基于VR技术的景观建筑复杂场景虚拟生成算法
2023-09-20孙杨,张贺
孙 杨,张 贺
(长春工业大学人文信息学院,吉林 长春 130122)
1 引言
虚拟现实(VR)是一种新兴的信息技术,是为了展示特定的活动所采用的一种认识方式,它可以建立虚拟世界[1,2],给人一种身临其境的感觉。景观作为一个包含建筑的高度复杂有机系统,若将VR技术融入到景观建筑的设计创作中,不仅能够激发设计者对景观建筑的想象力,还可以让抽象的建筑不再古板[3-5]。基于VR技术,不仅把虚拟和现实融合了起来,还把人类和建筑连接了起来,通过数据资源的共享,可以将新一代智慧建筑与城市发展引领到一个新高度,因此对景观建筑的VR技术进行研究具有重要意义。文献[6]通过建筑信息模型中的软件绘制出虚拟的模型样板,再对灯光和材质等进行渲染处理,将绘制的动画以avi格式导出,结合VR技术实现动态的工程空间,该方法可以很好地解决因管线等环境因素引起的施工安全问题。文献[7]对分形地形的三维地形技术进行了重点介绍,利用中点位移中的菱形建模方法构建地形模型,结合VR技术实现地形的模拟,该方法取得了一定的预期效果。文献[8]将建筑信息模型中的模型库转换到VR模型库中,设计出建筑信息模型与VR协同的子系统,主要包括前期的准备工作与协同采购、施工等部分内容,让设计师和消费者切身感受到建筑实体的存在。
VR技术在综合分析和结果预测方面具有明显优势,但在景观建筑的复杂场景中应用还不是很成熟,需要进行进一步地发掘。基于以上研究,本文对建筑的生成规则进行了分析,并构建了景观建筑模型的实现方法,通过VR技术将构建的模型展示出来。
2 景观建筑虚拟建模方法
2.1 基于约束的过程化建模
景观建模的主要任务是收集建模数据,景观建模的数据主要有:二维图形、地表图形和模型表面纹理等。随着景观模型的多样发展,由于近年来建筑风格各异等原因导致获取数据难度增加,为了降低建筑建模过程中的数据利用率低等问题,提出数据属性分析模型,如图1所示。
图1 数据属性分析模型
该模型对景观建模过程所需要的数据来源等进行了综合考虑,因为不同数据对建模的影响作用是不同的。例如,属性主要是对元数据的ID标号或采集方式等进行说明,对模型的建立起到辅助作用,能够真实的体现出数据是否规范。
以输入数据的特点对建模的真实感因素进行分析,分别从几何和视觉两方面入手,提高模型的真实感,增强真实感模型的规则集如图2所示。
图2 增强真实感规则集
以上的规则用于景观建筑建模时的不同算法中,例如通过生成高度规则对建筑高度进行挤压形成建筑模型,可以增加几何的真实感;通过几何分块与纹理选择规则对建筑纹理进行映射,可以增强视觉感。
由于输入的数据中没有高度属性,导致建模时缺少模型的三维信息,因此采用自定义的高度生成规则,利用程序化方法生成建筑的高度值,并且通过标定平台为建筑增加建筑类型和建筑层级两种属性。其中建筑类型属性可以确保建筑的特殊性;建筑层级属性不仅可以确保建筑间不会存在较大的高度差,还可以保证纹理贴图的合理性。根据建筑属性生成建筑模型的高度,建筑高度范围用公式可表示为
(1)
其中,Hmax和Hmin分别表示建筑的最大高度与最小高度;Atype表示建筑类型属性;Aleve表示建筑层级属性。除了建筑类型和建筑层次属性外,建筑高度还受环境等其它约束条件影响,基于此提出通过随机方式计算建筑高度的方法,公式可表示为
(2)
考虑到建筑四个立面纹理不同的可能性,采取将几何模块与纹理贴图相结合的方法。通过自定义规则先将建筑立面分割成块单元,然后按照要求将纹理映射到块单元上,增强视觉的真实感。由于神经网络具备将各个单元连接,并构成复杂网络的功能,因此将神经网络应用到景观建筑模型的纹理选择学习中,公式可以表示为
(3)
其中,y表示学习模型选择的合适纹理图片;F表示激励函数;ui表示模型的输入;αi表示不同输入属性下的权值大小。当输入数据属性不同时,神经网络的输出和对建筑模型影响也是不同的。
对立面块的正面、背面、左面和右面四个不同方向,选择不同的纹理图案进行映射,确保不同类型的建筑可以获得对应的纹理图案,纹理图案以Atyp_Alev_Anum_Adir.jpg方式命名。其中Anum表示纹理在该建筑类型中的编码;Adir表示立面的四个方向。结合建筑的高度和纹理命名规则,确定出建筑的纹理库范围,公式可表示为
(4)
其中,Y表示随机数中选取的随机值;Rmax表示随机函数产生的最大值;N表示可选取的素材。通过建筑生成规则和纹理选择规则,不仅可以实现景观建筑模型的构建,还可以使建筑模型具有较强的真实感,为复杂的数字景观建模提供基础。
2.2 景观布局估计
