摘要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸感交互性和構(gòu)想性決定了其在家居設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。本文提出了一個基于3dmax和虛擬現(xiàn)實建模語言（VRML）的虛擬家居漫游系統(tǒng)，對于系統(tǒng)的整體架構(gòu)及實現(xiàn)方法進行了闡述。
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；家居設(shè)計；漫游
中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 13-0000-02
Roaming System Design and Implementation of Virtual Home Furnishing
Sun Fangfang,Yang Li,Liu Min,Zheng Xin
(Schllo of Media&Arts,Suzhou University of Science&Technology,Suzhou215009,Chiana)
Abstract:Virtual reality immersion and interaction determines the concept of home design in the foreground.In this paper,based 3dmax and Virtual Reality Modeling Language(VRML)virtual home roaming system,the system's overall architecture and implementation are described.
Keywords:Virtual reality technology;Home design;Roaming
虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門新興的綜合性信息技術(shù)，它利用計算機信息技術(shù)生成一個逼真的多感知的三維信息空間，用戶可以以自然的方式與其進行交互，從而獲得身臨其境的沉浸感。它集成了計算機軟硬件技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等眾多領(lǐng)域的發(fā)展結(jié)晶，在房地產(chǎn)、規(guī)劃、娛樂、設(shè)計等眾多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
隨著當(dāng)今社會人們對于生活品質(zhì)的要求不斷提升，作為主要生活空間的居室，其設(shè)計風(fēng)格更是日益受到人們的重視。對于居室的設(shè)計人們不再僅僅滿足于使用功能的完善，而是追求更多的審美情趣、舒適性及藝術(shù)性兼具的生活環(huán)境享受上。然而傳統(tǒng)的家居設(shè)計效果往往是以二維效果圖的方式進行展示，空間格局的設(shè)置，材質(zhì)的搭配及光影的效果都無法得到很好的體現(xiàn)，使得缺乏專業(yè)知識的用戶對于整體效果無法形成一個直觀認識，這一問題表明我們亟需改善現(xiàn)有的家居展示方式，為用戶提供一個身臨其境的所見即所得的展示空間，虛擬現(xiàn)實技術(shù)無疑是最好的選擇。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，我們可以利用計算機將家居設(shè)計理念以一個逼真的多感知的三維虛擬環(huán)境進行展示，直觀的表達設(shè)計意圖及效果，用戶借助專用的設(shè)備可以以自然的方式在虛擬空間中進行漫游，從任意角度對于環(huán)境中的物體進行觀察，或與之進行交互，獲得與現(xiàn)實世界一樣的體驗，其沉浸感、交互性與實時性是傳統(tǒng)二維效果圖所無法比擬的。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于家居設(shè)計行業(yè)，將是未來的發(fā)展趨勢之一。本文擬在此領(lǐng)域加以嘗試，使用3dmax及虛擬現(xiàn)實建模語言VRML設(shè)計并開發(fā)了虛擬家居漫游系統(tǒng)。
一、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)概述
虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是由計算機軟硬件技術(shù)生成的逼真的三維虛擬境界，能夠給人多種感官刺激，是一種高級的自然人機交互系統(tǒng)，是人們利用計算機對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的一種全新手段。其主要特征體現(xiàn)在：
沉浸性：指利用計算機所生成的虛擬境界應(yīng)給人以真實感，當(dāng)使用者處于其中時所接觸到的虛擬物體及運動體驗應(yīng)與人們長期生活所積累的經(jīng)驗相一致，使人產(chǎn)生身臨其境的沉浸感。
