微美全息科学院：基于计算机动画技术的虚拟现实室内家居设计

    近年来我国经济发展飞速,人们对生活质量有了更高的要求，尤其是在家居设计上,不仅追舒适，更加追求个性化的表达。如何做出更好的室内家居效果,减少家居设计与实际设计当中的偏差,成为极具研究意义的课题。作为纳斯达克上市企业“微美全息WIMI.US”旗下研究机构“微美全息科学院”的科学家们探讨了如何基于计算机动画的虚拟现实技术为室内家居设计提供新思路,更为直观的查看室内家居设计的预期效果。

    借助计算机三维虚拟动画,完成对应的三维模型搭建。虛拟现实的家居设计当中,用户能够通过仿真的虚拟室内设计系统，对室内的家居摆放,各类装饰摆设进行直观的了解，可更加便捷地进行室内家居设计,进一步提升设计质量, 优化设计效果。通过虛拟现实建模语言(VRML) 结合对应的编程脚本,能够逼真直接地为用户搭建可操作可视化的虚拟现实场景,改变了以往通过样板的参观以及用户自主凭空设想进行家居设计的窘境。通过VRML语言,以Web3D技术为基础，设计对应的基于计算机动画技术的虚拟现实室内家居设计框架，完善相应的交互功能，帮助人们实现更为便捷高效的室内家居设计。

    1.以Web3D为基础的虚拟室内家居设计系统

    1.1室内家居设计现状

    目前来看,人们对自己的新房进行装修时，对于居住的功能需求以及房子的平面布局该当如何主要依靠凭空设想，对于房屋的空间具体安排并不明确。通常，用户与家居设计的从业人员通过平面图进行对房屋的家居设计计划，用户参考的是类似的效果图以及部分实景图片。尽管部分家居设计公司会为用户提供相应的三维动画，但是对于用户更明显直观的了解自家家居设计实景的帮助微乎其微。往往在家居设计的过程当中，实际设计结果与用户预期效果差异较大。同时，为了帮助用户更加了解自己的室内家居设计,房地产商会通过设置样板房的方式为用户提供参考。

    但是样板房的设置不仅极其浪费人力财力，同时其类型及数量受限较大,难以满足各种各样的用户的不同需求。结合计算机动画，通过虚拟现实技术对室内家居进行设计，节省了资源，也能够更好的满足用户的多样化需求，是未来的主要研究方向。

    1.2以VRML为基础的虚拟现实家居设计

    通过对实际用户的需求分析，以VRML为基础的虚拟现实家居设计具体应当实现以下三个方面的功能。

    (1)能够最大程度的满足用户的个性化需求,用户能够通过虚拟现实家居设计系统对家居设计当中的各类家具、摆设的具体信息、质量进行查询,能够对家居的相关设计进行更改,如家居风格的改变、家居颜色的调整、家具摆放位置的调整等。

    (2)用户不仅能够通过虚拟现实家居设计系统整体纵览室内家居设计效果，同时能够在室内的各个位置自由移动,能够做出虚拟互动。对于室内的功能性区间,用户能够做出直观的感受。

    (3)用户在虚拟现实室内家居设计系统的体验当中，能够直观快捷地了解对应的空间尺度、功能分区以及交通动线等,能够对装修后的整体效果有相对精确的掌握。同时，用户能够依据实际感受,提出个性化的改善意见，方便设计师在实际操作之前进行进一步的完善。

    这里通过对虚拟现实室内家居设计的需求分析，同时结合VRML, 总结了对应的家居设计流程。VRML工作原理流程图如图1所示。

    图1 VRML工作流程图

    如图1所示，首先设计师通过CAD进行平面布置图的绘制，而后将CAD所得文件导入做出三维建模。模型创建的主要对象是门窗、家具、墙体等对应的室内设施。建模完成之后,将对应的模型进行真实材质的贴图操作，并借助插件，生成WRL格式的文件。对于家具、门窗等这类设计到需要互动的家居模型时，应当制作独立的WRL文件。所有WRL文件制作完成之后，进行互动代码的编写，并进一步输出主场景的对应文件。同时，在此主场景当中,加入与之相对应的互动环节如灯光、试点以及漫游等各系统模块。虚拟现实室内家居设计系统搭建完成之后,其用户界面的制作可以借助HTML网页，并使用Web3D技术发布到对应的网页上。

