摘要:虚拟现实技术是指计算机模拟系统,它可以给用户一种完全身临其境的感觉。在本文中,提出了一个基于虚拟现实技术的新型室内设计框架。所提出的室内设计框架的工作流程包括三个步骤:硬装饰设计,软装饰设计及视觉设计。硬装饰的设计就像绘画的色彩或影院的背景,软装饰的目的是创造家居的品味和角色。在此基础上提出一种基于Web技术的虚拟现实设计。具体包括3D建模,3D显示及交互式实现。最后,通过室内装饰效果图的一些例子来证明所提的室内设计方法的有效性。
关键词:虚拟现实;室内设计;UDK
1引言
随着计算机科学技术的日益发展,它正悄然计影响我们的日常生活。与此同时,计算机科学技术在很多方面改变了传统的建筑设计方法[1-4]。特别是虚拟现实技术(VR),被认为是21世纪最有可能改变世界的技术之一[5]。虚拟现实技术综合集成了计算机图形学,计算机人机交互,传感器技术,人工智能,机器人技术等,旨在为用户提供逼真的图像,声音和其他能够模拟虚拟环境的感觉,使用户感觉他们处于物理环境中。一般利用交互式软件和硬件创建一个真实的,逼真的三维环境模拟,然后通过身体的运动来体验或控制,用户可以像真实环境一样触摸环境[6]。虚拟现实技术具有良好的互动性,沉浸感和实时性[9],为我们提供了一个与真实世界一样的虚拟世界。随着虚拟现实技术在建筑设计中的应用,建筑工程师能够在3D虚拟世界中实现他们的作品。虚拟现实技术不仅可以为建筑创作提供一种新的艺术表达方式,而且使建筑设计方法和概念有了很大的变化[7-8]。近年来,虚拟现实技术被广泛应用于建筑领域,特别是室内设计和装饰领域。利用虚拟现实技术,设计师和客户都可以对室内布局产生鲜明的感受[8-9]。在此基础上,设计师还可以根据自己的想法充分构建装饰“虚拟”房间,并可以在虚拟房间中改变自己的位置以观察设计的效果,直到满意为止。这种设计方法可以有效节省设计时间,进而节省模型构建的成本。随着计算机硬件的发展,近年来已经提出了许多基于虚拟现实技术的室内设计方法[10-12]。本文首先提出一种基于虚拟现实技术的室内设计方法,在此基础上,详细介绍了基于3dsMax,Photoshop等实现室内设计建模及UDK实现场景漫游的关键技术。
2基于虚拟现实技术的室内设计方法
在现代室内装饰设计中,除了吊顶,地板,墙面处理等一些硬装饰贴面之外,人们还注意设计的细节,如灯具,油画,靠垫,窗帘等软装饰的选择。整体设计过程可分为两个阶段:1)硬装饰设计和2)软装饰设计。硬此外,计算机辅助设计软件的应用由两个阶段组成:1)建模和2)可视化。因此本文将室内设计的工作流程包含三个步骤,即硬装饰设计,软装饰设计和视觉设计(如图1所示)。装饰设计阶段模型需要精确的尺寸,形状和空间位置,并且可以自动生成施工图纸来完成施工设计。软装饰的设计只依赖视觉注意模型,并不需要完全准确的物理信息模型。视觉设计旨在追求渲染结果的真实感,并考虑影响渲染速度的关键因素。这个阶段可以满足材质和质感的要求,装饰光线,进而提升物体表面真实感的细节。同时,为了更好地满足不同用户在室内设计中的需求,在场景中需要实现交互功能设计。
3室内设计建模过程及关键技术
UDK(虚幻开发工具包)是一款基于虚幻引擎的免费开发工具,支持64位HDR高精度动态渲染,多级照明和高级动态阴影效果[13]。3DStudioMax(3dsMax)是由Autodesk基于PC开发的3D动画渲染和制作软件[14]。因其在多边形建筑建模方面的优势,广泛应用于建筑设计,工业设计,可视化等领域。本文主要针对虚拟现实技术在室内设计方面的应用进行探讨和研究,使用3dsMax,Photoshop等工具在此系统中构建立体场景,UDK用于实现场景漫游。具体的工作步骤包括三维模具修改,模型UV(地图坐标)展览,照片和地图烘焙,法线贴图制作,模型和地图导出,UDK静态模型和地图导入,UDK素材制作,UDK虚拟场景构建,场景漫游等[15]。从3D建模到最终产品过程,虚拟现实室内设计的开发使用多种开发工具并体验多种生产环节。目前,实现虚拟漫游主要有两种方式,一种是3D模型(基于3D建模技术),另一种是三维全景虚拟现实(基于图像渲染)。本项目采用三维模型虚拟现实,开发过程和工具见表1。
