基于虚拟现实技术的环境艺术设计系统研究

秦俊晖

摘  要： 针对传统的环境艺术设计系统场景切换时间慢的情况，将虚拟现实技术应用到环境艺术设计系统构建中。在分析环境艺术设计特征的基础上，构建硬件系统框架，主要设计了采集器、控制器、处理器和数据接口。在此基础上，采用Matlab运算软件对系统中的不同数据进行格式变换，采用二值转换算法获取到格式后的环境数据，完成基于虚拟现实技术的环境艺术系统设计。实验对比结果表明，此次构建的基于虚拟现实技术的环境艺术设计系统比传统的场景切换时间快，能够在短时间内完成系统内各个场景的切换，具备极大优势，证明了该系统具备有效性。

关键词： 虚拟现实技术; 环境艺术; 设计系统; 切换时间; 场景切换; 运行效率

中图分类号： TN99?34; TP391                     文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）13?0092?03

Study on environmental art design system based on virtual reality technology

QIN Junhui

（Institute of Information Technology of GUET， Guilin 541001， China）

Abstract： In view of the slow scene switch of the traditional environmental art design system， the virtual reality technology is applied to construct the environmental art design system. The framework of the system hardware is constructed on the basis of the characteristic analysis of the environmental art design. The system hardware is the core of the system， which consists of collector， controller， processor and data interface. On this basis， the different data formats in the system are transformed by Matlab operation software， and the binary conversion algorithm is adopted to obtain the formatted environmental data to complete the design of environmental art system based on the virtual reality technology. The results of contrastive experiments show that the environmental art design system based on the virtual reality technology can switch faster than the traditional system， and can complete the scene switch in a short time. Therefore， it has great advantages and proves the system effectiveness.

Keywords： virtual reality technology; environmental art; design system; switch time; scene switch; operational efficiency

0  引  言

環境艺术设计受到多种因素影响，如果环境艺术设计中存在一定的问题，会导致设计成果达不到预期，同时，传统系统表现力差，会导致设计艺术理念出现偏差和设计方向错误。因此，构建一个基于虚拟现实技术的环境艺术设计系统来解决目前存在的问题。由于虚拟现实技术具备的特性，其应用范围也非常广，在设计领域、军事领域、医学领域等都得到了广泛的应用。虚拟现实技术是一种具备交互特征的虚拟世界为中心的计算机仿真技术，通过计算机的计算力生成可交互、实时动态的三维立体，给用户带来一种沉浸式体验。通过将虚拟现实技术应用到环境艺术系统设计中，能够提高环境艺术设计的逼真性和快速性，促使环境艺术设计走向更高的层次。

通过分析目前环境艺术设计的基本要求，将虚拟现实技术应用到环境艺术设计系统中，该系统硬件中包括环境模块和全局控制模块，软件主要实现系统中的数据处理以及存储。实验对比结果表明，此次设计的系统比传统系统场景切换的响应时间短。在环境艺术设计中使用虚拟现实技术能够创造出良好的三维虚拟环境，使用户对设计方案有更多的认识，加快环境艺术设计行业的发展。

1  环境艺术设计系统硬件设计

此次设计的环境艺术设计系统硬件以提高系统运行速度作为目标，主要对系统中的各个功能进行管控，硬件框架如图1所示。

图1中，设计系统选用的采集器为TDAD8585型号采集器[1]，该采集器主要对环境数据进行采集，实现场景的仿真效果。采用ARM Cortex?A8处理器，该处理器效率高，处理器速率能够在600 MHz到超过1 GHz的范围内调节，满足系统功耗的需求。结合1个63位DSP处理单元[2]，对串流应用有较高的加速能力，适用于环境艺术设计系统。

同时，为保证该系统的场景切换速度，设计控制器对系统各个场景切换进行控制，该控制器中采用型号为TK?08A0的控制电路板[3]，该电路板支持AM3接口的AMD系列处理器，并与内存插槽[4]相结合，提高了系统扩展能力，控制器如图2所示。

该控制电路板中配置1～4个处理器，保证在频率不变的情况下，提高控制器的性能。在实际使用时，采用总线接入系统的方式，并且在该控制电路板外围具有多个分线，将其与系统进行连接，接入到CPU[5]中。在控制电路板开启时，操作系统内的音效、音乐、场景起始、场景切换等，系统中的各个场景切换通过该控制器完成，并添加脚本，实现各个场景之间的数据交换。在此基础上，将OSG接口与控制器结合，当系统处于工作状态时，控制器将与OSG系统相连接，使用该接口省去插件环节，并且该接口中存储各种场景，底层框架优秀，在具体使用时只需要在平台上重新编译。将场景控制转换要求发送到调试设备上，通过该控制器对系统进行控制，满足系统场景切换的速度要求。

