虚拟现实技术室内设计仿真展示研究

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摘要：文中阐述了虚拟现实技术的研究背景与意义，探究了其在室内设计仿真展示中的应用和研究。

关键词：虚拟现实技术；室内设计；VR

1研究背景

虚拟现实技术（VR）是由多种电子信息技术融合而成的新型技术。这项技术出现后，为人机之间的交互提供了全新的方式，为可视化操作提供了更多的选择，为用户提供了极大的便利［1］。国内外对于虚拟现实技术的应用和研究总体较为丰富，并且涉及行业广泛。虽然早期由于技术成本高昂的原因，虚拟现实技术的研究和应用相对集中于航天航空、生物医疗以及军事等领域［2］。但是随着科学技术的发展和普及，目前虚拟现实技术与建筑行业的结合发展也不可小觑。例如，在中国科学技术馆虚拟现实科技馆项目的实施中，广泛地利用了虚拟现实技术。不仅对于场馆的人流密度、展品摆放、项目调整等多方面进行了规划［3］，更是将建筑和周边奥运环境进行融合，形成独特的建筑特色［4］。德国多家研究所和公司借助计算机等多种设备和技术，开发出具有交互作用的虚拟现实设计，能够帮助设计师将建筑项目的规划、施工过程、最终效果等相关信息更加直观地展示给客户，大大提升了设计效率［5-6］。但是虚拟现实技术在建筑行业的应用集中在建筑规划、房产销售、城市模拟等大型项目，对于其他方向应用和研究仍相对较少，且质量和进度也有所不同。随着房地产等建筑相关行业飞速发展，室内设计行业也充满了新的活力。为满足新时代的市场和用户需求，虚拟现实技术在室内设计展示的应用和研究也逐渐增多。设计师通过虚拟现实技术实现更加全面、生动的虚拟仿真展示，为客户提供更加直观、充满细节的设计效果。

2基于虚拟现实技术的室内设计虚拟仿真展示的意义

目前，传统室内设计展示主要有设计图纸的绘制和样板房的搭建两种方式。第一种是由设计师结合客户需求、流行风格以及自身经验，利用专业软件制作效果图纸并向用户展示设计方案。另外一种则是房产开发商在进行销售的过程中，通过将当前热门元素、房屋结构特色等相融合，设计室内装修方案，搭建样板展示区域，为客户提供室内设计示例。两种展示方式均受到空间、时间等多种因素影响和限制，具有一定的可优化性和局限性。虚拟现实技术具有可交互和沉浸等多种特点，与室内设计进行结合，能够解决室内设计行业的一些难点，对家装和室内设计行业的发展有一定的推动作用。设计师通过虚拟现实技术将房屋场景进行一比一还原，展示室内设计中的细节效果。不仅为消费者提供了更加直观、逼真的感受，增强了用户的体验感，而且拓宽了消费者提出建议的渠道，减少了与客户在沟通中产生误解、导致纠纷的可能性，有利于工作效率和客户满意度的提升［7］。虚拟现实技术的室内设计虚拟仿真展示摆脱了传统室内设计所遇到的时间和空间的束缚。消费者可以不需要去到房屋现场，即可准确详细地了解设计效果并查看设计进度，及时提出修改意见［8］。设计公司也可以降低在传统模式下所产生的店面、材料、人工成本，减少资源浪费。因此，将虚拟现实技术与室内设计展示相结合具有一定的商业价值和发展前景。利用虚拟现实技术与室内设计行业相结合搭建虚拟仿真展示模型，为虚拟现实技术的未来发展方向和应用领域开拓了新的方向和思路。虚拟现实技术在对场景进行搭建的过程中，根据环境进行可视化建模，分析家装材料的效果，应用贴图等方式模拟渲染家具装潢材料，利用色彩、层次、光影、纹理等细节，将场景进行深度还原。在提高环境的真实感的同时，增强用户的体验感和参与感，为未来虚拟现实技术延伸至其他行业奠定了一定的基础。随着用户的个性化室内设计和不同户型的选择需求逐渐增多，为准确表达出室内设计所需的空间位置和室内布局等信息，搭建基于虚拟现实技术的室内设计虚拟仿真展示是有一定的发展前景和意义的。本文将在前期数据收集完成之后，借助三维可视化建模软件SketchUp构建三维模型，通过Unity3D渲染逼真的三维虚拟场景，利用HTC-Vive交互设备进行交互，实现具有交互功能的室内设计虚拟仿真展示，具体的实现步骤如图1所示。·158·2022年06月节，将场景进行深度还原。在提高环境的真实感的同时，增强用户的体验感和参与感，为未来虚拟现实技术延伸至其他行业奠定了一定的基础。随着用户的个性化室内设计和不同户型的选择需求逐渐增多，为准确表达出室内设计所需的空间位置和室内布局等信息，搭建基于虚拟现实技术的室内设计虚拟仿真展示是有一定的发展前景和意义的。本文将在前期数据收集完成之后，借助三维可视化建模软件SketchUp构建三维模型，通过Unity3D渲染逼真的三维虚拟场景，利用HTC-Vive交互设备进行交互，实现具有交互功能的室内设计虚拟仿真展示，具体的实现步骤如图1所示。图1基于虚拟现实技术的室内设计虚拟仿真展示实现流程

