虚拟现实技术在室内家居设计中的应用

柯健 王敏 周德富 刘畅 夏振新 黄冬林

摘要：为解决传统室內家居设计过程中设计者与用户之间缺乏有效沟通方式，用户在设计过程中参与度不高、体验感不强，造成用户对最终的设计效果认可度不高等问题，将虚拟现实技术应用于室内家居设计环节。通过虚拟现实技术提供的沉浸感、交互性和构想性等特征，通过人机交互使用户在逼真的虚拟家居环境中了解室內家居设计风格井进行日常生活体验，在用户与设计者之间提供直观的沟通渠道，为家居设计提供更快捷的反馈。

关键词：虚拟现实;室內家居设计;虚拟体验系统;沉浸感;交互性;物理渲染

DOI：10.11907/ejdk.191051开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）010-0144-03

0引言

室内设计是指为了满足人们工作、生活、休息需要，提高室内空间的生活环境质量，对现有建筑物内部空间包括实质环境和非实质环境进行规划和布置。目前室内设计研究主要集中在视觉形式方面，要求从人体工程学角度研究空间环境内人的心理行为变化。在考察室内环境与人的心理行为关系、人对环境认知的方法、人对环境设计的心理评价基础上，研究室内环境的人际关系心理、室内环境的隐私性心理、室内环境的安全性与舒适性心理。从室内设计功能角度满足人的物质层面需求、满足绿色环保需求、满足人体工程学需求。从软装饰角度根据室内空间形状、面积大小以及居室主人的生活习惯、经济状况、兴趣爱好，对装饰方案进行设计，将主人本身的个性和品味更好地体现出来，以现代室内装饰设计风格类型满足不同需求。

产品体验为导向的设计消费时代已经来临，企业以体验设计为先导，以用户感受为中心进行经营管理和市场竞争。室内设计特别是室内家居设计，设计思想以及设计方案能否满足客户需求至关重要。设计理念需要以視觉方式向客户呈现。通常情况下客户不具备专业的室内设计知识，设计者与客户之间存在沟通问题，通常的解决方案是：①以样板房形式进行沟通，设计者根据户型考虑空间构造功能、实用功能，通过软装饰实现创新，包括艺术品装饰设计、灯具造型与光色装饰、布艺装饰、家具的空间装饰布局等。样板房形式优点是客户置身其中，可以直接体验到视觉艺术设计，缺点是无法满足不同客户需求;②通过设计效果图进行沟通，这种方案便于设计者根据客户需求调整设计方案，缺点是客户难于在室内空间产生沉浸感，也缺少与空间的交互;③采用虚拟仿真系统，客户可以在电脑上通过鼠标键盘在室内空间漫游，但不是720°沉浸式体验。

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是在计算机仿真技术、计算机图形学、计算机视觉、人工智能、多媒体技术以及传感技术的基础上综合发展起来的。虚拟现实技术有3个基本特征：沉浸感、交互性和构想性。沉浸感是指通过计算机的超逼真模拟，使用户产生融入虚拟世界的幻觉，成为虚拟世界主动的参与者，甚至可以通过操控改变虚拟世界中的虚拟物体。交互性指用户通过VR交互设备与虚拟环境中的对象进行交互，操作虚拟物体和从虚拟环境中得到反馈。虚拟现实技术强调人机交互的自然性，但是交互实现需要强大的硬件系统支持。构想性是用户在虚拟环境中构想虚拟的体验过程。虚拟现实具有十分开放的构想性，用户沉浸在虚拟环境中，除了体验真实的自然感觉，还可模拟某些不可能发生的体验。

虚拟现实技术主要应用于游戏、教育、医疗、旅游、房地产、仿真等领域。虚拟现实技术也用于室内家装领域，但仅限于漫游系统。

本文基于虚拟现实的3个特征，利用虚拟现实技术为室内家居设计提供了一种全新的模式。通过构建虚拟的三维环境，在虚拟环境中构建三维室内场景，借助虚拟现实头盔、手柄等硬件设备，客户可以沉浸在虚拟的室内场景中，身临其境体验室内设计风格。将传统室内设计中经常出现的问题作为关切点，通过虚拟现实技术，真实地呈现设计完成后的效果。客户不仅可以在虚拟现实中体验不同的设计风格，选择适合自己需求的室内设计方案，还可体验日常家居生活。

设计步骤：先根据某一楼盘的户型图进行平面设计，然后分析和记录需要用到的家具家电等硬装饰、软装饰以及室内场景，并进行等比例建模;再根据设计要求为模型制作贴图;最后将这些模型及贴图导入到Unity3D开发平台，对H7C Vive虚拟现实设备编程，实现室内家居设计操作。

2系统开发步骤

2.1室内模型设计

室内建模工作主要包括户型结构模型和家具、家电、装饰物等模型创建，采用3Ds Max作为建模工具，所建立的模型需要满足以下几个技术要求：

（1）在3Ds Max中设置1单位等于1cm，显示单位为m，按照1：1的比例制作模型，保证体验者在VR设备中看到的室内场景符合正常视觉比例。模型完成后导出，与Unity3D进行数据交互格式为fbx，导出单位为cm，这样把fbx导入到Unity3D中的模型比例就是1：1，不需要再作缩放匹配处理。

