王波 李宪锋 张丹
摘 要： 传统室内设计由于软件技术的局限性，无法完全实现复杂真实场景的三维图形重建，不能满足用户的视觉真实感体验需求。为了进一步提高设计效率，呈现真实的室内空间设计，拉近设计与用户之间的距离，提出基于图像处理的虚拟现实技术的室内设计系统，将虚拟现实技术和VR-GIS理论相结合，绘制室内空间信息和图形，生成室内空间重建全景图，创建室内空间重建数字模型，达到真实呈现室内空间场景的目的。最后，利用位置对比得到室内空间重建的数字模型，并以此模型为基础创建动态虚拟场景，进而实现室内复杂场景三维图形的重建，并且通过转换虚拟室内空间点锚点，满足用户在使用过程中的真实体验需求。
关键词： 室内设计系统; 虚拟现实技术; 图像处理; VR?GIS绘制; 室内景观重建; 人性化设计
中图分类号： TN911.73?34; TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）11?0068?04
Research on interior design system with virtual reality technology
based on image processing
WANG Bo1， LI Xianfeng2， ZHANG Dan1
（1. North China Institute of Science and Technology， Langfang 065201， China; 2. Academy of Art， Changzhou University， Changzhou 213164， China）
Abstract： The traditional interior design technology fails to achieve 3D graphic reconstruction of complex real scenes， thus it can not effectively meet users′ sense of visual reality. Therefore， an interior design system with virtual reality technology based on image processing is proposed to improve the design efficiency and reconstruct the interior design. In combination with the virtual reality technology and VR?GIS （virtual reality geographic information system） theory， the indoor landscape information and image are drawn to generate the panorama and digital model of the indoor landscape reconstruction， and to reconstruct the indoor landscape. It is verified with comparison that the digital model of indoor landscape reconstruction can create dynamic virtual scenes， thus it can reconstruct the 3D graphics of complex scenes. In addition， the anchor point of virtual indoor scene can be converted to meet the needs of users′ reality sense during application.
Keywords： interior design system; virtual reality technology; image processing; VR?GIS rendering; indoor landscape reconstruction; humanized design
0 引 言
