微美全息科學(xué)院：基于計算機(jī)動畫技術(shù)的虛擬現(xiàn)實室內(nèi)家居設(shè)計

    近年來我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展飛速,人們對生活質(zhì)量有了更高的要求，尤其是在家居設(shè)計上,不僅追舒適，更加追求個性化的表達(dá)。如何做出更好的室內(nèi)家居效果,減少家居設(shè)計與實際設(shè)計當(dāng)中的偏差,成為極具研究意義的課題。作為納斯達(dá)克上市企業(yè)“微美全息WIMI.US”旗下研究機(jī)構(gòu)“微美全息科學(xué)院”的科學(xué)家們探討了如何基于計算機(jī)動畫的虛擬現(xiàn)實技術(shù)為室內(nèi)家居設(shè)計提供新思路,更為直觀的查看室內(nèi)家居設(shè)計的預(yù)期效果。

    借助計算機(jī)三維虛擬動畫,完成對應(yīng)的三維模型搭建。虛擬現(xiàn)實的家居設(shè)計當(dāng)中,用戶能夠通過仿真的虛擬室內(nèi)設(shè)計系統(tǒng)，對室內(nèi)的家居擺放,各類裝飾擺設(shè)進(jìn)行直觀的了解，可更加便捷地進(jìn)行室內(nèi)家居設(shè)計,進(jìn)一步提升設(shè)計質(zhì)量, 優(yōu)化設(shè)計效果。通過虛擬現(xiàn)實建模語言(VRML) 結(jié)合對應(yīng)的編程腳本,能夠逼真直接地為用戶搭建可操作可視化的虛擬現(xiàn)實場景,改變了以往通過樣板的參觀以及用戶自主憑空設(shè)想進(jìn)行家居設(shè)計的窘境。通過VRML語言,以Web3D技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計對應(yīng)的基于計算機(jī)動畫技術(shù)的虛擬現(xiàn)實室內(nèi)家居設(shè)計框架，完善相應(yīng)的交互功能，幫助人們實現(xiàn)更為便捷高效的室內(nèi)家居設(shè)計。

    1.以Web3D為基礎(chǔ)的虛擬室內(nèi)家居設(shè)計系統(tǒng)

    1.1室內(nèi)家居設(shè)計現(xiàn)狀

    目前來看,人們對自己的新房進(jìn)行裝修時，對于居住的功能需求以及房子的平面布局該當(dāng)如何主要依靠憑空設(shè)想，對于房屋的空間具體安排并不明確。通常，用戶與家居設(shè)計的從業(yè)人員通過平面圖進(jìn)行對房屋的家居設(shè)計計劃，用戶參考的是類似的效果圖以及部分實景圖片。盡管部分家居設(shè)計公司會為用戶提供相應(yīng)的三維動畫，但是對于用戶更明顯直觀的了解自家家居設(shè)計實景的幫助微乎其微。往往在家居設(shè)計的過程當(dāng)中，實際設(shè)計結(jié)果與用戶預(yù)期效果差異較大。同時，為了幫助用戶更加了解自己的室內(nèi)家居設(shè)計,房地產(chǎn)商會通過設(shè)置樣板房的方式為用戶提供參考。

    但是樣板房的設(shè)置不僅極其浪費(fèi)人力財力，同時其類型及數(shù)量受限較大,難以滿足各種各樣的用戶的不同需求。結(jié)合計算機(jī)動畫，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)對室內(nèi)家居進(jìn)行設(shè)計，節(jié)省了資源，也能夠更好的滿足用戶的多樣化需求，是未來的主要研究方向。

    1.2以VRML為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實家居設(shè)計

    通過對實際用戶的需求分析，以VRML為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實家居設(shè)計具體應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)以下三個方面的功能。

    (1)能夠最大程度的滿足用戶的個性化需求,用戶能夠通過虛擬現(xiàn)實家居設(shè)計系統(tǒng)對家居設(shè)計當(dāng)中的各類家具、擺設(shè)的具體信息、質(zhì)量進(jìn)行查詢,能夠?qū)�家居的相關(guān)設(shè)計進(jìn)行更改,如家居風(fēng)格的改變、家居顏色的調(diào)整、家具擺放位置的調(diào)整等。

    (2)用戶不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實家居設(shè)計系統(tǒng)整體縱覽室內(nèi)家居設(shè)計效果，同時能夠在室內(nèi)的各個位置自由移動,能夠做出虛擬互動。對于室內(nèi)的功能性區(qū)間,用戶能夠做出直觀的感受。