（2）建模方式一般采用多边形建模，模型面数不宜过多，否则影响在Unity3D中的实时渲染速度。模型制作完成后，需要检查是否是三边面或四边面，是否存在虚焊的点或孤立点，模型的法线方向是否正确等，模型检查完成后一般需要整理一下历史纪录。

（3）为了正确显示场景中的模型贴图，一般需要对模型展开UV，根据正确的UV制作贴图。常用的贴图种类有：漫反射贴图表现物体表面的颜色和反射，凹凸贴图可以增加模型的立体感，但不改变模型的形状，法线贴图用来定义模型表面的倾斜度，高度贴图是一种黑白图，用来定义模型表面的高度，高光贴图用来表现模型在光线照射条件下其表面属性的质感，AO贴图用来模拟模型各个面之间的距离，生成环境遮挡贴图。这些不同类型的贴图根据实际情况而定，并不是每个模型都需要所有的贴图。

（4）贴图的长度、宽度一般为2ⁿ个像素，这是便于在Unity3D中优化使用。

2.2PBR技术应用

为了提高模型的真实性，在将模型导入到Unity3D后，利用物理动态渲染技术处理材质、环境、灯光。基于物理的渲染（Physically Based Rendering，简称PBR）是一种着色与渲染方法，现在的PBR算法支持Cook Torrance Microsoft的BRDF理论，并在直接照明与间接照明的Shading Model中使用。PBR是基于真实世界光照物理模型的渲染技术，使用一种更符合物理学规律的方式来模拟光线，达到更真实的渲染效果，可直接调节物理参数生成新的PBR贴图传递给Shader，大大提升了贴图的适用范围和工作效率。

在Unity3D中使用PBR材质流程如图2所示：在3DsMax中制作低精度模型，然后正确展开模型的UV，把低精度模型输出到ZBrush进行雕刻，生成高精度模型。在Sub-stance Painter中把低精度模型和高精度模型导入烘焙法线贴图、AO贴图等。在Substance Painter中导入低精度模型，绘制base color贴图、金属度贴图、粗糙度贴图。把上面的各种贴图在Substance Designer中制作PBR材质，生成sbsar文件。把sbsar文件導入到Unity3D后即可动态生成PBR贴图。

2.3系统功能开发

系统采用Unity3D作为开发引擎。Unity3D引擎是一款跨平台的开发引擎，常用于游戏开发，随着虚拟现实技术的成熟和虚拟现实设备的推出，现在也用于虚拟现实领域。基于Unity3D游戏引擎开发的室内家居设计为设计者与客户之间提供了一种直观便捷的沟通方式，客户可在虚拟的室内设计场景中720°全方位体验设计效果。

使用Unity3D开发的室内家居体验系统，一是要创建一个逼真的虚拟环境，使人能产生沉浸感、构想性，二是要实现体验操作，使人能与虚拟环境进行交互。

利用Unity3D的实时渲染，能产生真实世界的光影效果，对于提升沉浸感至为重要。Unity3D通过在三维场景中放置Light Probe光照探头捕捉各个方向的光线，实现可移动物体接收间接光功能。通过放置Reflection Probe反射探头，使室内物体获得周围环境的反射信息，光照探头和反射探头都可使场景的光影效果更为真实，如图3、图4所示。

利用Unity3D的脚本功能可以实现虚拟现实交互操作。通过编写C#代码，客户可使用HTC Vive手柄触摸板实现瞬移操作，在虚拟室内场景中任意漫游，从各个不同角度体验设计效果，就像在真实的样板房中体验一样。客户也可使用手柄上的握持按钮，按照自己的想法摆放家具以及装饰物品，这是传统的样板房、效果图或者漫游动画难以实现的体验操作。客户还可通过手柄上的扳机实现灯光的开关控制，体验在不同光线亮度下室内设计的效果。客户甚至可以像真实的家居一样进行开启煤气灶、开关门、淋浴等身临其境的操作。

2.4系统操作

系统采用一台高性能的计算机作为主机（CPU为E51620v2，显卡为Nvidia 1070）和H7C Vive虚拟现实设备，体验者在激光定位器的有效范围内（一般3m*3m即可），头戴HTC Vive头盔，使用HTC Vive手柄作为人机交互工具，在虚拟室内环境中进行沉浸式体验操作，如图5所示。

3结语

基于虚拟现实技术的室内家居设计体验系统是新技术与传统室内设计的结合，该系统实现了室内设计的虚拟仿真，突破了传统室内设计时间和空间的限制。通过虚拟现实的室内家居设计体验系统，在设计者与客户之间提供了直观的沟通桥梁，一方面设计者可以把自己的设计思想、设计理念传递给客户，另一方面客户也可以把自己的个性化需求反馈给设计者，本文为虚拟现实技术在现代室内家居设计中的应用提供了可借鉴的思路。