多感知性：用戶在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中可以感受到多種感官刺激，除了一般計算機系統(tǒng)所具備的視覺感知外還應(yīng)包括聽覺、力覺、觸覺及身體感覺等。
交互性：用戶能夠以自然的方式與系統(tǒng)中的虛擬物體進行交互，除了常規(guī)的鍵盤鼠標(biāo)等設(shè)備外，還可以使用手勢、人類語言等自然方式進行。
構(gòu)想性：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不僅可以對于客觀存在的環(huán)境進行模擬仿真，也可以充分發(fā)揮人類的想象力，構(gòu)想客觀上不存在或者不可能發(fā)生的場景，拓寬人類的視野及認知范圍。
二、虛擬家居漫游系統(tǒng)的架構(gòu)
虛擬漫游是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)發(fā)展的一個重要分支，其應(yīng)用前景極其廣闊。虛擬家居漫游系統(tǒng)是將虛擬漫游應(yīng)用于家居設(shè)計領(lǐng)域的一種嘗試，指利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將家居設(shè)計理念以所見即所得的方式進行展示，用戶可以在虛擬的家居空間中漫游，可以全方位的觀察結(jié)構(gòu)布局，可以任意角度地觀察空間中的對象。相對于只能提供靜態(tài)視覺體驗的二維效果圖，或具備動態(tài)表現(xiàn)力但無法進行實時交互的三維動畫來說，其優(yōu)勢可謂得天獨厚。
我們所設(shè)計的虛擬家居漫游系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為依托，利用三維建模工具3dmax和虛擬現(xiàn)實建模語言VRML完成了系統(tǒng)的研發(fā)，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中使用者可以通過鍵盤或鼠標(biāo)來自由地控制走向，可以對居室內(nèi)的物品進行任意角度的觀察，也可以按照設(shè)置好的視點來進行視角的轉(zhuǎn)換，還可以與系統(tǒng)進行簡單的交互，使用戶對于整個家居設(shè)計的格局及環(huán)境有一個整體的把握。
圖1.虛擬家居漫游系統(tǒng)總體架構(gòu)
系統(tǒng)建模：虛擬家居漫游系統(tǒng)中的首要任務(wù)是完成系統(tǒng)建模，為后續(xù)的虛擬導(dǎo)覽提供三維虛擬空間。系統(tǒng)中我們利用3dmax軟件對于常見的兩室兩廳兩衛(wèi)住宅的戶型進行建模。
虛擬導(dǎo)覽：在系統(tǒng)中用戶可以按照預(yù)設(shè)的視點進行視角的轉(zhuǎn)換，也可以利用鍵盤或鼠標(biāo)來進行自主瀏覽，控制來實現(xiàn)不同角度和方位的觀察，如前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等。
三、虛擬家居漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)
（一）系統(tǒng)模型的構(gòu)建
三維建模技術(shù)是虛擬漫游系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，模型的好壞對于虛擬三維世界的視覺表現(xiàn)力及沉浸感有舉足輕重的影響，是三維世界的核心所在。系統(tǒng)中我們選擇了利用相對更適合建筑建模的3dmax軟件來完成建模，創(chuàng)建的模型主要包括房屋結(jié)構(gòu)模型，家具模型和裝飾模型等。首先確定居室的戶型結(jié)構(gòu)包括兩個臥室，一個客廳，一個餐廳及兩個衛(wèi)生間，然后對每一個房間的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部家具及裝飾模型進行構(gòu)建，最后進行材質(zhì)貼圖及渲染。
系統(tǒng)建模的過程中主要用到的方法有基本組件法、擠壓建模法和布爾運算法等�；窘M件法采用3dmax提供的基本幾何造型來進行建模，適用于外形相對規(guī)則的幾何造型，如房屋結(jié)構(gòu)、桌子等，是建造模型的基礎(chǔ)。擠壓建模法是將二維造型沿其法線方向進行擠壓來生成三維模型，適用于制作瓶子罐子之類的柱狀的造型，如系統(tǒng)中的水杯和餐具。布爾運算法就是運用交、并、差等集合運算的方式，將兩個對象進行粘合或取其相交的部分，以生成較為復(fù)雜的造型，如衛(wèi)生間的浴缸等。系統(tǒng)的建模效果如圖2和圖3所示。
圖2.整體俯視圖 圖3.臥室一角
�。ǘ┨摂M導(dǎo)覽的實現(xiàn)