在计算机图形处理能力与网络技术不断发展的过程中，图形学与网络技术逐渐结合，在此背景下产生了虚拟现实技术。在工程领域信息化中，虚拟现实技术对基于图像处理的虚拟现实技术的室内设计系统分析具有重要意义。现代社会人们对于居住环境的需求在不断提高，这就对室内设计前期方案的用户体验提出了新的要求，即通过虚拟现实技术最大化呈现空间设计效果。优秀的室内设计能够提高建筑空间的质量，并且为人们留下美好的印象，充分发挥建筑的社会功能，展现科学技术成就。传统设计过程是设计师围绕用户需求进行图纸设计，利用设计图纸的反复修改确定最终方案，这个过程中，由于非专业的用户对于最终方案缺乏直观的认知，所以最终的设计结果与用户的需求可能会产生脱节。另外，传统的设计过程具有周期长、成本高的特点，这也在无形中增加了设计师的工作量，导致设计师不能够很好的把精力用在设计问题的解决上。本文利用图像处理的虚拟现实技术进行室内设计的空间方案再现，能够为设计人员提供一个基于虚拟三维环境的室内空间规划和设计，并且还能够通过动态与交互方式实现未来室内空间身临其境的全面体验与审视。对比传统设计方法，基于图像处理的虚拟现实技术进行室内设计花费的时间更少，节约的资金更多，同时还能够满足用户进行空间切身体验的消费需求[1]。
1 系统需求和结构设计
虚拟室内设计系统的主要功能如下：
1） 可视化模拟真实的室内环境。在现实生活中的室内环境要求有鲜明色彩与灯光，通过色彩的冷暖和灯光的聚散创造气氛。
2） 数据共享。系统主要包括运动物体模型、家具模型、房屋模型、装饰模型。设计人员通过上述四种常见模型实现模型库的创建，同时，能够使模型调入到三维虚拟场景中进行反复的搭配与设计，直到实现理想的空间设计效果。
3） 交互性。在本文设计过程中，交互性需求包括：用户能够以设计的效果进行漫游，对方案进行确定;设计人员能够通过用户的需求对调入到三维虚拟场景的模型参数进行修改。以上的交互性都是通过Java和VRML通信机理实现的。Java对VRML场景控制过程中，通过附加封装类EAI进行实现，Java通过此类能够动态化地实时控制VRML场景。
根据VRML?Java虚拟现实技术创建室内系统，主要目的就是辅助设计与空间效果漫游。辅助设计工作主要包括：通过首次分析用户的需求，对调用模型库的模型进行分析，生成初始场景和用户的漫游结果;然后通过客户的反馈信息进行修改，对最终的方案进行确定。为了将结果漫游展现出来，要利用窗口展现所生成的三维虚拟场景，并且以户型结构设计漫游路径，方便设计人员与用户观察设计结果。以功能进行划分，系统包括漫游模块与辅助设计模块[2]，系统的层次结构如图1所示。
2 虚拟现实和VR?GIS绘制室内空间
为了提高虚拟现实环境的整体稳定性，在设计过程中结合模型与图像两种方法。基于图像方法利用全景图对整体室内经纬空间和水平空间环绕浏览，之后通过无缝连接与纹理映射技术随意地切换空间范围中的视线，实现室内空间图像的三维重建。基于模型方法主要是通过室内空间的实体位置创建虚拟环境，通过建模工具中的渲染功能与统一化的数据格式，输出空间重建图。VR?GIS理论能够将三维空间数据分析与可视化模拟能力进行重建，为了有效实现此理论，就要利用遥感重置得出室内空间的影像图，之后利用GL图形库工具对图像进行虚拟现实重建，最后利用相应的工具绘制室内空间的重建图形[3]。
虚拟现实结合VR?GIS理论主要包括功能一体化、功能结合与数据结合。VR?GIS属于后台数据管理平台，所以要求室内空间信息能够实现虚拟现实的相互交流，利用虚拟现实系统的交互能力综合分析室内景观的分布，从而能够在不同位置中都能够利用虚拟现实环境进行反应，对景观重建图像进行绘制，虚拟现实和VR?GIS的结构如图2所示。
3 网络结构的使用
终端/主机结构通过一台大型主机与多台相互连接终端构成，大型主机为主要核心。在此结构中，通过主机实现计算机工作，终端只是输入/输出设备。此结构的优势为用户能够有效使用共享资源，但是因为主机包揽数据处理工作，因此要求其具备高性能。
为了弥补终端/主机的不足，基于传统结构中间添加一层，使原本用户机负责的功能在中间层实现，此中间层就是Web服务器层。因此，用户端就不负责原本数据的存取，人们只需要将浏览器安装在用户端即可。之后，将原本服务器作为数据库服务器，在数据库服务器中实现数据库管理系统的安装[4]。网络结构如图3所示。
4 人性化设计
空内空间的布局尤为重要，其和用户入住之后的便捷性、舒适性密切相关。如果布局不合理，会给用户日后的生活工作带来诸多的不便。设计人员在进入到服务器网页之后，能够选择不同的家具模型，但是最合理、最科学的选择也许并不是最可取的，这其中还要考虑每个用户的个人喜好、情感投入、文化需求等因素，尊重用户个人的风格喜好和情感需求也是本系统设计的一个目标。为实现上述需求，本文实现人性化模块设计。用户在进入到网页后对此模块进行选择，根据提示内容实现相应数据的输入，规划理想户型。在得出初步模型之后，用户就能够单独设计每个房间，最后将此房间进行组合，从而使其成为满足需求的户型[5]。
5 室内设计系统分析
5.1 室内空间重建的全景图
在室内空间全景图重建过程中，利用人眼双眼余光或者正常视角拍摄室内的空间。为了保证全景图重建的真实性，通过圆柱面、球面、立方体等各种方式有效表达室内的空间，考虑本文中的数字模型，下述过程为室内空间通过圆柱全景图的展现，本文利用造景师软件实现重建全景图的生成，空间重建全景图的生成过程如图4所示。
5.2 模型素材的修改
