基于VR的在线定制家具虚拟场景设计与实现

罗锐　桑海伟　赵建川　马敏耀　 丁云云　张小红　黄洁

摘要：本文介绍了一种可以让用户根据自己的喜好设置不同风格的虚拟现实家具应用系统，结合虚拟现实（VR）和3DMAX技术，实现通过头戴式显示器与耳机和手持控制器，允许用户与各种家具进行交互，能够实时更改面料、样式等元素，为用户提供身临其境的家具定制化体验，实现虚拟现实家具的交互式个性化定制。

关键词：虚拟现实;3DMAX;交互;场景

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）14-0186-03

1引言

随着时代的发展，人口数量的增多，住房需求也迅速升高。促进了家装行业的发展越来越快，与此同时，用户对于装修的风格也提出了更高的要求，装修不再是传统意义上的装修，而是个性化设计。但是由于每个人心中的装修风格都是不一样的，无法保证设计师设计的风格都能够满足用户的要求，而虚拟现实（VR）技术为家装行业提供了新的方式。VR是利用计算机三维图形和VR设备给使用者提供交互式和沉浸式的视觉体验。集数字图像处理、图形学、多媒体技术、传感和测量技术、仿真和人工智能等多种技术于一体，利用计算机模拟生成一种多源信息交融的、交互式的三维动态视景和实体行为的仿真系统。具体来说，就是模拟人眼的视觉效应，虽然看不到真实的环境，却可以看到非常逼真的虚拟画面，达到虚拟现实的目的。

用户很难想象家具装修后的场景。虚拟现实可以让消费者尝试不同的面料、颜色以及其他属性，看到装修后的家具效果。虚拟现实为消费者提供了家具信息的存在感，利用VR技术设计的智能家具定制系统，打破了传统的设计观念，可以让客户自己设计自己感受，最终达到让客户选择自己心仪的设计方案。

2系统设计

虚拟环境中三维模型是基于现实环境中的实物，从而模拟出来的图像，虚拟现实建模中最关键的技术是三维建模，在进行建模过程中需要用到相应的软件，3DMAX是AUTODESK公司的游戏和动画的3D建模和渲染软件，具有功能完善、兼容性强和制作效率高等优点，使用3DMAX工具集来整形和定义详细的环境，对象和字符，建立事物建模。3DMax可与大多数主流渲染器配合使用，能够满足虚拟现实中家具模型制作的要求，因此选用3DMAX进行家具以及场景的建模。

在软件开发上选择了Unity3D作为开发软件，Unity3D拥有对25个以上平台的支持开发平台，通过功能全面的C#脚本和包括通信，渲染和物理的API，可适应当前不断发展的技术需求。Unity3D提供灵活的图形优化的可编程渲染管线（SRP），一流的视觉质量的高清渲染管线（HDRP），和保证性能的轻量级渲染管线（LWRP），在性能和质量上Unity3D均完全设计的满足。

智能家具定制作为虚拟技术的一种应用，应该在生理和心理上给予用户真实体验，根据用户的需求，在实现用户要求的风格的同时，也能利用VR实现效果预览，本系统功能如下：1）选择任何自己想要的家具、材料、颜色、大小、方式和位置;2）可以随时更改各种装修风格;3）自主的选择与房间相协调的家具款式，用户也可以选择自己喜欢的家具款式;4）体验设计后的家装效果。

3系统实现

3.1 系统开发流程及方法

通过计算机和头戴式显示器（HDM）来体验虚拟场景。数字交互式3D图像与虚拟现实相结合，通过建模、布景、光照、贴图、渲染和HTC VIVE硬件提供可视化定制设计的家具。开发流程如图1。

利用3DMAX软件对家具的各种模型元素进行设计和实现，图2为3DMAX中沙发模型，依托于资源丰富和模型细腻的3DMAX软件，能够满足用户的各种需求，而Unity3D支持各种3D格式，包括fbx和3ds等格式的文件，Unity3D提供了比任何“游戏制作”的程序更灵活和更强大的工具，使用Unity3D，将创建好的模型直接添加到场景，Unity3D以快速，直观的方式将家具的基本对象创建完成。

