虛擬現實技術室內設計仿真展示研究

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摘要：文中闡述了虛擬現實技術的研究背景與意義，探究了其在室內設計仿真展示中的應用和研究。

關鍵詞：虛擬現實技術；室內設計；VR

1研究背景

虛擬現實技術（VR）是由多種電子信息技術融合而成的新型技術。這項技術出現后，為人機之間的交互提供了全新的方式，為可視化操作提供了更多的選擇，為用戶提供了極大的便利［1］。國內外對于虛擬現實技術的應用和研究總體較為豐富，并且涉及行業廣泛。雖然早期由于技術成本高昂的原因，虛擬現實技術的研究和應用相對集中于航天航空、生物醫療以及軍事等領域［2］。但是隨著科學技術的發展和普及，目前虛擬現實技術與建筑行業的結合發展也不可小覷。例如，在中國科學技術館虛擬現實科技館項目的實施中，廣泛地利用了虛擬現實技術。不僅對于場館的人流密度、展品擺放、項目調整等多方面進行了規劃［3］，更是將建筑和周邊奧運環境進行融合，形成獨特的建筑特色［4］。德國多家研究所和公司借助計算機等多種設備和技術，開發出具有交互作用的虛擬現實設計，能夠幫助設計師將建筑項目的規劃、施工過程、最終效果等相關信息更加直觀地展示給客戶，大大提升了設計效率［5-6］。但是虛擬現實技術在建筑行業的應用集中在建筑規劃、房產銷售、城市模擬等大型項目，對于其他方向應用和研究仍相對較少，且質量和進度也有所不同。隨著房地產等建筑相關行業飛速發展，室內設計行業也充滿了新的活力。為滿足新時代的市場和用戶需求，虛擬現實技術在室內設計展示的應用和研究也逐漸增多。設計師通過虛擬現實技術實現更加全面、生動的虛擬仿真展示，為客戶提供更加直觀、充滿細節的設計效果。

2基于虛擬現實技術的室內設計虛擬仿真展示的意義

目前，傳統室內設計展示主要有設計圖紙的繪制和樣板房的搭建兩種方式。第一種是由設計師結合客戶需求、流行風格以及自身經驗，利用專業軟件制作效果圖紙并向用戶展示設計方案。另外一種則是房產開發商在進行銷售的過程中，通過將當前熱門元素、房屋結構特色等相融合，設計室內裝修方案，搭建樣板展示區域，為客戶提供室內設計示例。兩種展示方式均受到空間、時間等多種因素影響和限制，具有一定的可優化性和局限性。虛擬現實技術具有可交互和沉浸等多種特點，與室內設計進行結合，能夠解決室內設計行業的一些難點，對家裝和室內設計行業的發展有一定的推動作用。設計師通過虛擬現實技術將房屋場景進行一比一還原，展示室內設計中的細節效果。不僅為消費者提供了更加直觀、逼真的感受，增強了用戶的體驗感，而且拓寬了消費者提出建議的渠道，減少了與客戶在溝通中產生誤解、導致糾紛的可能性，有利于工作效率和客戶滿意度的提升［7］。虛擬現實技術的室內設計虛擬仿真展示擺脫了傳統室內設計所遇到的時間和空間的束縛。消費者可以不需要去到房屋現場，即可準確詳細地了解設計效果并查看設計進度，及時提出修改意見［8］。設計公司也可以降低在傳統模式下所產生的店面、材料、人工成本，減少資源浪費。因此，將虛擬現實技術與室內設計展示相結合具有一定的商業價值和發展前景。利用虛擬現實技術與室內設計行業相結合搭建虛擬仿真展示模型，為虛擬現實技術的未來發展方向和應用領域開拓了新的方向和思路。虛擬現實技術在對場景進行搭建的過程中，根據環境進行可視化建模，分析家裝材料的效果，應用貼圖等方式模擬渲染家具裝潢材料，利用色彩、層次、光影、紋理等細節，將場景進行深度還原。在提高環境的真實感的同時，增強用戶的體驗感和參與感，為未來虛擬現實技術延伸至其他行業奠定了一定的基礎。隨著用戶的個性化室內設計和不同戶型的選擇需求逐漸增多，為準確表達出室內設計所需的空間位置和室內布局等信息，搭建基于虛擬現實技術的室內設計虛擬仿真展示是有一定的發展前景和意義的。本文將在前期數據收集完成之后，借助三維可視化建模軟件SketchUp構建三維模型，通過Unity3D渲染逼真的三維虛擬場景，利用HTC-Vive交互設備進行交互，實現具有交互功能的室內設計虛擬仿真展示，具體的實現步驟如圖1所示。·158·2022年06月節，將場景進行深度還原。在提高環境的真實感的同時，增強用戶的體驗感和參與感，為未來虛擬現實技術延伸至其他行業奠定了一定的基礎。隨著用戶的個性化室內設計和不同戶型的選擇需求逐漸增多，為準確表達出室內設計所需的空間位置和室內布局等信息，搭建基于虛擬現實技術的室內設計虛擬仿真展示是有一定的發展前景和意義的。本文將在前期數據收集完成之后，借助三維可視化建模軟件SketchUp構建三維模型，通過Unity3D渲染逼真的三維虛擬場景，利用HTC-Vive交互設備進行交互，實現具有交互功能的室內設計虛擬仿真展示，具體的實現步驟如圖1所示。圖1基于虛擬現實技術的室內設計虛擬仿真展示實現流程