2  环境艺术设计系统软件功能设计

传统环境艺术设计系统分析真实环境图数据格式能力较低，对环境模型塑造不完全，所以将初始图中的数据进行处理。环境艺术设计系统中的各个数据杂乱无章，所以对初始图数据进行修正，得到相同区域的网格数据[6]，对环境艺术设计中的不确定点数值实时预测，通过临近的已知点进行加权计算，计算公式为：

式中：[di]为加权函数;[c]为已知环境的数量;[vi]为环境艺术设计系统中的不相邻场景间的距离。在环境艺术设计系统中，各个场景间的分布情况不同，会对数据产生不同干扰作用[7]，因此对环境艺术设计系统中的数据进行数据转换，加强系统的稳定性。数据转换流程图如图3所示。

采用Matlab运算软件[8]对系统中的环境数据实施数据格式变换，首先将系统中的环境数据存到BIN文件[9]中，采用二值转换算法[10]获取到格式后的环境数据，计算公式为：

在上述数据转换完成的基础上，构建数据库，基于虚拟现实技术的环境艺术设计系统除基本环境数据外，需要包括环境的地理信息和属性信息的特征数据，以此塑造环境艺术设计系统库，确保创建的虚拟环境逼近真实环境，其中涵盖地理纹理特征。

数据库构建流程如图4所示，对环境艺术设计系统中的数据库实施管理，对数据库进行层次操作[12]，对场景的应用程序进行高层次调控。通过该数据库，为环境艺术设计过程提供场景规划依据，并将所有的场景进行科学分配，提高各个环境之间的协调性。避免在系统视景元素的位置產生间断问题，发生抖动或者场景跳变问题。因此，为了保证场景数据的精准度，对系统中的数据库原点实施重置[13]，准确描述各个场景位置[14]，并控制区域列表，对系统中的环境元素进行组织和汇总管理，使数据库中的数据元素在场景中实现观测，保证系统在筛选和渲染前过滤掉不显示的元素[15]，以提高环境艺术设计系统的运行效率。

3  仿真实验

3.1  实验环境设计

为证明基于虚拟现实技术的环境艺术设计系统的实际效果，进行仿真实验。选择传统环境艺术设计系统进行对比测试。主要对比两个系统的场景切换响应时间，为使实验更具真实性，对实验环境进行设计，该测试环境中包含测试过程中的硬件环境和软件环境，测试环境如表1所示。

3.2  场景切换时间对比

在上述设计的环境下进行实验，对比两个系统的场景切换响应时间，进行4次实验，将每次实验间隔控制在2 h，保证在下次实验时不会对实验产生影响，实验结果如图5所示。

通过图5能够看出：在第一次实验时，传统系统场景页面响应时间为25 s，本文设计的系统响应时间约为4 s，较传统系统低21 s;第二次实验时，传统系统响应时间为18 s，本文设计系统为5 s，比传统系统低13 s;第三次实验，传统系统场景切换响应时间约为31 s，本文设计系统响应时间约为3 s，较传统系统低28 s;第四次实验，传统系统的场景切换时间高达35 s，本文设计系统约为8 s，较传统系统降低27 s。

通过上述对比实验能够证明，本文设计的基于虚拟现实技术的环境艺术设计系统场景切换响应时间比传统系统响应时间少，而传统的场景切换时间过长，降低了用户使用系统的好感度，限制了系统的发展。

通过上述实验能够看出，基于虚拟现实技术的环境艺术设计系统在短时间内就能够完成各个场景之间的切换，实用性能强。

4  结  语

本文构建了一个基于虚拟现实技术的环境艺术设计系统，对该系统的硬件与软件进行了设计。硬件设计主要实现对整个系统的控制，加快系统的运行速度，软件主要实现整个系统内的数据整合，减少系统的响应时间，增强与各个环境之间的协调性。通过实验证明，本文系统比传统系统的场景响应时间短，大大减少了各个场景之间的切换时间。通过该系统能够营造出更加逼真、生动的虚拟环境，使用户在触觉、视觉、听觉上都得到体验，加深用户记忆，增强虚拟环境的画面感。同时，能够帮助设计师设计出更优秀的作品，满足人们的实际需求，并且能够准确预算设计所需资料，控制施工成本。

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