基于VR技术的三维家居设计及展现系统

刘丙信 刘金科 朱晨阳

摘要 为了优化家居环境的设计，结合虚拟现实（VR）技术，设计一套三维家居设计及展现系统。该系统沉浸式体验更加逼真，在各个空间自由切换，让客户身临其境感受未来家，增加了人机交互式体验。

[关键词]虚拟现实三维家居人机交互

1 引言

随着社会的发展和人们生活水平的提高，企业间竞争的不断加剧，迫使企业必须想方设法为用户提供更新、更丰富的产品和服务。家居工业发展呈现5个特点：货品全，资金多，周转快，库存少，销售途径多。VR技术与家居设计结合存在一定的必然性，为企业在为客户提供更多样化和个性化的产品和更优良的服务方面开辟了新的途径。VR（虚拟现实）样板房是利用VR技术根据真实样板房的1：1比例设计，将样板房进行360度实景展示，用户直接漫游其中，体验房间的布局、空间感。

2 系统概述

A-Frame是网页虚拟现实体验框架，将WebGL、WebVR等关键技术进行了封装，大幅提升了效率，也方便与VR硬件设备的对接。此外，A-Frame使用了高效的图形库Three.js，系统渲染效率较高。采用A-Frame中的a-scene构建出虚拟现实场景，同时通过HTML的Dom操作给场景添加家具产品的模型。每个家具产品可以分解为长方体、球体、圆柱体等基形状，对应A-Frame中的a-box、a-circle等预置形状，通过组合成模型，把家具做成符合A-Frame规范的组件（a-entity）。并且将组件的属性（prop）暴露出来，实现家具产品模型的建立以及可定制化。通过JavaScript可以将家具组件放置在三维空间里，通过坐标系的计算完成房间内的家居布局;通过修改组件暴露出来的屬性可以实现例如家具表面颜色、贴纹的定制化。最后利用A-Frame封装的WebVR技术可以快速构建出虚拟现实场景，实现样板房的三维展示。用户根据体验结果可以对设计方案进行修改完善。

3 系统设计

三维家居设计系统包含家具建模、材质纹理附加、行为附加和游览交互功能。

3.1 家具建模

VR样板房展示系统所能展现的真实程度，除了受限于硬件的处理能力外，主要取决于模型本身的细致程度。建模过程分为家具数据采集、CAD绘制、模型构建、纹理贴图和美化。家具分为人造板和实木制作两种，两种不同材质的家具各有其特点，采取不同的建模方式。

（1）人造板拼接成的家具往往具有简单的结构，使用框架自带的原生几何体组件即可完成模型构建过程;样板房的墙体和地面也由这些组件完成。

（2）实木制作的家具因为材质的特性有很多的细节处理方式，需要从外部导入已经成型的obj文件进行渲染。本文采用3DSmax来完成家具的构建，为了达到高还原度和真实度，建模前绘制CAD图，按照固定的比例尺和实际物体大小进行缩放。设计好的CAD图导入到3DSmax软件中完成模型的调整、细化等工作。

3.2 创建材质或贴图

模型创建完成后还需要有花纹、材质的体现，寻找合适的贴图家具装饰或根据家具本身的特性创建相应的材质。创建材质对家具本身材料质地的还原度比较高，贴图本身不易更改，难以接近实际效果。因此，综合使用材质和贴图两种渲染方式，让模型达到较好的表现效果。纹理的最终效果将直接影响渲染效果，因而也是模型创建过程中非常重要的环节，可以给家具单独使用光源来提高材质的还原度。好的纹理可以简化模型细节的体现，也能够让样板房的真实度更高，提高整个系统的体验。

3.3 模型行为附加

渲染好的家具以静态的形式在页面中展示，要实现交互还要借助js代码来实现，包括鼠标点击事件的响应和滚轮按钮变化等操作。其中框架内生成的家具模型可以按框架结构添加缩放、移动、更换纹理等行为;外部导入文件无法在框架内做到碰撞检测，需要额外添加属性为不可见的几何组件作为响应块，为响应块添加适当的行为更改外部模型渲染后的大小和位置，响应块自身也做出对应的改变，最终达到所有模型都可以和用户交互的目的。

3.4 VR界面整合

3.4.1 加载

所有创建的模型导出为obj格式，同对应的mtl纹理文件以及图片放在同一目录中，导出模型时相关文件均使用相对路径。两种类型建模的文件分开存储，js文件统一存储，在完成模型库的创建后便可以根据平台需求组装不同的房间样式。在界面创建的过程中可以为房间添加适当的光源作为渲染效果的补充。当用户使用网页进行家具、房型的选择时，事先将家具模型加载到展示场景中，待用户数据分析完后只需根据需求调用文件、渲染数据。

3.4.2 定位和渲染

模型要渲染到指定的位置需要仔细研究坐标参数，样板房整体使用世界坐标，单个模型及其内部使用相对坐标进行定位，相对坐标使用统一的参照点;家具的摆放位置可以使用相对坐标的旋转角度，也可以使用世界坐标的旋转角度。渲染的时间视模型的精细程度和计算机的计算能力而不同，可以通过排序算法优先渲染消耗资源少的模型。

3.4.3 视角调整

每个场景中都可以存在多个摄影机的实例，切换不同的实例可以转换视角，传统键鼠或其他VR硬件的组合可以对视角属性进行设置，也可以直接设定浏览角度，减少操作难度，提升用户体验。

4 结论

以家居三维设计以及虚拟化展示为目标，虚拟现实技术与家居装修相结合，设计实现一套三维家居虚拟设计及展现系统，较为全面的论述了整个系统的设计过程和工作流程，用户通过简单的登录、选择家具、摆放，然后进入漫游模式，360度实景展示，并根据需要进行修改替换。该系统旨在提供家具定制、样板房在线展示的功能，在家居装饰中具有一定的应用前景。

参考文献

[1]陈晨，基于虚拟现实的家具三维设计与体验系统研究[D].东南大学，201 3.

[2]赵文博.虚拟现实技术（VR技术）在家居设计中的应用[J].工业设计，2017 （11）：98-99.

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[4]李榕玲，张悦，基于VR技术的家居陈列方法研究[J]，现代电子技术，2017，40 （22）.