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摘要:虛擬現實技術是指計算機模擬系統,它可以給用戶一種完全身臨其境的感覺。在本文中,提出了一個基于虛擬現實技術的新型室內設計框架。所提出的室內設計框架的工作流程包括三個步驟:硬裝飾設計,軟裝飾設計及視覺設計。硬裝飾的設計就像繪畫的色彩或影院的背景,軟裝飾的目的是創造家居的品味和角色。在此基礎上提出一種基于Web技術的虛擬現實設計。具體包括3D建模,3D顯示及交互式實現。最后,通過室內裝飾效果圖的一些例子來證明所提的室內設計方法的有效性。
關鍵詞:虛擬現實;室內設計;UDK
1引言
隨著計算機科學技術的日益發展,它正悄然計影響我們的日常生活。與此同時,計算機科學技術在很多方面改變了傳統的建筑設計方法[1-4]。特別是虛擬現實技術(VR),被認為是21世紀最有可能改變世界的技術之一[5]。虛擬現實技術綜合集成了計算機圖形學,計算機人機交互,傳感器技術,人工智能,機器人技術等,旨在為用戶提供逼真的圖像,聲音和其他能夠模擬虛擬環境的感覺,使用戶感覺他們處于物理環境中。一般利用交互式軟件和硬件創建一個真實的,逼真的三維環境模擬,然后通過身體的運動來體驗或控制,用戶可以像真實環境一樣觸摸環境[6]。虛擬現實技術具有良好的互動性,沉浸感和實時性[9],為我們提供了一個與真實世界一樣的虛擬世界。隨著虛擬現實技術在建筑設計中的應用,建筑工程師能夠在3D虛擬世界中實現他們的作品。虛擬現實技術不僅可以為建筑創作提供一種新的藝術表達方式,而且使建筑設計方法和概念有了很大的變化[7-8]。近年來,虛擬現實技術被廣泛應用于建筑領域,特別是室內設計和裝飾領域。利用虛擬現實技術,設計師和客戶都可以對室內布局產生鮮明的感受[8-9]。在此基礎上,設計師還可以根據自己的想法充分構建裝飾“虛擬”房間,并可以在虛擬房間中改變自己的位置以觀察設計的效果,直到滿意為止。這種設計方法可以有效節省設計時間,進而節省模型構建的成本。隨著計算機硬件的發展,近年來已經提出了許多基于虛擬現實技術的室內設計方法[10-12]。本文首先提出一種基于虛擬現實技術的室內設計方法,在此基礎上,詳細介紹了基于3dsMax,Photoshop等實現室內設計建模及UDK實現場景漫游的關鍵技術。
2基于虛擬現實技術的室內設計方法
在現代室內裝飾設計中,除了吊頂,地板,墻面處理等一些硬裝飾貼面之外,人們還注意設計的細節,如燈具,油畫,靠墊,窗簾等軟裝飾的選擇。整體設計過程可分為兩個階段:1)硬裝飾設計和2)軟裝飾設計。硬此外,計算機輔助設計軟件的應用由兩個階段組成:1)建模和2)可視化。因此本文將室內設計的工作流程包含三個步驟,即硬裝飾設計,軟裝飾設計和視覺設計(如圖1所示)。裝飾設計階段模型需要精確的尺寸,形狀和空間位置,并且可以自動生成施工圖紙來完成施工設計。軟裝飾的設計只依賴視覺注意模型,并不需要完全準確的物理信息模型。視覺設計旨在追求渲染結果的真實感,并考慮影響渲染速度的關鍵因素。這個階段可以滿足材質和質感的要求,裝飾光線,進而提升物體表面真實感的細節。同時,為了更好地滿足不同用戶在室內設計中的需求,在場景中需要實現交互功能設計。
3室內設計建模過程及關鍵技術
UDK(虛幻開發工具包)是一款基于虛幻引擎的免費開發工具,支持64位HDR高精度動態渲染,多級照明和高級動態陰影效果[13]。3DStudioMax(3dsMax)是由Autodesk基于PC開發的3D動畫渲染和制作軟件[14]。因其在多邊形建筑建模方面的優勢,廣泛應用于建筑設計,工業設計,可視化等領域。本文主要針對虛擬現實技術在室內設計方面的應用進行探討和研究,使用3dsMax,Photoshop等工具在此系統中構建立體場景,UDK用于實現場景漫游。具體的工作步驟包括三維模具修改,模型UV(地圖坐標)展覽,照片和地圖烘焙,法線貼圖制作,模型和地圖導出,UDK靜態模型和地圖導入,UDK素材制作,UDK虛擬場景構建,場景漫游等[15]。從3D建模到最終產品過程,虛擬現實室內設計的開發使用多種開發工具并體驗多種生產環節。目前,實現虛擬漫游主要有兩種方式,一種是3D模型(基于3D建模技術),另一種是三維全景虛擬現實(基于圖像渲染)。本項目采用三維模型虛擬現實,開發過程和工具見表1。