系統(tǒng)中虛擬導(dǎo)覽包括自主瀏覽及自動瀏覽兩種。自主瀏覽在三維建模的基礎(chǔ)上通過用戶控制鼠標(biāo)及鍵盤即可完成。自動瀏覽與自主瀏覽最大的區(qū)別是由系統(tǒng)依照預(yù)先設(shè)置好的路徑自動帶領(lǐng)用戶進行場景的瀏覽，其實現(xiàn)方法主要是通過使用VRML所提供的視點功能及動畫插補器。視點是指在場景中的觀察位置及朝向，通常由用戶預(yù)先定義。用戶可以通過跳躍式或非跳躍式兩種方式在所設(shè)置的視點中進行切換。通過跳躍式視點用戶可以略過一些無關(guān)緊要的場景，專注于三維世界中重要的觀察點，非跳躍式視點通過兩個觀察點間的平滑過渡來實現(xiàn)動態(tài)的瀏覽。自動瀏覽路線的實現(xiàn)本質(zhì)上是一個動畫，通過VRML提供的位置插補器和朝向插補器來變換視點的位置和空間朝向來完成。
（三）交互功能的實現(xiàn)
人機交互是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的重要特征，只有交互才能使用戶產(chǎn)生沉浸感，因此在系統(tǒng)中，我們加入了一些簡單的交互功能。這一功能的實現(xiàn)主要依靠VRML中提供的各種傳感器及腳本設(shè)計。VRML提供了Script腳本節(jié)點用以編程來拓展VRML的功能，實現(xiàn)一些復(fù)雜的高級的交互。如系統(tǒng)中的椅子的拖拉（如圖4所示）我們主要利用了VRML中的平面?zhèn)鞲衅鳎娨暀C的開關(guān)、換臺等功能則通過VRML腳本編程實現(xiàn)。
圖4a.初始狀態(tài)的椅子b.經(jīng)過拖拉后的椅子
虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸感、交互性和構(gòu)想性等特性使其在家居設(shè)計領(lǐng)域中突顯出了無可比擬的優(yōu)勢。通過虛擬家居漫游系統(tǒng)為用戶提供所見即所得的三維展示方式，使其可以在虛擬的家居空間中自由漫游，身臨其境地去感受家居設(shè)計的整體風(fēng)格布局，滿足個性化設(shè)計的需求，必將是為未來家居業(yè)一個新的發(fā)展方向。
參考文獻：
[1]段新昱.虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)與VRML編程[M].高等教育出版社,2004
[2]曲寶,趙婭,趙琦.基于Virtools的虛擬家居漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與科學(xué),2009,31:12
[3]華孟楠.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在室內(nèi)設(shè)計中的應(yīng)用[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2010,9:4
[4]郭丹峰,胡風(fēng)華.基于VRML的三維家居設(shè)計的探究[J].電腦知識與技術(shù),2009,5:24
[基金項目]論文來源：蘇州科技學(xué)院校科研基金項目：虛擬家居設(shè)計系統(tǒng)的架構(gòu)與實現(xiàn)
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；家居設(shè)計；漫游
中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 13-0000-02
Roaming System Design and Implementation of Virtual Home Furnishing
Sun Fangfang,Yang Li,Liu Min,Zheng Xin
(Schllo of Media&Arts,Suzhou University of Science&Technology,Suzhou215009,Chiana)
Abstract:Virtual reality immersion and interaction determines the concept of home design in the foreground.In this paper,based 3dmax and Virtual Reality Modeling Language(VRML)virtual home roaming system,the system's overall architecture and implementation are described.
Keywords:Virtual reality technology;Home design;Roaming
虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門新興的綜合性信息技術(shù)，它利用計算機信息技術(shù)生成一個逼真的多感知的三維信息空間，用戶可以以自然的方式與其進行交互，從而獲得身臨其境的沉浸感。它集成了計算機軟硬件技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等眾多領(lǐng)域的發(fā)展結(jié)晶，在房地產(chǎn)、規(guī)劃、娛樂、設(shè)計等眾多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