为了尽可能生成逼真的景观建筑三维模型,需要对场景布局等信息进行恢复。采用目标检测算法对建筑内的物体进行识别,通过目标检测结果对物体进行布局结构的估计。首先将三维空间中的物体投影到二维空间中,通过对布局的调整寻求最优的布局解。就场景中的单个物体而言,目标函数为
(5)
其中,L(·)表示二维空间中两个区域的重叠概率;h表示目标检测结果;O(·)B表示投影函数;H和l分别表示三维空间中的物体信息和物体旋转信息;P表示参数。对于场景中的多个物体,不仅需要对各个物体在二维空间中的目标检测结果进行考虑,还需要对各个物体空间的重叠问题加以考虑。多个物体空间布局目标函数为
(6)
其中,式(6)的第一项表示二维空间中各物体与目标函数检测结果的偏离情况;第二项表示三维空间中两物体的重叠概率。通过调节参数ϖ,可以确保三维空间中各物体不重合,符合现实场景中所满足的物理原则。
为了使建筑内物体布局更加准确,设计优化方法。通过从二维空间获得的信息,可以使景观空间包围盒生成更加精确的数据,公式为
(7)
(8)
3 VR设计系统
为了使VR设计库能够规模化,通过VR场景进行建筑模型的转换,在构建景观建筑模型的基础上,结合VR构建快速生成技术,将建筑模型转换为VR场景中的构件。在将建筑构件转换成VR数据库后,利用VR模型库在VR设计系统中建立虚拟场景,主要为辅助场景、跨端协同与漫游展示3部分的设计。利用VR技术将3D建筑模型形象的展示给设计者和客户,让他们充分感受到与建筑的真实交互。VR技术景观建筑的设计框图如图3所示。
图3 设计框图
3.1 场景辅助设计
利用HoloLens虚拟现实设备与Unity技术相结合,通过Windows平台生成虚拟场景,进行HoloLens的开发。在HoloLens中为使用者提供了可以获取手势位置与速度、设置手势等相关的API,因此使用者可以根据需求制定不同的手势。本文从创建手势实例、订阅手势事件等方面对手势进行开发。建筑设计师通过携带HoloLens进行手势操作,可以实现VR场景内建筑构件的替换或纹理贴图的替换,有利于设计师直观地对方案做出理想的设计。VR场景辅助设计如图4所示。
图4 场景辅助效果图
3.2 跨端协同设计
虚拟现实设计不仅可以在电脑端使用,还有可以在移动端中使用,因此采用HoloLen设备在PC端展示各种建筑类型,实现资源的共享。在软件配置环境下,通过无线连接方式实现HoloLens与终端设备间的跨端协同展示,在一定程度上提高建筑设计师的工作效率。
通过空间锚可以对建筑空间的某个位置进行操作,也可以实现多用户间的视野共享。利用开发工具导出一个共享锚,并将数据导入给其他用户,通过对第三视角的开发,获取建筑的虚拟画面,并将其展示给佩戴VR的使用者。如图5所示。
图5 跨端协同效果图
3.3 漫游展示设计
VR漫游展示可以让使用者在景观建筑中有一种身临其境的感觉,能够自由行走。在设计过程中,利用云端VR模型库中的不同建筑类型场景,使用者可以通过佩戴HoloLens漫游在建筑的3D模型中,甚至可以对建筑房屋的门窗打开或者关闭,体验建筑所带来的真实感觉。如图6所示。
4 仿真与结果分析
为了对景观建模结果进行评估,验证基于VR技术的景观建筑复杂场景虚拟生成算法的可行性,本文在3DGP数据库上进行实验,选择空间重叠率与平均精度值作为景观建筑布局的评价指标,并将本文算法与3DGP算法进行对比。实验结果如表1所示。
表1 物体布局估计结果
从表中可以看出,本文算法与3DGP算法相比,对建筑内的物体布局具有一定的提升效果,尤其是对真实图像中物体的空间布局与定位更加准确,表明本文算法具有更加合理的布局结果。
为了展示景观建筑虚拟建模方法所构建的场景,将本文算法与3DGP算法进行对比,结果如图7所示。
图7 场景布局对比结果
从图中可以看出,采用本文算法的模型中,床和椅子的位置更贴近于原图,表明采用本文算法构建的三维空间场景布局更加合理,布局效果更好。
5 结束语
虚拟场景的生成是VR技术的核心内容,它依赖于观察者的沉浸感与真实感。若场景太简单,会使观察者感觉到虚假;若场景太复杂,会影响实时性。因此围绕建筑模型的构建问题,提出基于VR技术的景观建筑复杂场景虚拟生成算法。本文对景观建模过程所需要的数据来源等进行了综合考虑,分别从几何和视觉两方面入手,提高模型的真实感。同时对场景布局等信息进行恢复,使景观建筑三维模型生成地更加逼真。结合VR构建快速生成技术,将建筑模型转换为VR场景中的构件。为了验证本文算法的可行性,在3DGP数据库上以空间重叠率和平均精度值作为评价指标与3DGP算法进行对比,实验结果表明,本文算法构建的模型更加逼真、更加合理。