在使用3DMax建立了家具的基本元素后，使用VRTK和SteamVR插件，快速实现手柄与实体的交互。VRTK的一系列脚本和功能，在Unity3D中快速轻松地构建VR解决方案。它提供了许多常见的解决方案，使用户体验更加接近真实。比如虚拟空间内的运动，交互，抓取和使用对象等交互、通过指针或触摸交互等。

沉浸系统最主要的特点就是真实，光影的添加让场景更加真实。光照系统（Enlighten）的应用，提供两种不同的技术来预先计算全局照明（GI）和反射光（图3）。这些是烘焙全局照明和预计算实时全局照。

除了光照，如何通过分配材质来控制渲染器上的着色器，颜色和纹理来控制游戏对象的视觉外观也是物品是否真实的关键。使基于物理的着色系统（PBR）是关于光和表面材质的更详细的推理，效果对比如图4。

3.2 系統功能实现

系统由模型搭建、场景布置、放置灯光、添加模型属性（如材质、物理特性等）以及行为脚本等组成。对于脚本，Unity3D支持C#和JavaScript用于编程，通过将每个对象隔离，并迫使其他对象通过其方法与其交互，可以减少可能的无意交互的数量。

Unity3D提供了五大基本视图选项卡，游戏、场景、Inspector、项目、层次结构。提供与之交互并进行测试的运行实例、静态可编辑游戏场景、通过项卡修改场景中各个实体、可以将模型、材料和其他资源放置于游戏世界中、通过单击和拖动来查找场景中的对象和实体，如图5、6所示。

材质是纹理和着色器的组合，将要导入的纹理，转换为jpg、png或bmp，拖到Unity项目目录下的assets文件夹中，可以从项目选项卡直接拖动到游戏对象上。也可以通过C#将这些资源通过编辑器中的GUI Text和GUI Texture GameObjects作为元素让用户选择，并用户选择的该纹理与实体实时渲染在场景中。如图7所示。

场景的搭建，场景布置是否温馨，灯光是关键，它将光芒投射到实体上。如果场景中没有灯光，则所有多边形都以相同的亮度级别绘制，这渲染出来的场景不真实。灯光还可以调节光的颜色，并且创造出阴影和投影。这会使消费者产生情感和共鸣。

4总结

互联网已成为信息收集和数据分析的利器，影响着快速增长的线上购物者和各行各业的发展。基于Web的虚拟现实与在线家具定制平台相结合，是制造商获取用户对家具喜好的有利手段，也是获得消费者对市场现有家具反馈的方式。基于VR技术的个性化家具定制设计就是将客户、企业、设计师紧密地联系在一起。通过VR技术允许消费者更改家具宽度、高度、深度以及移动和旋转等，从而提供与家具的动态交互。同时，允许消费者评估概念设计，在家具制造前对其进行预算、空间检查和美观性的权衡，并在没有物理原型的情况下修改设计。消费者可以通过自导自演的选择和配置来确定家具的最终样式。越来越大的存储容量允许存储无限数量的家具模型，使用兼容的数据格式，可以容易地从其他VR显示系统获得大小、布局和其他VR显示匹配的感知。虚拟现实只需要一些不大物理空间，就可以将很多的场景或者家具展示逐一展示给消费者。

虚拟现实可在不牺牲客户需求的情况下实现惊人的真实感。而且每个家具使用的3D模型，可以在各种平台和设备上提供服务。资产的分离使得速度和现实的完美融合。在数字化信息时代，虚拟现实技术可以处理无限数量的家具和家具排列。家具经销商可以展示无尽的沙发、座椅等，同时也为经销商创造了在目标消费者及其产品之间建立强烈情感联系的机会，革新了传统设计方法，为用户选择装修风格提供了一种新的方法。

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【通联编辑：梁书】