隨著當(dāng)今社會人們對于生活品質(zhì)的要求不斷提升，作為主要生活空間的居室，其設(shè)計風(fēng)格更是日益受到人們的重視。對于居室的設(shè)計人們不再僅僅滿足于使用功能的完善，而是追求更多的審美情趣、舒適性及藝術(shù)性兼具的生活環(huán)境享受上。然而傳統(tǒng)的家居設(shè)計效果往往是以二維效果圖的方式進行展示，空間格局的設(shè)置，材質(zhì)的搭配及光影的效果都無法得到很好的體現(xiàn)，使得缺乏專業(yè)知識的用戶對于整體效果無法形成一個直觀認識，這一問題表明我們亟需改善現(xiàn)有的家居展示方式，為用戶提供一個身臨其境的所見即所得的展示空間，虛擬現(xiàn)實技術(shù)無疑是最好的選擇。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，我們可以利用計算機將家居設(shè)計理念以一個逼真的多感知的三維虛擬環(huán)境進行展示，直觀的表達設(shè)計意圖及效果，用戶借助專用的設(shè)備可以以自然的方式在虛擬空間中進行漫游，從任意角度對于環(huán)境中的物體進行觀察，或與之進行交互，獲得與現(xiàn)實世界一樣的體驗，其沉浸感、交互性與實時性是傳統(tǒng)二維效果圖所無法比擬的。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于家居設(shè)計行業(yè)，將是未來的發(fā)展趨勢之一。本文擬在此領(lǐng)域加以嘗試，使用3dmax及虛擬現(xiàn)實建模語言VRML設(shè)計并開發(fā)了虛擬家居漫游系統(tǒng)。
一、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)概述
虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是由計算機軟硬件技術(shù)生成的逼真的三維虛擬境界，能夠給人多種感官刺激，是一種高級的自然人機交互系統(tǒng)，是人們利用計算機對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的一種全新手段。其主要特征體現(xiàn)在：
沉浸性：指利用計算機所生成的虛擬境界應(yīng)給人以真實感，當(dāng)使用者處于其中時所接觸到的虛擬物體及運動體驗應(yīng)與人們長期生活所積累的經(jīng)驗相一致，使人產(chǎn)生身臨其境的沉浸感。
多感知性：用戶在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中可以感受到多種感官刺激，除了一般計算機系統(tǒng)所具備的視覺感知外還應(yīng)包括聽覺、力覺、觸覺及身體感覺等。
交互性：用戶能夠以自然的方式與系統(tǒng)中的虛擬物體進行交互，除了常規(guī)的鍵盤鼠標(biāo)等設(shè)備外，還可以使用手勢、人類語言等自然方式進行。
構(gòu)想性：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不僅可以對于客觀存在的環(huán)境進行模擬仿真，也可以充分發(fā)揮人類的想象力，構(gòu)想客觀上不存在或者不可能發(fā)生的場景，拓寬人類的視野及認知范圍。
二、虛擬家居漫游系統(tǒng)的架構(gòu)
虛擬漫游是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)發(fā)展的一個重要分支，其應(yīng)用前景極其廣闊。虛擬家居漫游系統(tǒng)是將虛擬漫游應(yīng)用于家居設(shè)計領(lǐng)域的一種嘗試，指利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將家居設(shè)計理念以所見即所得的方式進行展示，用戶可以在虛擬的家居空間中漫游，可以全方位的觀察結(jié)構(gòu)布局，可以任意角度地觀察空間中的對象。相對于只能提供靜態(tài)視覺體驗的二維效果圖，或具備動態(tài)表現(xiàn)力但無法進行實時交互的三維動畫來說，其優(yōu)勢可謂得天獨厚。
我們所設(shè)計的虛擬家居漫游系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為依托，利用三維建模工具3dmax和虛擬現(xiàn)實建模語言VRML完成了系統(tǒng)的研發(fā)，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中使用者可以通過鍵盤或鼠標(biāo)來自由地控制走向，可以對居室內(nèi)的物品進行任意角度的觀察，也可以按照設(shè)置好的視點來進行視角的轉(zhuǎn)換，還可以與系統(tǒng)進行簡單的交互，使用戶對于整個家居設(shè)計的格局及環(huán)境有一個整體的把握。
圖1.虛擬家居漫游系統(tǒng)總體架構(gòu)
系統(tǒng)建模：虛擬家居漫游系統(tǒng)中的首要任務(wù)是完成系統(tǒng)建模，為后續(xù)的虛擬導(dǎo)覽提供三維虛擬空間。系統(tǒng)中我們利用3dmax軟件對于常見的兩室兩廳兩衛(wèi)住宅的戶型進行建模。
