三维虚拟建筑空间的仿真设计与实现

谭征

摘 要： 沙盘在展示虚拟建筑时，由于空间的约束性，在虚拟建筑空间的细节处理上效果差，缺乏有效渲染以及动画呈现方式，导致建筑空间仿真效果差。提出三维虚拟建筑空间的仿真设计与实现方法，在对建筑空间进行虚拟现实和仿真设计时，基于构建的建筑空间坐标系和比例尺，采用构件的位置和参数构建建筑空间构件数学模型，对各构件的数学模型实施融合后构建总体建筑空间的数学模型。采用OpenGL虚拟现实技术，基于目标建筑空间数学模型对目标建筑进行扩展加工，给目标建筑赋予材质和纹理特征，获取理想的建筑空间三维虚拟视图，将建筑空间三维虚拟视图进行三维渲染处理，呈现出生动形象的建筑空间三维虚拟效果图，使用动画设计技术对建筑空间三维虚拟效果图进行动画展示。实验结果表明，所提设计方法的点线渲染和整体渲染效果佳，能得到更加逼真的三维虚拟建筑空间仿真设计成果，并且具有较高的交互性和实用性。

关键词： 三维虚拟建筑空间； 仿真设计； 三维渲染； 三维建模； 动画设计； 数学模型

中图分类号： TN812?34； TP391.72 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）16?0168?04

Abstract： Virtual building exhibition on the sand table has poor detail processing effect of virtual building space due to space constraint， and poor simulation effect of building space due to lack of effective rendering and animation presentation mode. Therefore， a simulation design and implementation method of 3D virtual building space is proposed. During the virtual implementation and simulation design of building space， the position and parameter of the component are used to construct the mathematical model of the building space component based on the constructed building space coordinate and proportional scale. The mathematical model of the whole building space is constructed after fusing mathematical models of various components. The OpenGL virtual reality technology is used to perform extend processing of the target building based on the mathematical model of target building space. The material and texture feature of the target building are given to obtain the optimal 3D virtual view of building space. The 3D rendering for the 3D virtual view of building space is performed to present a vivid 3D virtual effect image of building space. The animation design technology is used to conduct animation display of the 3D virtual effect image of building space. The experimental results show that the proposed design method has good effects of dot?line rendering and whole rendering， can obtain a vivid simulation design result of 3D virtual building space， and has high interaction and practicability.

Keywords： 3D virtual building space； simulation design； 3D rendering； 3D modeling； animation design； mathematical model

0 引 言

虛拟现实（Virtual Reality，VR）是通过计算机制作出的一种虚拟环境，其通过各种传感器设备实现与使用者的互动。如今，在军事、建筑和教育等不同领域上已开始逐渐使用VR技术[1]。当前许多设计院的人员在进行建筑仿真设计时，普遍使用Auto CAD软件或在此平台上再次开发的其他协助设计软件。由于建筑仿真模型单一，在展现三维实体时的效果有所欠缺。传统沙盘的方式在展示虚拟建筑空间的设计上，由于空间的约束性，在虚拟建筑空间的细节上处理效果差，缺乏有效渲染以及动画呈现方式，导致建筑空间仿真效果差[2]。因此，本文提出三维虚拟建筑空间仿真设计与实现方法，得到形象逼真的建筑空间三维虚拟效果图，可广泛应用于建筑领域中。

1 三维虚拟建筑空间的仿真设计与实现

1.1 仿真设计结构图

本文的结构图如图1所示。其是一种计算机辅助设计过程，为使熟悉Auto CAD，3ds MAX等软件的设计者能够参与进来，本文方法的设计与开发选用面向对象的思想来实施。本文方法有着虚拟现实的效果，设计出的三维效果图具有真实感和逼真性，设计出的路径动画质量高，便于相关人员更好地进行视觉资源管理和设计方案的研究[3]。基本建模、专业建模、施工图、工程量统计渲染及动画制作等部分构成本文方法结构图。

1.2 虚拟现实和仿真设计

1.2.1 构建建筑空间数学建模

1） 空间坐标系和比例尺的构建。将规格相同的砖块铺满建筑物的外墙，基础单位选择单个砖块的长宽，渲染整体建筑的同时，所有砖块也得到渲染[4]，通过此方法获取合适的比例尺。

2） 构件的表示。建筑构件在空间直角坐标系中的坐标即为构件的位置，根据z轴、x轴和y轴的优先顺序选取最小值的坐标点，也就是构件的位置[5]。建筑物通过构建后可当成是一系列的构件进行求和处理。建筑空间数学模型为：