3基于虛擬現實技術的室內設計虛擬仿真展示模型搭建

在實現虛擬室內設計仿真展示模型的過程中，模型的搭建至關重要。模型的精細程度和模型搭建的方式影響著最終虛擬場景的效果和工作效率［9］。通過對比當前主流的虛擬模型搭建的技術和軟件設備的優缺點，根據室內虛擬仿真模型的場景需求和流程，基于虛擬現實技術的室內仿真展示模型搭建可大致分為數據采集、SketchUp建模、模型材質和場景設置、Unity3D渲染四個階段。（1）在模型搭建之前，需要對于房屋結構、家具材質、材料紋理等大量信息進行收集工作。利用房屋實地測量、材料貼圖采集等方式，獲取基于虛擬現實技術的室內設計仿真模型所需素材，并將素材處理為符合SketchUp支持的格式，以便后期使用。（2）在數據采集階段完成之后，進入SketchUp建模階段。在模型搭建的過程中，需要對所需搭建的模型整體結構和效果有一定了解，按照結構特點劃分模型搭建的模塊。按照由大到小、由整體到局部的順序進行建模，以明確場景中各實體之間層次關系，提升建模效率和最終效果。將前期準備的房屋結構圖紙導入SketchUp軟件后，利用SketchUp軟件簡單易用的特點，通過拉伸縮放、陣列復制等命令，按照模塊逐一制作墻面、天花板、地面等實體，快速將二維的平面房屋圖紙轉化為初步的三維可視化模型。根據室內設計圖紙，使用SketchUp軟件自帶的組件庫、3DWarehouse模型庫以及前期收集的相關素材，制作門窗、桌椅、沙發等實體，調整房屋細節，構建房屋的室內設計基本布局。（3）為讓虛擬模型的效果更加逼真，需要對于模型外部和內部的材質、光影等細節進行添加、調整。將前期收集的貼圖等素材進行分類、處理，在SketchUp軟件中創建自定義紋理、材質、照片素材庫。根據室內設計效果圖，利用軟件自帶的建筑肌理邊線所需的材質庫和自定義素材庫，對于已搭建好的模型以及內部實體進行合適的材質貼圖；通過SketchUp軟件設定所在城市經緯度和時間下日照陰影效果。另外，基于SketchUp軟件通用性強的特點，可搭配第三方渲染器或者其他相關外掛插件，快速調整、優化虛擬模型，將虛擬仿真模型展示效果的真實感進一步提升，提高場景的加載速度。（4）將在SketchUp中創建的虛擬模型導出并轉換為合適格式，連同相關所需的素材文件，導入Unity3D引擎中，將室內設計虛擬仿真模型在Unity3D引擎中進行渲染。將所拍攝的實際圖片處理為材質素材，通過紋理映射的方式，將物體表面的二維圖案繪制到三維模型表面，為模型添加表面紋理，優化模型細節，提升模型質感和視覺真實感，減少模型搭建步驟，提升效率［10］。同時，采用貼圖烘焙技術，渲染光照陰影信息。將場景元素的光影信息烘焙添加到原有貼圖中，使當前環境的光照信息成為場景對象的視覺效果的一部分。以保證在模型失去光源時，場景內仍具有一定光感，大幅度減少實時光影效果計算造成的內存消耗［11］，一定程度上有效提升場景的加載和運行速度。

