基于三维建模的室内景观设计系统设计

汤喜辉

摘  要： 针对传统室内景观设计系统立体图像设计水平较低的问题，设计一种基于三维建模的室内景观设计系统。硬件部分通过插补器、感知器、传感器的设计实现了室内景观设计系统的动画与交互功能;通过三维视觉图像重建模块、VRLM浏览器模块的设计实现室内景观的三维重构，完成软件部分的设计。将硬件部分与软件部分结合建立基于三维建模的室内景观设计系统。为了验证该室内景观设计系统的设计水平，将该室内景观设计系统与基于ArcGIS Engine的室内景观设计系统、基于Unity3D的室内景观设计系统进行对比实验。实验结果表明，三种室内景观设计系统的立体图像设计水平分别为86.97%，46.72%，62.34%。通过比较可知，基于三维建模的室内景观设计系统的立体图像设计水平最高，证明了该系统的优越性。

关键词： 室内景观设计; 三维建模; 交互功能; 场景重构; 参数设定; 对比分析

中图分类号： TN911?34; TP391                   文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）04?0173?03

Design of interior landscape design system based on three?dimensional modeling

TANG Xihui

（Henan University of Urban Construction， Pingdingshan 467036， China）

Abstract： An interior landscape design system based on 3D （three?dimension） modeling is designed to improve the low level of stereo image design of the traditional interior landscape design system. In the hardware part of system， the animation and interactive functions are achieved by the design of the interpolator， the perceptron and the sensor. The 3D reconstruction of the interior landscape is realized by the design of 3D visual image reconstruction module and VRLM browser module. The design of the software part is completed， and the interior landscape design system based on 3D modeling is established in combination with the hardware part and the software part. The interior landscape design system is compared with the interior landscape design system based on ArcGIS Engine and the interior landscape design system based on Unity3D to verify the design level of the indoor landscape design system. The experimental results show that the 3D image design level of the three interior landscape design systems is 86.97%， 46.72% and 62.34%， respectively. By the comparison， it can be seen that the 3D image design level of the interior landscape design system based on 3D modeling is the highest， which proves the superiority of the system.

Keywords： interior landscape design; three?dimensional modeling; interactive function; scene reconstruction; parameter setting; contrastive analysis

0  引  言

当建筑的室内环境面积较小且较为简单时，可以利用传统的室内景观设计系统绘制室内景观的平面图像，对建筑的室内景观情况进行描述与表现。而当建筑的室内环境面积很大且过于复杂时，利用传统的室内景观设计系统往往无法直观表现室内景观的真实状况。难以将室内景观绘制成三维立体图像是传统室内景观设计系统的最大弊端[1]。为了克服这种弊端，在室内景观设计系统中引入三维建模技术。

三维建模技术是一种立体虚拟建模技术，其原理是利用相机进行360°环拍，从而掌握建筑室内景观的详细状况，然后利用计算机技术对建筑室内景观进行真实、立体的还原。作为一种先进的虚拟现实技术，三维建模技术的引入可以通过塑造立体的室内三维场景来实现建筑室内景观的立体展示与虚拟展示设计。因此提出一种基于三维建模的室内景观设计系统，通过生成图像的工作流程、分析结果拼接、信息数字化分析、全景信息记录等来实现室内景观的虚拟展示设计。基于三维建模的室内景观设计系统既可以对平面室内景观图像进行绘制，也可以通过三维建模生成立体的室内景观图像，并且通过三维建模能够为客户提供更加清晰、立体的室内景观细节，便于客户进行选择[2]。

1  系统硬件设计

基于三维建模的室内景观设计系统的硬件包括插补器、感知器、传感器[3]。通过插补器与感知器实现了基于三维建模的室内景观设计系统的动画与交互功能，利用感知器与传感器的节点并结合三维建模技术即可在系统中建立逼真而立体的三维模型，使浏览者能够身临其境地观察室内景观。基于三维建模的室内景观设计系统的硬件模块图如图1所示。