    (3)用戶在虛擬現(xiàn)實室內(nèi)家居設(shè)計系統(tǒng)的體驗當(dāng)中，能夠直觀快捷地了解對應(yīng)的空間尺度、功能分區(qū)以及交通動線等,能夠?qū)ρb修后的整體效果有相對精確的掌握。同時，用戶能夠依據(jù)實際感受,提出個性化的改善意見，方便設(shè)計師在實際操作之前進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

    這里通過對虛擬現(xiàn)實室內(nèi)家居設(shè)計的需求分析，同時結(jié)合VRML, 總結(jié)了對應(yīng)的家居設(shè)計流程。VRML工作原理流程圖如圖1所示。

    圖1 VRML工作流程圖

    如圖1所示，首先設(shè)計師通過CAD進(jìn)行平面布置圖的繪制，而后將CAD所得文件導(dǎo)入做出三維建模。模型創(chuàng)建的主要對象是門窗、家具、墻體等對應(yīng)的室內(nèi)設(shè)施。建模完成之后,將對應(yīng)的模型進(jìn)行真實材質(zhì)的貼圖操作，并借助插件，生成WRL格式的文件。對于家具、門窗等這類設(shè)計到需要互動的家居模型時，應(yīng)當(dāng)制作獨(dú)立的WRL文件。所有WRL文件制作完成之后，進(jìn)行互動代碼的編寫，并進(jìn)一步輸出主場景的對應(yīng)文件。同時，在此主場景當(dāng)中,加入與之相對應(yīng)的互動環(huán)節(jié)如燈光、試點(diǎn)以及漫游等各系統(tǒng)模塊。虛擬現(xiàn)實室內(nèi)家居設(shè)計系統(tǒng)搭建完成之后,其用戶界面的制作可以借助HTML網(wǎng)頁，并使用Web3D技術(shù)發(fā)布到對應(yīng)的網(wǎng)頁上。

    2.場景模型的搭建

    2.1場景模型搭建的內(nèi)容

    基于計算機(jī)動畫技術(shù)的虛擬現(xiàn)實室內(nèi)家居設(shè)計與傳統(tǒng)的室內(nèi)建模不同。在此系統(tǒng)當(dāng)中,所有家具的設(shè)計模型應(yīng)當(dāng)盡可能詳細(xì)，同時要嚴(yán)格按照圖紙對應(yīng)的實際尺寸進(jìn)行建模。建模的內(nèi)容包括家具的整體外觀以及家具對應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時,應(yīng)當(dāng)加入對應(yīng)的互動操作，以便于用戶進(jìn)行完整的漫游體驗。場景模型的搭建,主要的搭建對象是鞋柜、衣柜、櫥柜、壁柜、窗、門等各類家具。對于此類家居，應(yīng)當(dāng)制作對應(yīng)的獨(dú)立MAX文件，同時生成與之相對應(yīng)的WRL文件，實現(xiàn)更為便捷的模塊化操作，優(yōu)化在虛擬場景當(dāng)中的互動。

    2.2場景模型優(yōu)化

    為保證虛擬場景更為真實,對虛擬場景系統(tǒng)的實時渲染提出對應(yīng)的要求，通常每秒應(yīng)當(dāng)在12幀及往上。因此在模型的制作過程當(dāng)中，模型既不能做的十分粗糙,也不能夠做的太過精細(xì)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)實際建模要求進(jìn)行合理安排。具體上,盡可能通過多邊形建模的形式進(jìn)行場景模型搭建，保證既能夠最大化的滿足用戶需求也能夠避免多余的模型設(shè)計。既能夠體現(xiàn)室內(nèi)家居的細(xì)節(jié)，也能夠減少模型對應(yīng)面數(shù)。