1） 简化模型面数。本文研究的室内模型雏形指的是现成max高精度模型，模型的整体主要包括84万个面，因为通过平面效果图制作与渲染展现平面高度，面数高度并不会影响到单帧效果图的渲染，但是基于实时渲染为核心的虚拟现实技术，要高于室内空间小场景的面数，就会增加硬件的负担。那么，就要对原模型的面数进行瘦身。比如，三人长的沙发，原本的模型面数共有5.6万个三角面，基于原本模型整体的形态不变，使多余的面数去除，使面数控制到1万面左右。面数简化的主要方法包括删除没有作用的面数线段，或者将看不到的面删除[6]。多余面的删除如图5所示。
2） 修改模型UV。为了将贴图纹理正确地展现出来，每个原模型都要制定贴图坐标UV，使每个模型中都设置无重叠UV，将原本UV保留，为模型设置新贴图通道2，在此通道中使用uvw开展命令展平UV。两个通道的UV如图6所示。场景模型不仅包括贴图纹理UV，还具有灯光贴图UV，两者并不会冲突。最后，逐一导出修改模型，将其作为ASE模型文件，并且还是UDK引擎的支持模型格式。
5.3 制作贴图素材
贴图为物体表面纹理，贴图无法提高模型复杂程度，此步骤能够突出对象细节重点，从而提高模型质感，完善模型造型，使所创建的三维场景更接近现实。
1） 烘焙灯光贴图。贴图烘焙技术指的是渲染max光照信息作为贴图的方式，然后使烘焙后贴图在场景中贴图。光照信息就是贴图，不需要CPU耗时进行计算，只需要计算普通贴图就行，具有较快的反应速度。贴图烘焙技术对静帧来说并没有太大的意义，此技术主要是在建筑漫游动画、虚拟现实、游戏等领域中使用。
2） 原始max模型素材使用VRay渲染插件实现渲染，此插件具有较快的渲染速度。为了保留其强大渲染效果，并且将其应用到虚拟现实技术中，使VRay光照信息渲染成为贴图，得出贴图的灯光效果良好。地板纹理贴图与烘焙Vray灯光贴图如图7所示。
3） 制作法线贴图。法线贴图是能够在3D表面应用的特殊纹理，与传统纹理不同，只能够应用到2D表面。其属于凹凸纹理扩展，具备每个像素高度值，具有大量细节表面信息，在普通物体中创建大量特殊立体外形，其能够将三维模型充分展现出来，利用专用软件使原本材质纹理贴图转变成为法线贴图[7]，皮革法线贴图效果如图8所示。
6 实验结果和分析
为了便于本文所分析室内设计系统的开展，下述实验都是基于正常条件下开展的。选择100 m2普通民居作为实验对象，对此民居中的洗衣机、床、冰箱、热水器、电视机五种家电设备实现景观重建检测实验。
将上述五种家电设备额定功率作为主要依据，定义参数见表1，床的额定功率设置为0。
表1中的[Xidx]，[Yidx]，[Zidx]指的是室内空间[X]，[Y]，[Z]方向指数分量;[Tidx]指的是三个指数分量的和。
实验包括两部分，在此空间中寻找以上五个家具电器的位置，利用普通模型结合数字模型对五个空间进行观测，通过检测结果对全景图进行绘制和重建，对比真实位置，数字模型检测结果和真实结果的对比如图9所示，普通模型和真实结果的对比如图10所示。
通过对比两者的结果：基于普通模型的室内空间重建检测的结果对比真实结果具有较大误差，在[Tidx]指数不断增加的过程中，也会扩大误差。通过数字模型所重建的室内空间，与真实结果对比误差并不大。随着[Tidx]指数不断增加，误差也没有增加。由此可以看出，本文所设计系统能够对场景进行动态化的模拟，重建复杂场景三维图形[8]。
7 结 语
本文分析了将图像处理作为基础的虚拟现实技术室内设计系统，能够为室内设计提供直观、有形的三维设计解决方案。虚拟室内设计系统不仅能够美化室内空间环境，还能够优化室内设计程序，使设计时间得到大幅缩短，节约了设计成本，从而提高室内设计的社会价值。
参考文献
[1] 王晓宇.基于虚拟现实技术的分布式三维室内设计系统设计[J].现代电子技术，2019，42（12）：183?186.
[2] 王正中.基于VR的医学图像处理与分析系统研究与应用[D].成都：电子科技大学，2018.
[3] 蔡艳，林迅.基于虚拟现实技术的激光多普勒图像三维重建系统设计[J].激光杂志，2017，38（8）：122?126.
[4] 刘敏.基于神经网络及虚拟现实技术的智能手势识别研究[J].长春师范大学学报，2018，37（6）：69?74.
[5] 颜鑫.基于虚拟现实技术的智能巡视无人机[J].科学技术创新，2018，11（32）：46?47.
[6] 夏立文.虚拟现实技术的发展与应用[C]//中国计算机用户协会网络应用分会2018年第二十二届网络新技术与应用年会论文集.北京：北京联合大学北京市信息服务工程重点实验室，2018：237?243.
[7] 陈琳，李洁.基于虚拟现实技术的三维影像智能显示系统嵌入式设计[J].现代电子技术，2017，40（8）：108?110.
[8] 叶新东.基于虚拟现实技术的语言学习生态模型研究[J].电化教育研究，2019，40（2）：105?112.
