微美全息科學院：基于計算機動畫技術的虛擬現實室內家居設計

    近年來我國經濟發展飛速,人們對生活質量有了更高的要求，尤其是在家居設計上,不僅追舒適，更加追求個性化的表達。如何做出更好的室內家居效果,減少家居設計與實際設計當中的偏差,成為極具研究意義的課題。作為納斯達克上市企業“微美全息WIMI.US”旗下研究機構“微美全息科學院”的科學家們探討了如何基于計算機動畫的虛擬現實技術為室內家居設計提供新思路,更為直觀的查看室內家居設計的預期效果。

    借助計算機三維虛擬動畫,完成對應的三維模型搭建。虛擬現實的家居設計當中,用戶能夠通過仿真的虛擬室內設計系統，對室內的家居擺放,各類裝飾擺設進行直觀的了解，可更加便捷地進行室內家居設計,進一步提升設計質量, 優化設計效果。通過虛擬現實建模語言(VRML) 結合對應的編程腳本,能夠逼真直接地為用戶搭建可操作可視化的虛擬現實場景,改變了以往通過樣板的參觀以及用戶自主憑空設想進行家居設計的窘境。通過VRML語言,以Web3D技術為基礎，設計對應的基于計算機動畫技術的虛擬現實室內家居設計框架，完善相應的交互功能，幫助人們實現更為便捷高效的室內家居設計。

    1.以Web3D為基礎的虛擬室內家居設計系統

    1.1室內家居設計現狀

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

    但是樣板房的設置不僅極其浪費人力財力，同時其類型及數量受限較大,難以滿足各種各樣的用戶的不同需求。結合計算機動畫，通過虛擬現實技術對室內家居進行設計，節省了資源，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為基礎的虛擬現實家居設計

    通過對實際用戶的需求分析，以VRML為基礎的虛擬現實家居設計具體應當實現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實家居設計系統對家居設計當中的各類家具、擺設的具體信息、質量進行查詢,能夠對家居的相關設計進行更改,如家居風格的改變、家居顏色的調整、家具擺放位置的調整等。

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

    (3)用戶在虛擬現實室內家居設計系統的體驗當中，能夠直觀快捷地了解對應的空間尺度、功能分區以及交通動線等,能夠對裝修后的整體效果有相對精確的掌握。同時，用戶能夠依據實際感受,提出個性化的改善意見，方便設計師在實際操作之前進行進一步的完善。

    這里通過對虛擬現實室內家居設計的需求分析，同時結合VRML, 總結了對應的家居設計流程。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，首先設計師通過CAD進行平面布置圖的繪制，而后將CAD所得文件導入做出三維建模。模型創建的主要對象是門窗、家具、墻體等對應的室內設施。建模完成之后,將對應的模型進行真實材質的貼圖操作，并借助插件，生成WRL格式的文件。對于家具、門窗等這類設計到需要互動的家居模型時，應當制作獨立的WRL文件。所有WRL文件制作完成之后，進行互動代碼的編寫，并進一步輸出主場景的對應文件。同時，在此主場景當中,加入與之相對應的互動環節如燈光、試點以及漫游等各系統模塊。虛擬現實室內家居設計系統搭建完成之后,其用戶界面的制作可以借助HTML網頁，并使用Web3D技術發布到對應的網頁上。

    2.場景模型的搭建

    2.1場景模型搭建的內容

    基于計算機動畫技術的虛擬現實室內家居設計與傳統的室內建模不同。在此系統當中,所有家具的設計模型應當盡可能詳細，同時要嚴格按照圖紙對應的實際尺寸進行建模。建模的內容包括家具的整體外觀以及家具對應的內部結構。同時,應當加入對應的互動操作，以便于用戶進行完整的漫游體驗。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，應當制作對應的獨立MAX文件，同時生成與之相對應的WRL文件，實現更為便捷的模塊化操作，優化在虛擬場景當中的互動。

    2.2場景模型優化

    為保證虛擬場景更為真實,對虛擬場景系統的實時渲染提出對應的要求，通常每秒應當在12幀及往上。因此在模型的制作過程當中，模型既不能做的十分粗糙,也不能夠做的太過精細，應當依據實際建模要求進行合理安排。具體上,盡可能通過多邊形建模的形式進行場景模型搭建，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計。既能夠體現室內家居的細節，也能夠減少模型對應面數。

    3.主場景及設計

    3.1主場景的整合

    虛擬現實室內家居設計系統當中,其場景整合主要包括燈光、視點以及模型的設計。其中，模型設計是虛擬設計系統的重中之重。同時，對應的門窗以及家具的文件是獨立的，整合時應當遵循一定的步驟。在平面設計圖當中，各家具或者門窗可以當做一個質點，得到其空間位置坐標為(Xn,Yn,Zn) , 結合VRML所對應的世界坐標系原則,可得相對應的VRML坐標為(Xn,Yn,Zn) 。而后，通過Inline 節點以及Transform節點將各個室內家具依照給定的位置坐標進行組合,搭建起對應的主場景。在此過程當中,應當將抽屜推拉、柜門開關等各項互動操作封裝到對應的獨立WRL文件當中。

    3.2視點的設計

    主場景整合完成之后，應當對用戶可能用到的一些。其中場景當中對應的視點位置通過Position定義, 相機視點所對應的觀察朝向通過Orientation定義。在VRML當中,盡管可以對多個視點做出定義,但是當前觀察視點只有-一個。同時, 各個視點之間能夠進行自由的切換。以圖2為例,可以表示如下:

圖2 平面示意圖

    3.3互動設計的實現

    用戶通過虛擬現實系統進行室內空間的漫游時，希望能夠在感受到房間實際空間的同時，也能夠對室內家居有進-一步的詳細了解。通過虛擬空間的漫游，根據自身感受對家居風格以及家具位置進行實時的修改與調整，從而達到滿足其自身需求的室內設計效果。這一功能需要通過系統實現較好的交互來達到。具體上,交互功能包括用戶對家具的不同風格進行更換，室內家居擺放位置的搭配，家居的具體信息查閱等。

    在VRML中，室內家居擺放位置的搭配借助擴展節點Transform2D來實現。通過擴展節點進行對應的節點旋轉以及幾何平移。若對家具的不同風格進行更換，則使用Switch節點來實現。Switch節點首先通過對用戶相關操作數據的獲取,對用戶所做出的旋轉、平移以及更換的參數進行記錄,之后錄入對應的數據庫,做出對應的家居設計方案的更正。

圖3 位置調整示意圖

    3.4互動動畫的實現

    用戶與虛擬現實進行互動式，VRML 需要提供對應的交互功能并給出令人舒適的動畫效果。這是VRML區別于其他系統相對吸引人的地方。通過各種各樣的插補器以及與之相對應的時間傳感器對整合場景進行控制，從而做出對應的VRML動畫。具體而言，在VRML動畫當中,時間傳感器被定義為一個時鐘發生器， 其主要作用是對時間間隔、結束時間以及開始時間等各種時間參數進行控制，而后通過插補器來定義各種動畫產生的節點預期對應的關鍵之。一般來說，用戶對與動畫的定義是由系統使用線性插值的方式而生成的。

圖4 鞋盒交互動畫設計

    4.結語

    本文以計算機動畫為基礎設計室內家居，借助VRML語言實現三維建模,實現高還原的室內家居設計效果。不難發現更為簡潔方便,投資成本不高，是利于實際應用。系統能夠對家居設計當中的各類家居擺設進行對應的參數調整和位置擺放,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行更好的家居設計提供了極大便利。