3.1室內場景的生成及組合
建模過程中使用的三維建模技術如下:(1)基本幾何建模;(2)樣條線建模;(3)多邊形建模。一般根據“在盡可能少的時間內使用盡可能少且簡單的操作滿足設計要求”的原則確定建模方法。建模時,首先確定一個基準空間模型,然后逐一添加場景模型,并確保模型獨立,可以通過改變節點的位置和大小逐個位于房間中每個模塊,并根據需求設計交互功能。建模過程中,需要在保證模型真實性的前提下對模型進行優化,以利于模型UV的擴展。同時,考慮整個系統的整體性能,對模型進行簡化。模型UV擴展主要使用兩個修改器進行UVW擴展和UVW映射,為了提高地圖的利用率,如果遇到紋理圖案需要重復的物體,則可以利用UV重疊來節約一些紋理空間。使用漫反射貼圖來創建法線貼圖和高光貼圖可以使材質更逼真。保存地圖時,無alpha地圖保存為24位,通道保存為32位,并選擇UDK支持的.tga格式,大小為2的n次冪。場景中的碰撞對象應該命名為“UCX_”作為前綴,如果模型中碰撞對象過多,需要在其后面添加序列號。修改后的模型逐個導出到UDK引擎支持的ASE或FBX格式文件。如果導入UDK的模型不平滑,則有必要修改3DSMax中的平滑組,以使相鄰曲面不存在于平滑組中。
3.2室內場景的交互性設計
虛擬現實的應用需要為用戶提供幾種不同的場景,以滿足不同用戶在室內設計中的審美需求,為了在場景中實現更多的交互功能,設計場景應該有很強的選擇性。例如,整個房間沒有關閉,門和窗戶可以打開,用戶可以走出房間環顧四周;在墻上的墻壁圖案房間可以改變,用戶可以根據自己的喜好決定使用哪一面墻。該房間墻壁的圖案可以改變;房間墻壁上的墻壁燈可以打開,讓用戶感受到室內燈光的明暗變化;在房間里的櫥柜玻璃可以移動,然后室內裝飾和桌椅可以做出類似的變化等等。為了改善現場的真實性和虛擬環境的浸潤性提升,需要在三維場景中碰撞檢測。將模型導入到UDK后,該軸將自動定位到3dsMax的原點(軸相對于原點的位置是模型相對于它自己的軸的最大位置)。因此為了快速對齊位置,在UDK中應將所有模型軸位置設置在同一坐標中。如果3D中沒有碰撞模型,則可以在UDK中自動生成碰撞。自動漫游主要包括兩部分:交叉場動畫和系統默認路徑漫游。系統中的自動漫游主要由UDK中的攝像機動畫實現。UDK中事件觸發的組件包括多種類型的自動觸發,交互式觸發等。交互功能主要通過設置事件觸發器來實現[16-17]。
3.3UI界面設計
UI界面的實現主要由新版本的UDK完成。在Flash中,角色距離觸發界面元素的隱藏程序完成,也就是說,當角色靠近時,彈出flash接口,并且當角色離開場景時,flash交互功能關閉。在Flash中完成動畫并引入到UDK后,觸發器將添加到場景中同時觸發半徑被修改。在Flash中,設置了兩個圖層來存儲圖片序列以通過角色和對象之間的距離來控制播放停止Flash動畫。
3.4仿真效果圖
基于上述方法,實現室內設計3D模型建立、顯示及交互性設計,效果如圖2所示。
4結束語
虛擬現實室內設計為室內設計提供了新的研究視角和研究方向。它為室內設計的概念體系和結構體系注入了新的科學內涵,這有利于整個室內設計行業的繁榮發展。虛擬現實系統可用于全室顯示,使參觀者能夠快速了解布局并獲得實際經驗。構建虛擬現實系統的工作主要包括:場景建設,3D模型,地圖制作,虛擬現實技術應用程序的自動瀏覽。通過3dsMax、UDK等工具實現上述過程,仿真結果表明所提方法正確,能夠有效指導室內設計過程。盡管虛擬現實技術在室內設計中的應用還不是很成熟,但它已經初步顯示了其廣闊的應用前景。后續的研究將重點跟進改造設計流程,并將虛擬現實方法推廣到建筑設計其他應用中去。
作者:朱達黃 單位:上海工藝美術職業學院