    3.主場景及設(shè)計

    3.1主場景的整合

    虛擬現(xiàn)實室內(nèi)家居設(shè)計系統(tǒng)當(dāng)中,其場景整合主要包括燈光、視點(diǎn)以及模型的設(shè)計。其中，模型設(shè)計是虛擬設(shè)計系統(tǒng)的重中之重。同時，對應(yīng)的門窗以及家具的文件是獨(dú)立的，整合時應(yīng)當(dāng)遵循一定的步驟。在平面設(shè)計圖當(dāng)中，各家具或者門窗可以當(dāng)做一個質(zhì)點(diǎn)，得到其空間位置坐標(biāo)為(Xn,Yn,Zn) , 結(jié)合VRML所對應(yīng)的世界坐標(biāo)系原則,可得相對應(yīng)的VRML坐標(biāo)為(Xn,Yn,Zn) 。而后，通過Inline 節(jié)點(diǎn)以及Transform節(jié)點(diǎn)將各個室內(nèi)家具依照給定的位置坐標(biāo)進(jìn)行組合,搭建起對應(yīng)的主場景。在此過程當(dāng)中,應(yīng)當(dāng)將抽屜推拉、柜門開關(guān)等各項互動操作封裝到對應(yīng)的獨(dú)立WRL文件當(dāng)中。

    3.2視點(diǎn)的設(shè)計

    主場景整合完成之后，應(yīng)當(dāng)對用戶可能用到的一些。其中場景當(dāng)中對應(yīng)的視點(diǎn)位置通過Position定義, 相機(jī)視點(diǎn)所對應(yīng)的觀察朝向通過Orientation定義。在VRML當(dāng)中,盡管可以對多個視點(diǎn)做出定義,但是當(dāng)前觀察視點(diǎn)只有-一個。同時, 各個視點(diǎn)之間能夠進(jìn)行自由的切換。以圖2為例,可以表示如下:

圖2 平面示意圖

    3.3互動設(shè)計的實現(xiàn)

    用戶通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)空間的漫游時，希望能夠在感受到房間實際空間的同時，也能夠?qū)κ覂?nèi)家居有進(jìn)-一步的詳細(xì)了解。通過虛擬空間的漫游，根據(jù)自身感受對家居風(fēng)格以及家具位置進(jìn)行實時的修改與調(diào)整，從而達(dá)到滿足其自身需求的室內(nèi)設(shè)計效果。這一功能需要通過系統(tǒng)實現(xiàn)較好的交互來達(dá)到。具體上,交互功能包括用戶對家具的不同風(fēng)格進(jìn)行更換，室內(nèi)家居擺放位置的搭配，家居的具體信息查閱等。

    在VRML中，室內(nèi)家居擺放位置的搭配借助擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)Transform2D來實現(xiàn)。通過擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)以及幾何平移。若對家具的不同風(fēng)格進(jìn)行更換，則使用Switch節(jié)點(diǎn)來實現(xiàn)。Switch節(jié)點(diǎn)首先通過對用戶相關(guān)操作數(shù)據(jù)的獲取,對用戶所做出的旋轉(zhuǎn)、平移以及更換的參數(shù)進(jìn)行記錄,之后錄入對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,做出對應(yīng)的家居設(shè)計方案的更正。

圖3 位置調(diào)整示意圖

    3.4互動動畫的實現(xiàn)

    用戶與虛擬現(xiàn)實進(jìn)行互動式，VRML 需要提供對應(yīng)的交互功能并給出令人舒適的動畫效果。這是VRML區(qū)別于其他系統(tǒng)相對吸引人的地方。通過各種各樣的插補(bǔ)器以及與之相對應(yīng)的時間傳感器對整合場景進(jìn)行控制，從而做出對應(yīng)的VRML動畫。具體而言，在VRML動畫當(dāng)中,時間傳感器被定義為一個時鐘發(fā)生器， 其主要作用是對時間間隔、結(jié)束時間以及開始時間等各種時間參數(shù)進(jìn)行控制，而后通過插補(bǔ)器來定義各種動畫產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)預(yù)期對應(yīng)的關(guān)鍵之。一般來說，用戶對與動畫的定義是由系統(tǒng)使用線性插值的方式而生成的。

圖4 鞋盒交互動畫設(shè)計

    4.結(jié)語

    本文以計算機(jī)動畫為基礎(chǔ)設(shè)計室內(nèi)家居，借助VRML語言實現(xiàn)三維建模,實現(xiàn)高還原的室內(nèi)家居設(shè)計效果。不難發(fā)現(xiàn)更為簡潔方便,投資成本不高，是利于實際應(yīng)用。系統(tǒng)能夠?qū)�家居設(shè)計當(dāng)中的各類家居擺設(shè)進(jìn)行對應(yīng)的參數(shù)調(diào)整和位置擺放,從而感受實際空間的布置效果。同時，全面的交互功能也為用戶進(jìn)行更好的家居設(shè)計提供了極大便利。