图像处理和虚拟现实技术的室内设计系统

田杨

摘  要： 由于传统的室内设计系统场景再现能力有限，支持的场景范围较小，为此，提出图像处理和虚拟现实技术的室内设计系统。系统硬件是由图像处理模块、虚拟仿真模块、数据库支持模块组成，主要负责处理图像信息。在Qt 5.9.6环境下开发系统软件，并采用Visual Studio 2015完成室内设计系统软件运作流程的设计。考虑到系统界面设计的仿真效果，利用Qt 5.9.6软件编写模型规则编码，最后采用在32位Windows 7操作系统、显卡为NVIDIA GeForce 9800 GT、内存为4.00 GB的计算机环境下，分别测试两个室内设计系统支持的场景范围，实验结果表明，所提系统支持的场景范围更广，更符合设计需求。

关键词： 室内设计系统; 图像信息处理; 虚拟现实技术; 室内场景仿真; 软件开发; 系统测试

中图分类号： TN911.73?34; TP391.9                 文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2020）13?0062?03

Interior design system based on image processing and virtual reality technologies

TIAN Yang

（Department of Communication and Animation， Tangshan University， Tangshan 063000， China）

Abstract： Since the traditional interior design systems are of limited scene reproduction ability and small supported scene range， an interior design system based on image processing and virtual reality technologies is proposed. The system hardware is composed of image processing module， virtual simulation module and database support module， which is mainly responsible for the image information processing. The system software is developed in the Qt 5.9.6 environment， and the software operation process of the interior design system is designed with Visual Studio 2015. In view of the simulation effect of the system interface design， the software Qt 5.9.6 is used to compile the model rule code. The scene ranges supported by two interior design systems are respectively tested by the computer with Windows 7 32?bit operating system， NVIDIA GeForce 9800 GT graphics card and 4.00 GB memory. The experimental results show that the scene range supported by the proposed system is wider and more in line with the design requirements.

Keywords： interior design system; image information processing; virtual reality technology; interior scene simulation; software development; system test

0  引  言

室内设计系统是一个重要的研究领域，若能提高室内设计效果，即可在图片检索和视频检索领域中发挥重要的作用。常规的室内设计系统容易受到光照和噪声的影响，无法对室内场景进行精准的分类[1]。为此，本文提出图像处理和虚拟现实技术的室内设计系统。图像处理技术和虚拟现实技术成为近几年计算机应用领域的热点，因其沉浸效果明显，具有场景再现的能力，已被广泛应用于各个行业。虚拟现实技术利用人机互动理念将构思仿真成可见的场景，用户可以通过辅助手段在场景中实现飞行和行走等操作。图像处理技术通过计算机处理图像信息实现图像分类，在处理方法上具有处理范围广、精度高等优势。

通过深入学习和研究，整理了室内设计系统的基本框架，为改善室内场景图像分类效果，做了一些前期准备，将图像处理技术应用到室内场景分类上，在此想法上，从场景结构学角度出发，对子类目标进行分类，研究当前图像分割的基本原理。再从室内场景结构的角度，利用虚拟现实技术对室内场景图像进行仿真，考虑到室内色彩、装饰和陈设等要素。硬件设备选用建模设备、三维视觉显示设备、交互设备传递虚拟环境，用多媒体计算机作为硬件环境，完成室内系统硬件的设计。软件则选择具有伸缩性的Qt 5.9.6软件，再采用Visual   Studio 2015的标记语言组合不同的场景，具体操作步骤如下。

1  硬件结构设计

室内设计系统是基于图像处理技术和虚拟现实技术开发的，包括三个主要模块，室内设计系统硬件框架如图1所示。

室内设计系统是由图像处理模块、虚拟仿真模块、数据库支持模块组成。各模块具体功能如下：

图像处理模块是系统的核心模块，主要表现为两个方面：一方面是图像中的目标检测;另一方面是图像描述和识别分类[2]。图像目标检测负责处理图像信息和恢复图像真实信息，目的是过滤无用信息，增强图像有关信息检测的可能性。图像描述负责去除冗余信息，先提取图像特征，辨识目标，再对目标进行进一步利用[3]。