3基于虚拟现实技术的室内设计虚拟仿真展示模型搭建

在实现虚拟室内设计仿真展示模型的过程中，模型的搭建至关重要。模型的精细程度和模型搭建的方式影响着最终虚拟场景的效果和工作效率［9］。通过对比当前主流的虚拟模型搭建的技术和软件设备的优缺点，根据室内虚拟仿真模型的场景需求和流程，基于虚拟现实技术的室内仿真展示模型搭建可大致分为数据采集、SketchUp建模、模型材质和场景设置、Unity3D渲染四个阶段。（1）在模型搭建之前，需要对于房屋结构、家具材质、材料纹理等大量信息进行收集工作。利用房屋实地测量、材料贴图采集等方式，获取基于虚拟现实技术的室内设计仿真模型所需素材，并将素材处理为符合SketchUp支持的格式，以便后期使用。（2）在数据采集阶段完成之后，进入SketchUp建模阶段。在模型搭建的过程中，需要对所需搭建的模型整体结构和效果有一定了解，按照结构特点划分模型搭建的模块。按照由大到小、由整体到局部的顺序进行建模，以明确场景中各实体之间层次关系，提升建模效率和最终效果。将前期准备的房屋结构图纸导入SketchUp软件后，利用SketchUp软件简单易用的特点，通过拉伸缩放、阵列复制等命令，按照模块逐一制作墙面、天花板、地面等实体，快速将二维的平面房屋图纸转化为初步的三维可视化模型。根据室内设计图纸，使用SketchUp软件自带的组件库、3DWarehouse模型库以及前期收集的相关素材，制作门窗、桌椅、沙发等实体，调整房屋细节，构建房屋的室内设计基本布局。（3）为让虚拟模型的效果更加逼真，需要对于模型外部和内部的材质、光影等细节进行添加、调整。将前期收集的贴图等素材进行分类、处理，在SketchUp软件中创建自定义纹理、材质、照片素材库。根据室内设计效果图，利用软件自带的建筑肌理边线所需的材质库和自定义素材库，对于已搭建好的模型以及内部实体进行合适的材质贴图；通过SketchUp软件设定所在城市经纬度和时间下日照阴影效果。另外，基于SketchUp软件通用性强的特点，可搭配第三方渲染器或者其他相关外挂插件，快速调整、优化虚拟模型，将虚拟仿真模型展示效果的真实感进一步提升，提高场景的加载速度。（4）将在SketchUp中创建的虚拟模型导出并转换为合适格式，连同相关所需的素材文件，导入Unity3D引擎中，将室内设计虚拟仿真模型在Unity3D引擎中进行渲染。将所拍摄的实际图片处理为材质素材，通过纹理映射的方式，将物体表面的二维图案绘制到三维模型表面，为模型添加表面纹理，优化模型细节，提升模型质感和视觉真实感，减少模型搭建步骤，提升效率［10］。同时，采用贴图烘焙技术，渲染光照阴影信息。将场景元素的光影信息烘焙添加到原有贴图中，使当前环境的光照信息成为场景对象的视觉效果的一部分。以保证在模型失去光源时，场景内仍具有一定光感，大幅度减少实时光影效果计算造成的内存消耗［11］，一定程度上有效提升场景的加载和运行速度。