4基于虛擬現實技術的室內設計虛擬仿真展示

實現基于虛擬現實技術的室內設計虛擬仿真展示是運用三維渲染引擎Unity3D渲染出房屋室內虛擬場景，并通過操作交互設備HTC-Vive實現沉浸式虛擬場景交互。在基于虛擬現實技術的室內設計虛擬仿真展示的制作過程中，漫游效果和個性化家具位置移動的功能制作是核心。在創建的虛擬室內場景中，角色將會進行移動、旋轉等活動，以便進一步對于室內設計效果進行瀏覽和觀察。因此，需要利用Unity3D引擎自帶的模擬器創建第一人稱的視角模擬器，增加漫游效果的真實感和體驗感。同時，通過添加腳本、使用插件以及運用Unity3D引擎自帶的剛體組件、攝像機組件、碰撞器等多種組件，實現角色模擬器的設置、屬性添加以及交互功能。（1）利用剛性組件將角色模擬器轉化為具有質量和體積的虛擬實體，賦予角色碰撞體積和重力屬性，避免角色異常穿過模型的情況發生。（2）運用攝像機組件為角色模擬器模擬視角并設置視角高度屬性。將角色模擬器和攝像機的層級關系設置為父子關系，控制在角色模擬器發生位移或者旋轉時，攝像機視景也隨之發生變化，保證效果的一致性。（3）使用碰撞器完成觸碰交互功能。設定當角色模擬器與虛擬室內場景中其他實體發生碰撞情況時，觸發事件，執行設置的命令切換實體材質貼圖或者展示移動后效果。（4）通過變形組件為角色或者虛擬場景中的實體添加移動功能。設置角色模擬器的移動速度屬性，調用update內腳本代碼，更改每一幀的變形組件中的位置屬性，以實現角色移動的效果。（5）采用iTween插件完成自動漫游功能的實現。當角色希望自動按照預設的路線移動，觀察房屋室內設計效果，開啟自動漫游功能。在虛擬場景中創建空對象，作為自動漫游路徑文件進行保存。按照房屋結構和室內設計效果，為每個展示區域設置合適的路徑節點，收集路徑節點坐標并創建出能夠全屋瀏覽的自動漫游路徑。將路徑信息導入攝像機和自動漫游路徑文件，保證角色自動漫游過程中的視景效果正常流暢變化。（6）實現攝像機對象輔助實現小地圖導航功能。當角色在房屋內部進行設計效果觀察時，利用界面左上方顯示的小地圖，提示角色所在房屋位置，幫助提升用戶的方向感和體驗感。通過創建新攝像機對象，設置攝像機對象的位置屬性值，將x軸、y軸參數值與角色虛擬器的參數值保持一致，z軸參數值高于角色虛擬器的參數，以實現俯視效果。將角色虛擬器與攝像機對象的層次結構設置為父子關系，保證角色位置發生改變，攝像機對象產生相同變化。合理設置攝像機渲染順序，調整攝像機對象畫面的大小和比例，使頁面整潔美觀。（7）創建用戶操作界面。利用Unity3D引擎自帶畫布組件，應用屏幕空間覆蓋模式，將畫布始終固定顯示在頂層。運用Unity3D引擎自帶的圖像用戶接口（GUI），創建用戶界面。根據虛擬仿真展示功能需求，采用添加文字、按鈕、文本框等簡單組件，完成用戶界面布局制作。分析菜單功能，通過添加、編寫腳本，為界面中的按鈕等組件進行相關事件綁定，以完成相應菜單功能。例如，為“移動去客廳”按鈕實現功能，為按鈕綁定單擊事件。當用戶對于按鈕進行點擊，觸發綁定事件，執行對應的腳本語句，實現角色位移、漫游場景跳轉、窗口隱藏等效果。在虛擬仿真展示功能基本實現后，對于HTC-Vive設備進行環境配置。將設備接線連接，導入所需的UnityPackage，啟動SteamVR，以實現與Unity3D引擎連接配置。通過HTC-Vive設備內部的激光感應器，獲取用戶的視角角度和信號到達時間。將所獲取的數據信息進行相關處理和轉換后，運用無線技術或者USB接口的方式傳送給Unity3D引擎進行整合，進行場景渲染展示。用戶可以通過操作HTC-Vive設備手柄，實現與虛擬場景交互、移動位置、用戶界面使用等操作。利用HTC-Vive設備帶來的更加寬闊的視野和更加強烈的沉浸感，給予用戶更加高級的體驗感和真實感。

5結語

隨著人們生活水平的不斷提升，個性化室內設計需求不斷增加，傳統的室內設計展示方式的局限性更加明顯。為解決室內設計行業的難點，本文提出基于虛擬現實技術的室內設計仿真展示，將虛擬現實技術與室內設計行業相結合，搭建虛擬模型和場景，實現交互功能，打破了時間、空間的限制。基于虛擬現實技術的室內設計仿真展示提供了更加充分的細節展示、更加直觀的效果感受、更加直接的溝通渠道，有利于提高溝通、設計效率，滿足當前市場需求。

作者：魏林 朱夢藍 單位：江西經濟管理干部學院