3.1室内场景的生成及组合
建模过程中使用的三维建模技术如下:(1)基本几何建模;(2)样条线建模;(3)多边形建模。一般根据“在尽可能少的时间内使用尽可能少且简单的操作满足设计要求”的原则确定建模方法。建模时,首先确定一个基准空间模型,然后逐一添加场景模型,并确保模型独立,可以通过改变节点的位置和大小逐个位于房间中每个模块,并根据需求设计交互功能。建模过程中,需要在保证模型真实性的前提下对模型进行优化,以利于模型UV的扩展。同时,考虑整个系统的整体性能,对模型进行简化。模型UV扩展主要使用两个修改器进行UVW扩展和UVW映射,为了提高地图的利用率,如果遇到纹理图案需要重复的物体,则可以利用UV重叠来节约一些纹理空间。使用漫反射贴图来创建法线贴图和高光贴图可以使材质更逼真。保存地图时,无alpha地图保存为24位,通道保存为32位,并选择UDK支持的.tga格式,大小为2的n次幂。场景中的碰撞对象应该命名为“UCX_”作为前缀,如果模型中碰撞对象过多,需要在其后面添加序列号。修改后的模型逐个导出到UDK引擎支持的ASE或FBX格式文件。如果导入UDK的模型不平滑,则有必要修改3DSMax中的平滑组,以使相邻曲面不存在于平滑组中。
3.2室内场景的交互性设计
虚拟现实的应用需要为用户提供几种不同的场景,以满足不同用户在室内设计中的审美需求,为了在场景中实现更多的交互功能,设计场景应该有很强的选择性。例如,整个房间没有关闭,门和窗户可以打开,用户可以走出房间环顾四周;在墙上的墙壁图案房间可以改变,用户可以根据自己的喜好决定使用哪一面墙。该房间墙壁的图案可以改变;房间墙壁上的墙壁灯可以打开,让用户感受到室内灯光的明暗变化;在房间里的橱柜玻璃可以移动,然后室内装饰和桌椅可以做出类似的变化等等。为了改善现场的真实性和虚拟环境的浸润性提升,需要在三维场景中碰撞检测。将模型导入到UDK后,该轴将自动定位到3dsMax的原点(轴相对于原点的位置是模型相对于它自己的轴的最大位置)。因此为了快速对齐位置,在UDK中应将所有模型轴位置设置在同一坐标中。如果3D中没有碰撞模型,则可以在UDK中自动生成碰撞。自动漫游主要包括两部分:交叉场动画和系统默认路径漫游。系统中的自动漫游主要由UDK中的摄像机动画实现。UDK中事件触发的组件包括多种类型的自动触发,交互式触发等。交互功能主要通过设置事件触发器来实现[16-17]。
3.3UI界面设计
UI界面的实现主要由新版本的UDK完成。在Flash中,角色距离触发界面元素的隐藏程序完成,也就是说,当角色靠近时,弹出flash接口,并且当角色离开场景时,flash交互功能关闭。在Flash中完成动画并引入到UDK后,触发器将添加到场景中同时触发半径被修改。在Flash中,设置了两个图层来存储图片序列以通过角色和对象之间的距离来控制播放停止Flash动画。
3.4仿真效果图
基于上述方法,实现室内设计3D模型建立、显示及交互性设计,效果如图2所示。
4结束语
虚拟现实室内设计为室内设计提供了新的研究视角和研究方向。它为室内设计的概念体系和结构体系注入了新的科学内涵,这有利于整个室内设计行业的繁荣发展。虚拟现实系统可用于全室显示,使参观者能够快速了解布局并获得实际经验。构建虚拟现实系统的工作主要包括:场景建设,3D模型,地图制作,虚拟现实技术应用程序的自动浏览。通过3dsMax、UDK等工具实现上述过程,仿真结果表明所提方法正确,能够有效指导室内设计过程。尽管虚拟现实技术在室内设计中的应用还不是很成熟,但它已经初步显示了其广阔的应用前景。后续的研究将重点跟进改造设计流程,并将虚拟现实方法推广到建筑设计其他应用中去。
作者:朱达黄 单位:上海工艺美术职业学院