4基于虚拟现实技术的室内设计虚拟仿真展示

实现基于虚拟现实技术的室内设计虚拟仿真展示是运用三维渲染引擎Unity3D渲染出房屋室内虚拟场景，并通过操作交互设备HTC-Vive实现沉浸式虚拟场景交互。在基于虚拟现实技术的室内设计虚拟仿真展示的制作过程中，漫游效果和个性化家具位置移动的功能制作是核心。在创建的虚拟室内场景中，角色将会进行移动、旋转等活动，以便进一步对于室内设计效果进行浏览和观察。因此，需要利用Unity3D引擎自带的模拟器创建第一人称的视角模拟器，增加漫游效果的真实感和体验感。同时，通过添加脚本、使用插件以及运用Unity3D引擎自带的刚体组件、摄像机组件、碰撞器等多种组件，实现角色模拟器的设置、属性添加以及交互功能。（1）利用刚性组件将角色模拟器转化为具有质量和体积的虚拟实体，赋予角色碰撞体积和重力属性，避免角色异常穿过模型的情况发生。（2）运用摄像机组件为角色模拟器模拟视角并设置视角高度属性。将角色模拟器和摄像机的层级关系设置为父子关系，控制在角色模拟器发生位移或者旋转时，摄像机视景也随之发生变化，保证效果的一致性。（3）使用碰撞器完成触碰交互功能。设定当角色模拟器与虚拟室内场景中其他实体发生碰撞情况时，触发事件，执行设置的命令切换实体材质贴图或者展示移动后效果。（4）通过变形组件为角色或者虚拟场景中的实体添加移动功能。设置角色模拟器的移动速度属性，调用update内脚本代码，更改每一帧的变形组件中的位置属性，以实现角色移动的效果。（5）采用iTween插件完成自动漫游功能的实现。当角色希望自动按照预设的路线移动，观察房屋室内设计效果，开启自动漫游功能。在虚拟场景中创建空对象，作为自动漫游路径文件进行保存。按照房屋结构和室内设计效果，为每个展示区域设置合适的路径节点，收集路径节点坐标并创建出能够全屋浏览的自动漫游路径。将路径信息导入摄像机和自动漫游路径文件，保证角色自动漫游过程中的视景效果正常流畅变化。（6）实现摄像机对象辅助实现小地图导航功能。当角色在房屋内部进行设计效果观察时，利用界面左上方显示的小地图，提示角色所在房屋位置，帮助提升用户的方向感和体验感。通过创建新摄像机对象，设置摄像机对象的位置属性值，将x轴、y轴参数值与角色虚拟器的参数值保持一致，z轴参数值高于角色虚拟器的参数，以实现俯视效果。将角色虚拟器与摄像机对象的层次结构设置为父子关系，保证角色位置发生改变，摄像机对象产生相同变化。合理设置摄像机渲染顺序，调整摄像机对象画面的大小和比例，使页面整洁美观。（7）创建用户操作界面。利用Unity3D引擎自带画布组件，应用屏幕空间覆盖模式，将画布始终固定显示在顶层。运用Unity3D引擎自带的图像用户接口（GUI），创建用户界面。根据虚拟仿真展示功能需求，采用添加文字、按钮、文本框等简单组件，完成用户界面布局制作。分析菜单功能，通过添加、编写脚本，为界面中的按钮等组件进行相关事件绑定，以完成相应菜单功能。例如，为“移动去客厅”按钮实现功能，为按钮绑定单击事件。当用户对于按钮进行点击，触发绑定事件，执行对应的脚本语句，实现角色位移、漫游场景跳转、窗口隐藏等效果。在虚拟仿真展示功能基本实现后，对于HTC-Vive设备进行环境配置。将设备接线连接，导入所需的UnityPackage，启动SteamVR，以实现与Unity3D引擎连接配置。通过HTC-Vive设备内部的激光感应器，获取用户的视角角度和信号到达时间。将所获取的数据信息进行相关处理和转换后，运用无线技术或者USB接口的方式传送给Unity3D引擎进行整合，进行场景渲染展示。用户可以通过操作HTC-Vive设备手柄，实现与虚拟场景交互、移动位置、用户界面使用等操作。利用HTC-Vive设备带来的更加宽阔的视野和更加强烈的沉浸感，给予用户更加高级的体验感和真实感。

5结语

随着人们生活水平的不断提升，个性化室内设计需求不断增加，传统的室内设计展示方式的局限性更加明显。为解决室内设计行业的难点，本文提出基于虚拟现实技术的室内设计仿真展示，将虚拟现实技术与室内设计行业相结合，搭建虚拟模型和场景，实现交互功能，打破了时间、空间的限制。基于虚拟现实技术的室内设计仿真展示提供了更加充分的细节展示、更加直观的效果感受、更加直接的沟通渠道，有利于提高沟通、设计效率，满足当前市场需求。

作者：魏林 朱梦蓝 单位：江西经济管理干部学院