1.1  传感器设计

传感器的类型包括碰撞传感器、可见性传感器、接近传感器、平面移动型传感器、任意旋转型传感器、单轴旋转型传感器与触摸传感器[4]。这些传感器能够为室内景观三维模型中的物体与浏览者提供交互机制。而感知器能够以系统时钟与浏览者的动作为依据对相应事件进行触发，插补器则能够收集触发事件所产生的反应，并将这些反应传递给系统从而使室内景观三维模型能够对浏览者的操作作出反应，最终实现系统的交互功能[5]。传感器节点的类型则包括SensorSphere，SensorCylinder，SensorPlane。这三种节点能够输出对象移动方向与移动距离，当浏览者使用鼠标操作室内景观设计系统时，通过传感器节点的移动即可实现室内景观三维模型中某物体的移动。为了使传感器节点更加精准地感知浏览者的操作，需要对传感器节点的工作区域进行设定。为了使室内景观设计系统能够实现在特定的时刻触发特定事件的功能，还需要设置一个时间传感器对时间进行控制[6]。

1.2  感知器设计

感知器的类型包括Visibility与Collision。Visibility的作用是对感知器感知范围内的所有可见造型进行显示;而Collision 则能够在自身感知范围内获取各个节点与其替身的碰撞消息[7]。利用感知器的节点可以对室内景观浏览者的动作与行为进行感知。在室内景观的三维模型中，当这些节点被浏览者触碰时，它们会将被触碰的信号传递给自己的相邻节点并发出信号对自己的显示效果、形状或空间中的位置进行改变。

1.3  插补器设计

插补器以VRML 2.0插补器为主，可以实现室内景观设计系统的动画功能，主要以提供线性帧动画为主，自带完整的动画机制[8]。VRML 2.0插补器能够通过键点来实现其动画机制，这些键点对应着各自的关键状态，在利用浏览器对室内景观三维模型进行渲染时，根据这些键点的关键状态在室内景观三维模型中利用线性插值的方法即可生成场景相关动画。根据键点关键状态的不同数据类型可以将插补器节点分为六种类型，分别为：法向量插补器节点、坐标插补器节点、标量插补器节点、朝向插补器节点、颜色插补器节点和位置插补器节点。对于一些较为复杂的动画来说，则需要在Script节点中引入由Java或Javascript编写的程序脚本来实现[9]。

2  系统软件设计

2.1  三维视觉图像重建模块设计

基于三维建模的室内景观设计系统的软件包括三维视觉图像重建模块、VRLM浏览器模块[10]。三维视觉图像重建模块主要是利用三维建模技术对室内景观进行三维重构。该模块的待匹配点主要以单个像素点为主，利用[Ix，y]表示单个像素点，用[Lx，y，σ]表示室内景观的三维重构图像像素点，用[Px，y，Lx，y，σ]表示三维重构图像像素点的边缘轮廓特征量，那么室内景观三维重构图像的角点分布雅克比矩阵为：

[Jx，y，σ=PxPy=1      0       Lxx，y，σ0      1       Lyx，y，σ] （1）

利用直方图分解方法对矩阵进行直方图分解，可以得到室内景观三维重构图像区域属性块矩阵：

[M=Lxxx，y，σ      Lxyx，y，σLxyx，y，σ      Lyyx，y，σ] （2）

利用室内景观三维重构图像的区域属性块矩阵对室内景观进行三维场景重构，三维场景重构流程如图2所示。

2.2  VRLM浏览器模块设计

VRLM浏览器模块可以通过COSmoplqyermrl浏览器实现室内景观设计系统的静止查看模式与移动状态模式的自由切换。利用COSmoplqyermrl浏览器自带插件可以下载室内景观设计的相关资源[11]。当在室内景观设计系统中准确安置VRLM浏览器模块后，对其中的.wrl文件进行双击即可获取COSmoplqyermrl浏览器页面，并设置其中的三维场景。利用VRLM浏览器模块的控制面板可以對室内景观三维模型进行操作，可以分为审视观察模式与运动行走模式，并利用工具键进行模式转换[12?13]。通过硬件与软件的设计实现了基于三维建模的室内景观设计系统。

