基于VRML的虚拟三维室内设计方法

谢海琴

(苏州工业园区职业技术学院，江苏 苏州 215125)

0 引 言

虚拟三维室内设计是近年来虚拟现实技术的主要研究方向之一，其主要功能在于借助虚拟现实手段完成室内景观的布置与摆放，从而使人们获得一种身临其境的真实体验感[1]。然而现有设计方法在人机交互响应方面所需的等待时间过长，易导致用户体验感的持续下降，为解决此问题，提出一种基于VRML技术的虚拟三维室内设计方法。

1 虚拟三维室内设计方法

1.1 基于VRML的三维场景模型构建

三维室内设计需要利用VRML三维场景建模技术在计算机环境下营造一个相对逼真的虚拟世界，因此需要对场景模型中各个节点所在位置进行精准规划。一般情况下，虚拟三维室内场景的构造，需要在色彩、质感、光照、形态等多个方面都保持绝对逼真性，且一个完整的构造模型应该由行为建模条件、几何建模条件两部分共同组成。VRML三维场景模型层次结构图如图1所示。

图1 VRML三维场景模型的层次结构图

行为建模可利用现有的三维虚拟造型软件，通过人工处理的方式，对室内实体景观进行建模处理，一般情况下，其所呈现的用户界面更偏向于图形化，能够较好隐藏景观对象的表现信息。几何建模除需要掌握室内景观对象的物理特性外，还需要对实体景观所处的空间环境进行考察，其所呈现的用户界面更偏向于立体化，但基本不能与用户对象进行三维式交互。上述两种建模方法在应用时各有优缺点，见表1。

表1 VRML三维场景建模方法优缺点对比

针对较为复杂的虚拟三维室内设计环境来说，不能单纯采用行为建模、几何建模中的某一种方式，而是需要将二者结合，在不违背VRML技术作用条件的情况下，尽可能真实地复原室内空间的原有设计环境。由于行为建模的交互能力较强，在建立设计主机与体验对象之间交流关系时，应以该项应用原则作为主要参考条件。而对于立体化程度相对较高的室内三维空间设计环境来说，则应主要参考集合建模原理，并适当借助行为建模条件，对个别平面化景观进行模拟与复原。

1.2 室内场景复杂度消减

在进行基于VRML的虚拟三维室内场景设计时，单纯使用虚拟现实技术来描述景观所处的空间位置，易造成室内场景复杂度的不断提升，从而使参与对象获得相对较差的感官体验。为避免上述情况的发生，应在现有景观支持条件的作用下，充分模拟可能出现的交互情况，从中选取出现明显卡顿或负荷量较大的情况，并对其进行剔除处理，一方面抑制室内场景复杂度的无辜攀升，另一方面使整个室内空间环境的交互性能水平得到大幅促进[2]。本次研究采用VRML三维场景模型控制室内环境的景观复杂度，在处理过程中由于光照等外界自然条件的影响，场景纹理会出现较为明显的改变，但此变化并不会影响最终的室内场景复杂度消减结果(室内场景纹理是指室内景观物体的表面细节，包括颜色、花纹等多项几何纹理条件)。

在消减室内场景复杂度时，纹理映射能够直接改变室内环境中的光强分布情况。所谓纹理映射，是指将一个平面纹理图像映射到空间实体景观表面上的操作过程。例如室内地板模型可借助图片或照片作为纹理映射的操作依据，既能有效减少木条纹的实际应用数量，也能使细节特征得到准确表达。由于纹理映射条件的存在，基于VRML的虚拟三维室内设计方法才能较好复原室内景观的真实存在形态。

1.3 虚拟动态交互

实现虚拟三维室内设计的动态交互主要体现在：当用户对象的景观视点发生改变时，能够较为快速且准确地表现出当前景观视点范围内的场景环境[3]。在上述过程中同时涉及虚拟动态交互的透视投影与平行投影，具体原理示意图如图2所示。

图2 虚拟动态交互原理示意图

目标景观所处位置始终保持不变。在透视投影原理的作用下，该景观在最终的虚拟三维室内环境中以点状场景的形式存在；而在平行投影原理的作用下，该景观能够始终保持原有的场景存在状态。出于体验真实性考虑，在进行虚拟三维室内景观设计时，需要在VRML技术的支持下，参考透视投影与平行投影原理，一方面可使室内景观在重建后始终位于其原始存在位置处，另一方面也可有效确保景观的空间立体化表现效果。

随着 VRML技术作用时间的延长，虚拟三维室内场景中景观节点所处的位置也会逐渐发生改变。因此，为获得真实的场景构建结果，应不断获取当前时间节点处，景观节点的空间与平面位置信息，并联合虚拟对象的时空参数结果，寻找全景图像的最优数值结果，也就是室内全景图的最优定位算法，实现对基于VRML虚拟三维室内设计方法的顺利应用。

2 实验设计

2.1 实验准备

为验证基于VRML虚拟三维室内设计方法的有效性，设计如下对比实验。将搭载本文所述方法的计算机作为实验设计主机，将搭载传统方法的计算机作为对照组设计主机，闭合实验组、对照组电源控制开关，记录两组人机交互响应时间的具体变化情况。详细的实验环境参数配置结果见表2。

表2 实验环境参数配置

在上述物理实验环境下，对实验组、对照组设计方法进行实验，并统计人机交互响应时间的具体数值变化情况。

2.2 数值分析

本次实验共分为10组，其中前5组检测在体验者进行视角变换时设计主机的响应时长，后5组检测体验者点击鼠标后设计主机的响应时长，具体实验结果见表3。

表3 实验数值对比表

分析表3可知，在体验者进行视角变换时，实验组响应时间最大值为0.6 s、最小值为0.2 s，二者间差值为0.4 s；对照组响应时间最大值为1.2 s、最小值为0.7 s，二者间差值为0.5 s。在体验者点击鼠标时，实验组响应时间最大值为0.6 s、最小值为0.3 s，二者间差值为0.3 s；对照组响应时间最大值为1.2 s、最小值为0.8 s，二者间差值为0.4 s。

综上可知，从极大值角度来看，在体验者进行视角变换时，实验组数值0.6 s与对照组数值1.2 s相比，下降了0.6 s；在体验者点击鼠标时，实验组数值0.6 s与对照组数值1.2 s相比，也下降了0.6 s。从极小值角度来看，在体验者进行视角变换时，实验组数值0.2 s与对照组数值0.7 s相比，下降了0.5 s；在体验者点击鼠标时，实验组数值0.3 s与对照组数值1.2 s相比，下降了0.9 s。

3 结束语

在VRML技术的作用下，新型虚拟三维室内设计方法从场景模型入手，不仅实现了对室内场景复杂度的消减，也可较好维护景观的虚拟动态交互能力。从实用性角度来看，应用基于VRML虚拟三维室内设计方法后，人机交互响应时长数值得到了有效控制，满足提升室内景观交互响应效率的实际应用需求。