虛擬導(dǎo)覽：在系統(tǒng)中用戶可以按照預(yù)設(shè)的視點進行視角的轉(zhuǎn)換，也可以利用鍵盤或鼠標(biāo)來進行自主瀏覽，控制來實現(xiàn)不同角度和方位的觀察，如前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等。
三、虛擬家居漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)
（一）系統(tǒng)模型的構(gòu)建
三維建模技術(shù)是虛擬漫游系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，模型的好壞對于虛擬三維世界的視覺表現(xiàn)力及沉浸感有舉足輕重的影響，是三維世界的核心所在。系統(tǒng)中我們選擇了利用相對更適合建筑建模的3dmax軟件來完成建模，創(chuàng)建的模型主要包括房屋結(jié)構(gòu)模型，家具模型和裝飾模型等。首先確定居室的戶型結(jié)構(gòu)包括兩個臥室，一個客廳，一個餐廳及兩個衛(wèi)生間，然后對每一個房間的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部家具及裝飾模型進行構(gòu)建，最后進行材質(zhì)貼圖及渲染。
系統(tǒng)建模的過程中主要用到的方法有基本組件法、擠壓建模法和布爾運算法等�；窘M件法采用3dmax提供的基本幾何造型來進行建模，適用于外形相對規(guī)則的幾何造型，如房屋結(jié)構(gòu)、桌子等，是建造模型的基礎(chǔ)。擠壓建模法是將二維造型沿其法線方向進行擠壓來生成三維模型，適用于制作瓶子罐子之類的柱狀的造型，如系統(tǒng)中的水杯和餐具。布爾運算法就是運用交、并、差等集合運算的方式，將兩個對象進行粘合或取其相交的部分，以生成較為復(fù)雜的造型，如衛(wèi)生間的浴缸等。系統(tǒng)的建模效果如圖2和圖3所示。
圖2.整體俯視圖 圖3.臥室一角
�。ǘ┨摂M導(dǎo)覽的實現(xiàn)
系統(tǒng)中虛擬導(dǎo)覽包括自主瀏覽及自動瀏覽兩種。自主瀏覽在三維建模的基礎(chǔ)上通過用戶控制鼠標(biāo)及鍵盤即可完成。自動瀏覽與自主瀏覽最大的區(qū)別是由系統(tǒng)依照預(yù)先設(shè)置好的路徑自動帶領(lǐng)用戶進行場景的瀏覽，其實現(xiàn)方法主要是通過使用VRML所提供的視點功能及動畫插補器。視點是指在場景中的觀察位置及朝向，通常由用戶預(yù)先定義。用戶可以通過跳躍式或非跳躍式兩種方式在所設(shè)置的視點中進行切換。通過跳躍式視點用戶可以略過一些無關(guān)緊要的場景，專注于三維世界中重要的觀察點，非跳躍式視點通過兩個觀察點間的平滑過渡來實現(xiàn)動態(tài)的瀏覽。自動瀏覽路線的實現(xiàn)本質(zhì)上是一個動畫，通過VRML提供的位置插補器和朝向插補器來變換視點的位置和空間朝向來完成。
（三）交互功能的實現(xiàn)
人機交互是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的重要特征，只有交互才能使用戶產(chǎn)生沉浸感，因此在系統(tǒng)中，我們加入了一些簡單的交互功能。這一功能的實現(xiàn)主要依靠VRML中提供的各種傳感器及腳本設(shè)計。VRML提供了Script腳本節(jié)點用以編程來拓展VRML的功能，實現(xiàn)一些復(fù)雜的高級的交互。如系統(tǒng)中的椅子的拖拉（如圖4所示）我們主要利用了VRML中的平面?zhèn)鞲衅鳎娨暀C的開關(guān)、換臺等功能則通過VRML腳本編程實現(xiàn)。
圖4a.初始狀態(tài)的椅子b.經(jīng)過拖拉后的椅子
虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸感、交互性和構(gòu)想性等特性使其在家居設(shè)計領(lǐng)域中突顯出了無可比擬的優(yōu)勢。通過虛擬家居漫游系統(tǒng)為用戶提供所見即所得的三維展示方式，使其可以在虛擬的家居空間中自由漫游，身臨其境地去感受家居設(shè)計的整體風(fēng)格布局，滿足個性化設(shè)計的需求，必將是為未來家居業(yè)一個新的發(fā)展方向。
參考文獻：
[1]段新昱.虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)與VRML編程[M].高等教育出版社,2004
[2]曲寶,趙婭,趙琦.基于Virtools的虛擬家居漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與科學(xué),2009,31:12
[3]華孟楠.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在室內(nèi)設(shè)計中的應(yīng)用[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2010,9:4
[4]郭丹峰,胡風(fēng)華.基于VRML的三維家居設(shè)計的探究[J].電腦知識與技術(shù),2009,5:24
[基金項目]論文來源：蘇州科技學(xué)院校科研基金項目：虛擬家居設(shè)計系統(tǒng)的架構(gòu)與實現(xiàn)