3  实验研究

为了检验基于三维建模的室内景观设计系统的有效性，设计对比实验进行验证。对比方案分别为：基于ArcGIS Engine的室内景观设计系统、基于Unity3D的室内景观设计系统、基于三维建模的室内景观设计系统。

3.1  实验参数

具体实验参数设置情况如表1所示。软件环境：SQL Server、Websphere软件;硬件环境：Jboss应用服务器、Java EE组件、Web体系架构。

3.2  实验过程

在Matlab Web平台上利用Jboss应用服务器、Java EE组件、Web体系架构加载基于三维建模的室内景观设计系统并对其进行初始化操作。对室内景观设计系统的立体图像设计水平进行检验，以RYS指标作为判断室内景观设计系统立体图像设计水平的依据。

3.3  实验结果

比较基于Unity3D的室内景观设计系统、基于ArcGIS Engine的室内景观设计系统和基于三维建模的室内景观设计系统的立体图像设计水平，对比结果如图3所示。

分析图3可知，基于ArcGIS Engine的室内景观设计系统的立体图像设计水平约为46.72%;基于Unity3D的室内景观设计系统的室内景观设计系统的立体图像设计水平约为62.34%;基于三维建模的室内景观设计系统的立体图像设计水平约为86.97%。通过比较可知，基于三维建模的室内景观设计系统的立体图像设计水平高于基于ArcGIS Engine的室内景观设计系统与基于Unity3D的室内景观设计系统，证明了基于三维建模的室内景观设计系统的优越性。

4  结  语

基于三维建模的室内景观设计系统通过三维建模技术的引入实现了室内景观设计，该系统的立体图像设计水平高于传统室内景观设计系统，在室内景观设计领域具有一定的可推广性。

参考文献

[1] 万彪，许春梅.基于三维视觉的室内景观虚拟设计方法[J].内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2017，46（6）：842?844.

[2] 曹满鑫，李杰，耿帅，等.基于激光雷达的三维室内环境信息采集与显示系统[J].电脑编程技巧与维护，2019（1）：123?125.

[3] 洪洲.基于Cityengine平台的CGA规则室内三维建模方法研究[J].测绘与空间地理信息，2017，40（9）：120?122.

[4] 靳鸽.基于三维视觉的室内景观虚拟设计方法研究[J].现代电子技术，2017，40（24）：112?114.

[5] 李潇泠.基于ARCGIS信息系统的三维建模：以加拿大建筑设计为例[J].城市建设理论研究，2017，22（30）：201.

[6] 吴国松.基于BIM技术的住宅建筑室内交互式设计系统构建[J].智能城市，2018，4（20）：42?43.

[7] 石岚，席睿波.计算机虚拟技术在城市景观规划设计中的应用与开发研究[J].自动化与仪器仪表，2018，15（6）：59?61.

[8] 董秋敏，孙凰耀，刘芳.室内景观设计中的视觉感官建模[J].现代电子技术，2018，41（2）：159?162.

[9] 魏育坤.基于Unity3D的虚拟现实交互系统的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2018，36（14）：45?46.

[10] 李加忠，程兴勇，郭湧，等.三维实景模型在景观设计中的应用探索：以金塔公园为例[J].中国园林，2017，33（10）：24?28.

[11] 张玲.计算机辅助设计软件在室内设计中的应用[J].信息系统工程，2017（9）：106.

[12] 祁长兴，刘峻杭.虚拟现实在室内设计中的实际应用[J].软件工程，2017，20（4）：1?3.

[13] 冉秋.3DMAX三维虚拟基础下景观设计技术的分析[J].数字技术与应用，2017（1）：153.