基于虚拟现实的室内景观重建技术

王刚

摘 要： 在提高设计效率方面，对室内景观进行重建具有重要作用，传统室内景观重建技术，不能完成复杂真实场景三维图形重建，无法满足用户视觉真实感要求。对此，提出基于虚拟现实的室内景观重建方法，运用虚拟现实技术与VR?GIS理论结合的方法，对室内景观信息及图像进行绘制，生成室内景观重建全景图，建立室内景观重建数字模型，完成室内景观重建。分析对比试验结果表明，室内景观重建数字模型，可以构建动态虚拟场景，完成复杂真实场景三维图形重建；也可以实现虚拟室内景观锚点转换，满足用户视觉真实感要求。

关键词： 虚拟现实； 室内景观； 重建技术； 图像绘制； 全景图重建； VR?GIS理论

中图分类号： TN911.73?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）04?0147?03

Abstract： The indoor landscape reconstruction plays an important role in improving design efficiency. The traditional indoor landscape reconstruction technology cannot complete the 3D image reconstruction of complex real scenes to meet users′ visual reality requirement. In this regard， an indoor landscape reconstruction method based on virtual reality is proposed. The method of combining virtual reality technology and VR?GIS theory is adopted to draw the indoor landscape information and image， generate the indoor landscape reconstruction panorama， and establish the indoor landscape reconstruction digital model to complete the indoor landscape reconstruction. The contrast experimental results are analyzed. The results show that the indoor landscape reconstruction digital model can build dynamic virtual scenes and complete 3D image reconstruction of complex real scenes， and also achieve the transformation of virtual indoor landscape anchors to meet users′ visual reality requirement.

Keywords： virtual reality； indoor landscape； reconstruction technology； image drawing； panorama reconstruction； VR?GIS theory

应用计算机、多媒体以及大规模存储手段作为基础技术支持，并通过宽带网络作为链接纽带，对室内景观进行时空、种类的空间描述，是现有室内景观重建技术的建模方法。但由于操作手段上的局限性，常常导致这种方法不能完成复杂真实场景三维图形重建，进而满足用户视觉真实感要求[1]。本文针对该问题，运用虚拟现实技术与VR?GIS理论相结合的方法，完成室内景观重建的数字建模。又通过设计对比实验，验证本文所建立的数字模型，不仅可以构建动态虚拟场景，进而完成复杂真实场景三维图形的重建，也能够在虚拟室内进行景观的锚点转换，满足用户视觉真实感要求。

1 虚拟现实与VR?GIS的结合

虚拟现实技术和VR?GIS理论是搭建三维视觉模型的基础工具。为了更好地建立二者之间的联系，进而保证室内景观数字模型的建立，本文从如下几个方面进行了分析。

1.1 虚拟现实与VR?GIS对景观重建图像的绘制

为了保证虚拟现实环境的整体稳定性，本文通过基于图像和基于模型两种方法，对其进行实现。基于图像法首先要通过全景图对整体室内景观进行水平空间和经纬空间的全方位环绕浏览，然后应用无缝连接和纹理映射技术[2]，完成空间范围内的视线任意切换，进而实现室内景观图像的三维重建。基于模型法则是根据室内景观的实体位置，建立与之相对应的虚拟环境，经过3D Studio等建模工具的渲染后，使用统一的数据格式输出景观重建图[3]。VR?GIS理论强调可视化模拟能力与三维空间数据分析的结合，为了保证该理论的顺利实现，首先通过叠置遥感获得室内景观影像图，然后应用Silicon Graphics GL图形库中的工具包，完成重建圖像的虚拟现实开发，最后通过Microsoft DirectX工具，完成室内景观重建图像的绘制。

1.2 完成虚拟现实与VR?GIS的结合

虚拟现实与VR?GIS理论结合，大致需要经历数据结合、功能结合、功能一体化三个阶段[4]。首先VR?GIS作为后台数据的管理平台，提供虚拟现实与室内景观信息之间的交流渠道，通过虚拟现实系统的交互能力，对整体室内景观分布进行综合分析，将不同景观位置反映到虚拟现实环境当中，完成景观重建图像的绘制。其具体结合详情如图1所示。

2 利用VR?GIS完成室内景观重建的数字建模endprint

2.1 室内景观重建全景图的生成

室内景观全景图的重建，以人眼正常的有效视角或双眼余光视角，对整个室内景观进行全范围的拍摄。通常情况下，为了保证重建全景图的真实性，应用球面、圆柱面、立方体表面三种形式，对不同的室内景观进行表达，处于对本文所设计数字模型的综合考虑，以下过程均采用圆柱全景图对室内景观进行表示[5]。本文使用造景师软件生成室内景观重建全景图，操作步骤如图2所示。

2.2 基于VR?GIS理论的室内景观三维地形建模

室内景观三维地形模型的搭建，可以概括为信息的数字化和生成DEM两个部分[6]。在信息的数字化过程中，利用VR?GIS录入数据，并对已录入的数据进行编辑[7?8]。DEM数字高程模型是一种以数值形式存储的方式，通过空间坐标[x，y，z]将室内区域划分成形状、大小都相同的网格。应用固定矩阵的行列号表示室内各景观的地理空间定位，矩阵元素灰度值的不同，表示对应景观的具体类型。其具体建模方案如图3所示。

2.3 基于VR?GIS理论室内景观重建数字模型的实现

3 实验结果与分析

[f1]条件下所有室内景观摆放位置均固定且不可变，该条件为本文所设。为了方便实验的进行，以下实验也是在[f1]条件下进行的。选定以面积为100 m2的普通民居作为实验对象，对该民居内冰箱、床、洗衣机、电视机、热水器5种家用设备进行景观重建检测实验。

3.1 实验参数设定

以上述5种家用设备额定功率为依据，进行参数设定，定义床的额定功率为0。

表中：[Xidx]，[Yidx]，[Zidx]分别为室内景观[X]，[Y]，[Z]方向的指数分量，这三个指数分量均由式（1）计算得来；[Tidx]为三个指数分量之和，该项参数也是如下实验中的主要参考指标。

3.2 构建动态虚拟场景对比

实验分两部分进行，在该民居内找到上述5个室内景观的位置，分别应用数字模型和普通模型对这5个景观进行检测，根据检测结果绘制重建全景图，与真实位置进行对比，如图4、图5所示。

通过图4与图5的对比，可以清楚地发现，应用普通模型对室内景观进行重建监测，检测结果与真实结果之间误差较大，且随着[Tidx]指数的增大，这种误差也在持续增大；而应用数字模型对室内景观进行重建监测，检测结果与真实结果之间误差较小，且随着[Tidx]指数的增大，这种误差也并没有出现增大趋势。因此，可以证明本文所设计的数字模型，能够更好地构建动态虚拟场景，完成复杂真实场景三维图形重建。

4 结 语

通过虚拟现实技术与VR?GIS理论结合的方法，可以实现室内景观重建数字模型的建立。本文通过设计对比实验，证明该数字模型既可以完成复杂真实场景三维图形重建，也可以满足用户视觉真实感要求，具有极大的发展前景[9?10]。

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