示系统软件设计

2.1  构建三维家居模型

三维家居展示的真实程度主要由家居设计中建模的精细程度决定，设计过程就是建模过程，主要分为家居数据采集、CAD绘制、模型构建、纹理贴图和美化等[8]。

通过摄影方式采集家居的各种信息，采用专业的数码相机拍摄，有助于后续处理，突出家居细节特征[9]。利用图像编辑软件对获得图像信息进行调整和特效处理，使图片达到最佳展示效果[10]。在图像编辑软件中进行畸变校正，修正图像中透视变形、暗影等摄影硬件造成的图像缺陷问题;对于形态复杂的家具，通过抠像去底手段，减少干扰因素，呈现实物精细轮廓;对于图像中存在的色调、色相和亮度偏差问题，利用曲线工具将其减弱，在显示效果达到满意程度后，将图片保存。

根据获取的图像建立三维模型，需要确定家居内部各个组成部分的位置信息，设置图像中的坐标为二维平面坐标，通过参照物得到家居内物品的三维空间的位移量，与二维坐标相对应，坐标系上的物品在水平方向的位置为[Δx]，纵向方向对应物品在纵向的位移量为[Δy]。二维坐标系中参照物的点为：

式中：[p0]为参照物坐标;[pzx，y，z]为二维图像左上角位置;[plx，y，z]为二维图像右上角位置。确定家居设计中各个部分的位置信息后，利用建模软件建立整个家居产品模型。

三维模型的建立需要利用二维三视图，通过CAD软件绘制建模所需要的尺寸结构线，导入至3ds MAX中直接拉伸出实体模型。建模完成后，利用3ds MAX的基本材质，使用三种参数构成对象表面，三种参数分别是环境光颜色、漫反射颜色和高光颜色，使用这三种颜色和对高光区的控制，生成出有效的渲染效果。完成渲染后，通过设计接触传感器控制家居模型，根据个人需要设计出满足自身需求的家居类型，并将其展示出来。

2.2  基于VRML的三维家居设计及展示

VRML作为虚拟现实建模语言，其面对的对象是节点，子节点的集合可以构成复杂的景物，通过实例后得到复用，经过定义后，就可以建立动态的虚拟世界。在完成三维家居建模后，利用VRML将模型导入到虚拟现实场景中，在虚拟现实中显示出来，用户佩戴VR设备，通过接触传感器控制模型移动、选择等，将虚拟环境中的家居风格设计成满足自身需求的家居。

在系统中，家居展示的界面设计非常重要，它是用户与系统交换信息、传达指令的媒介，实现了系统内部信息与用户之间的语言的转换。系统的初始展示界面如图1所示，用户选择合适的家居设计风格，确定后通过虚拟现实技术置身于虚拟现实环境，观察家居设计的细节。

对于家居的设计主要通过VRML来实现，通过material Material设计颜色，颜色对应的代码为diffuseColor。在VRML文件中，颜色的显示用十六进制代码值表示，用geometry Box设计模型的大小，利用function clicked（）和if语句实现对模型的不同操作。至此三维家居设计及其展示系统设计完成。

3  三维家居设计及其展示系统性能测试

3.1  测试环境

三维家居设计及其展示系统的实现是基于VR技术的。整个场景采取统一坐标系，采用分块建模，联合组装的策略，建立统一的标准数据样式，规范模型标准和纹理处理标准。故系统测试环境选择在基于IntelPentium架构的个人PC机，其操作系统为Windows，使用的应用软件为VRML语言编辑器、Photoshop图像处理软件、Cool3D、AutoCAD、3ds MAX等三维建模生成工具，并将模型转换为VRML文件。

3.2  系统实体操作测试

为了确保系统以期望的方式运行，按照实际需求和规范，测试系统设计的功能。将外接式头戴设备装备在测试人员身上，通过输入设备操控整个系统中展示出的虚拟实体家居。测试系统的实体操作能力，对虚拟环境中的实体做移动、旋转和缩放等几何变换调整。测试结果如图2所示。

通过以上过程完成了虚拟环境的向左旋转和实体移动，证实了该系统实体操作功能满足系统设计要求和测试需求。

3.3  系统内存利用率对比测试及分析

使用三维設计类的系统时，往往需要占用很大的内存，承担过多的负载，内存利用率过高，使系统运行出现卡顿现象。为此，设计系统内存利用率对比测试，在测试设计的三维家居设计及其展示系统的同时，引用传统的家居设计展示系统测试，两个系统使用的是相同大小的VRML文件，运行相同的时间，设置相同的操作流程。对比分析获得结果如图3所示。

图3中测试结果1为传统的三维家居设计及其展示系统测试结果，测试结果2为设计VR技术下的三维家居设计及其展示系统测试结果。观察图中结果，测试结果1中显示，内存利用率为98%，内存利用量为3 941 MB;测试结果2中显示，内存利用率为28%，内存利用量为982 MB。两者相比，设计的VR技术下的三维家居设计及其展示系统内存利用率更低。

4  结  语

VR虚拟现实技术是一种非常新颖的艺术形态，将其融入到三维家居设计及其展示系统开发中，通过传感器触发、事件输入输出和行为控制等功能，加强了交互能力，达到了真实虚拟的效果。设计传统的三维家居设计及其展示系统与VR技术下的三维家居设计及其展示系统的对比测试，其结果证明了设计的三维家居设计及其展示系统性能优于传统的三维家居设计及其展示系统。但是在开发过程中，受到技术水平、时间和设备的限制，导致虚拟场景美感度不够，仍需更深层次的研究。

参考文献

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