    2.场景模型的搭建

    2.1场景模型搭建的内容

    基于计算机动画技术的虚拟现实室内家居设计与传统的室内建模不同。在此系统当中,所有家具的设计模型应当尽可能详细，同时要严格按照图纸对应的实际尺寸进行建模。建模的内容包括家具的整体外观以及家具对应的内部结构。同时,应当加入对应的互动操作，以便于用户进行完整的漫游体验。场景模型的搭建,主要的搭建对象是鞋柜、衣柜、橱柜、壁柜、窗、门等各类家具。对于此类家居，应当制作对应的独立MAX文件，同时生成与之相对应的WRL文件，实现更为便捷的模块化操作，优化在虚拟场景当中的互动。

    2.2场景模型优化

    为保证虚拟场景更为真实,对虚拟场景系统的实时渲染提出对应的要求，通常每秒应当在12帧及往上。因此在模型的制作过程当中，模型既不能做的十分粗糙,也不能够做的太过精细，应当依据实际建模要求进行合理安排。具体上,尽可能通过多边形建模的形式进行场景模型搭建，保证既能够最大化的满足用户需求也能够避免多余的模型设计。既能够体现室内家居的细节，也能够减少模型对应面数。

    3.主场景及设计

    3.1主场景的整合

    虚拟现实室内家居设计系统当中,其场景整合主要包括灯光、视点以及模型的设计。其中，模型设计是虚拟设计系统的重中之重。同时，对应的门窗以及家具的文件是独立的，整合时应当遵循一定的步骤。在平面设计图当中，各家具或者门窗可以当做一个质点，得到其空间位置坐标为(Xn,Yn,Zn) , 结合VRML所对应的世界坐标系原则,可得相对应的VRML坐标为(Xn,Yn,Zn) 。而后，通过Inline 节点以及Transform节点将各个室内家具依照给定的位置坐标进行组合,搭建起对应的主场景。在此过程当中,应当将抽屉推拉、柜门开关等各项互动操作封装到对应的独立WRL文件当中。

    3.2视点的设计

    主场景整合完成之后，应当对用户可能用到的一些。其中场景当中对应的视点位置通过Position定义, 相机视点所对应的观察朝向通过Orientation定义。在VRML当中,尽管可以对多个视点做出定义,但是当前观察视点只有-一个。同时, 各个视点之间能够进行自由的切换。以图2为例,可以表示如下:

图2 平面示意图

    3.3互动设计的实现

    用户通过虚拟现实系统进行室内空间的漫游时，希望能够在感受到房间实际空间的同时，也能够对室内家居有进-一步的详细了解。通过虚拟空间的漫游，根据自身感受对家居风格以及家具位置进行实时的修改与调整，从而达到满足其自身需求的室内设计效果。这一功能需要通过系统实现较好的交互来达到。具体上,交互功能包括用户对家具的不同风格进行更换，室内家居摆放位置的搭配，家居的具体信息查阅等。

    在VRML中，室内家居摆放位置的搭配借助扩展节点Transform2D来实现。通过扩展节点进行对应的节点旋转以及几何平移。若对家具的不同风格进行更换，则使用Switch节点来实现。Switch节点首先通过对用户相关操作数据的获取,对用户所做出的旋转、平移以及更换的参数进行记录,之后录入对应的数据库,做出对应的家居设计方案的更正。

图3 位置调整示意图

    3.4互动动画的实现

    用户与虛拟现实进行互动式，VRML 需要提供对应的交互功能并给出令人舒适的动画效果。这是VRML区别于其他系统相对吸引人的地方。通过各种各样的插补器以及与之相对应的时间传感器对整合场景进行控制，从而做出对应的VRML动画。具体而言，在VRML动画当中,时间传感器被定义为一个时钟发生器， 其主要作用是对时间间隔、结束时间以及开始时间等各种时间参数进行控制，而后通过插补器来定义各种动画产生的节点预期对应的关键之。一般来说，用户对与动画的定义是由系统使用线性插值的方式而生成的。

图4 鞋盒交互动画设计

    4.结语

    本文以计算机动画为基础设计室内家居，借助VRML语言实现三维建模,实现高还原的室内家居设计效果。不难发现更为简洁方便,投资成本不高，是利于实际应用。系统能够对家居设计当中的各类家居摆设进行对应的参数调整和位置摆放,从而感受实际空间的布置效果。同时，全面的交互功能也为用户进行更好的家居设计提供了极大便利。