建筑实体的造型通过三维建模来设计完成，但建模后的建筑物体，其具有轮廓特点，但颜色、质感、纹理和环境等这些视觉效果还不具备，因此，此时的建筑物体还不具有真实感。为使最终效果更加真实，需在三维模型基础上采取更深入一层的设计[6]，制作出更加逼真的建筑空间三维虚拟效果图。

1.2.2 采用OpenGL虚拟现实技术进行扩展加工

本文方法采用OpenGL虚拟现实技术，基于获取的目标建筑空间数学模型，对目标建筑进行扩展加工，给目标建筑赋予材质和纹理特征，并且在这之前为场景布置光源、调整视点、设置相机。为获取理想的建筑空间三维虚拟视图，需要对三维虚拟建筑空间模型进行特殊效果的处理[7?8]。本文中采用OpenGL虚拟现实技术的扩展技术实现该效果，这些扩展技术有：复合纹理集深度纹理的应用；脱屏渲染环境的建立与使用；基于蒙版测试的阴影体技术；基于视觉贴图坐标的投影贴图。

1.2.3 三维渲染

为了获取预期的渲染效果，在渲染前需先修正相关参数，修正模型所处的环境，可概括成以下步骤：

1） 材质的确定。确定材质、贴图坐标计算方式，对环境光、漫反射、透明度等主要参数进行设置，将材质纹理添加到关键实体，后期还可利用修改器等工具根据各实体的材质信息实施修正。

2） 光源的建立。电光、锥光、平行光、柱光和面光都可由本文系统供应，需因环境的不同而选用合适的光源，光源的位置确定好后，达成光源的建立。

3） 视点和相机的建立。规划人员安置目标相机后确定观察角度，视点安放在最优位置，使被渲染的关键目标明显，保证环境的呈现效果好，这一构图的筹备为后期的渲染成图做好铺垫。

4） 配景的建立。配景的加入可以在制作渲染图时使三维虚拟建筑更加逼真，比如增添行人、交通工具、标牌等配景[9]。系统配景库中的图像在插入渲染图时需选择实际尺寸。

整体三维虚拟建筑空间的渲染，需在以上这些步骤完成后运行渲染引擎，具体过程见图2。

1.2.4 动画设计

本文方法为获取复杂的相机动画和场景切换效果，在动画制作上建立折线或Bezier曲线相机路径，通过多视窗交互方式实现，把路径所有重要点的参数写入。在建筑空间场景浏览模拟时，采用OpenGL动画与渲染动画技术实现建筑空间三维虚拟动画的呈现。为获得较高分辨率的动畫，需扩张MPEG图像标准并选择MPEG压缩算法。利用外界播放器可播放最终获得的.avi文件，对建筑空间三维虚拟动画效果进行阅览[10]。动画设计的制作流程如图3所示。

2 实验结果与分析

通过实验对本文提出的三维虚拟建筑空间仿真设计与实现方法的效果和性能进行验证。

2.1 渲染效果检测

2.1.1 点线渲染

渲染构件的点线模型，如图4所示。这一步是在检查构件的几何空间有无错误，也是建立视角的基础，建立视角时需在有渲染图形基础上通过调节已渲染的图像得到。图4可以看出渲染结果太严重，选取合适的视角观察渲染的图形，如图5所示。

为获取与现实场景最贴切的图形，需多次修改视角，将得到的图形采取光照和材质的制作，如图6所示。

2.1.2 图书馆整体渲染

图书馆实物图如图7所示。添加大理石纹理后的图书馆如图8所示。添加木质纹理后的图书馆如图9所示。分析上述实验结果可得，本文方法对实验图书馆建筑空间的点线渲染以及整体渲染都能获取令人满意的效果，并且在不同度杂操作下，反复测试后都表现出较高的稳定性和安全可靠性，也符合相关的实际应用环境，说明本文方法的有效性和实用性。

2.2 功能检测

在城市建筑空间规划领域中设计的展示方法以往大都采用传统沙盘、效果图、三维动画等方法。实验对比分析本文方法和其他方法在成熟建筑空间规划过程中的性能情况，结果如表1所示。

通過表1可以看出：传统沙盘的方式由于空间受约束，因此在细节上处理效果差；平面的效果图展示效果时不全面，有局限性；三维动画只是种阅览模式，缺少严谨性和客观性。以上问题通过本文方法都能得到解决，在本文方法建立的三维虚拟空间中拥有无限的地点和时间，即使是任意地点和时间都能实时查看三维虚拟建筑空间的仿真设计效果，本文方法具有较高的交互性和实用性。

3 结 论

本文提出三维虚拟建筑空间的仿真设计与实现方法，通过OpenGL虚拟现实技术、三维渲染以及动画设计等获取形象逼真的建筑空间三维虚拟效果图，并对该效果图进行了动画展示，在建筑领域中具有重要的应用价值。

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