虚拟仿真模块是根据规定室内建设功能划分的，分为以下几种：

建筑类模型：不同风格、不同高度。

植被模型：不同种类、不同型号。

家具类模型：床、桌子、家电。

小品类：凳子、花盆、衣架。

标识类：区域标识模型。

画刷纹理模型：地砖画刷、墙体画刷。

用户在操作时，需要从素材库中拖拽模型图片到相应位置，为保证硬件设备流畅性，需要匹配地形网络和地形网格。在虚拟场景中，将区域地形制作成500 m×500 m的规格，为适应地形和模型的匹配，在规划时需用素材模型进行统一制作，以此防止模型形状差距过大[4]。在3D MAX 9.0建模环境下创建特征模型支持模块，遵循工程项目建模规范，制作虚拟室内场景模型，该数字模型主要包括非规划数字模型和规划区数字模型这两个部分，两个性质场景是并存的[5]。在进行规划区场景模拟时，需要将其作为规划设计的主要部分，利用模型编辑和纹理绘制等功能对其进行网格化处理。非规划区只作为参考使用，为不干扰用户的操作，在设计上采用特征模型支持网对其进行网格化处理[6]。数据库支持模块负责为用户提供更大的空间，利用存储的模型属性数据建立大量的模型，帮助用户管理素材模型进行属性信息查询等[7]。

2  软件功能设计

室内设计系统的软件设计是在Qt 5.9.6环境下开发的，将Visual Studio 2015作为软件开发的编写工具，具体实现步骤[8]如下：安装Visual Studio 2015和Qt 5.9.6软件;再将Qt 5.9.6嵌入Visual Studio 2015中，直接在Visual  Studio 2015中新建項目，即可在编写方案软件的界面输入相关代码;再安装OpenCV 3.4.0，完成安装配置[8]。室内设计系统软件运作模式如图2所示。

软件具体运作流程如下：

获取多帧图像，将得到的多帧连续图像进行阈值二值化处理，并生成虚拟仿真图像，进行积分处理得到滤波后的图像，提取轮廓按照轮廓大小进行排序，筛选目标，计算图像模型的质心坐标[9]。当设计人员打开摄像头按钮时，CCD相机会将采集到的室内图像进行标注，这样在进行处理时，就可以将原始图像划分为具体目标，提取分割图像的精确信息[10]。最后进行模型设计，将前期策划的设计构思表现成虚拟仿真图像，按照1∶20的比例制作[11]。在界面设计上，为增强模型的逼真程度，需采用Visual Studio 2015对每一个模型按照以下规则进行编码，见表1。

应用表1制作编码，并上传到系统中，数据量是系统运行速度的关键，模型精度越高，系统的数据量也会随之变大[12]，在进行规则编码时，需采用CAD/CAM编写软件对模型属性进行数据管理[13]，见表2。

表2是在Qt 5.9.6环境上创建的，存取路径对用户是透明的[14]。

综合上述设计流程，完成室内设计系统软件开发的设计。

3  仿真实验

为确保系统程序满足应用需求，需对室内设计系统所有特性和功能进行实验，测试内容如下：检测系统的场景支持状况，为保证实验具有说服性，利用传统的室内设计系统与图像处理和虚拟现实技术的室内设计系统进行对比实验。

3.1  测试内容

为确保室内设计系统达到理想状态，实验中需要依据测试指标检测系统的所有特性和功能是否以期望的方式运行，图像处理和虚拟现实技术的室内设计系统和传统室内设计系统的测试内容为场景的支持状况。实验中使用的功能模块实现状况主要有：

1） 场景漫游：为了迎合用户的操作习惯，在系统设计时制作了单点导航界面和触控手势操作，这样人性化的操作方式可以让用户在虚拟社区中加入观看视点和角度。

2） 素材库：即为系统虚拟仿真模块，负责为用户提供模型素材，在设计过程中，用户可以使用拖拽的方式添加任意模型。

3） 属性查询：即为系统软件添加模型属性和查询信息的录入情况。

3.2  结果与分析

实验在以下计算机环境中进行测试，32 位 Windows 7 操作系统，显卡为 NVIDIA GeForce 9800 GT，内存为 4.00 GB。在该计算机环境下测试传统的室内设计系统和本文设计的室内设计系统的场景支持情况。测试结果如表3所示。

分析表3可知，传统的室内设计系统场景支持范围较小，测得的总面积为300 m2，仅有建筑模型和家具模型这两类属性信息，而使用图像处理和虚拟现实技术的室内设计系统的场景支持范围总面积为700 m2，共有家具模型、画刷纹理模型、标识模型、家具模型这四类，在测试中，系统运行正常。

从实验结果可以看出，本文所提的室内设计系统测试场景范围更广，能够满足设计需求。

4  结  语

为解决传统室内设计系统存在的问题，本文提出图像处理和虚拟现实技术的室内设计系统。该系统兼顾虚拟仿真技术和图像分类两个领域的应用，既满足了用户参与规划的需求，又能很好地把握住房和周边环境的协调关系。该系统的顺利运行，表示现阶段这种适用两个领域的室内设计系统已在规划设计领域中被广泛应用。

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