基于B样条辅助虚拟现实室内设计

田雅星，杨 柳

（河北传媒学院，河北石家庄 050000）

0 引 言

室内装饰效果设计是保障室内装饰用户满意度的有效方式，向用户展示了室内房屋结构、软装硬装造型、比例、材质等信息[1]。随着虚拟现实技术的发展，室内装饰设计突破了二维效果图设计的局限，基于三维模型从多个视角向用户展示室内设计效果[2]，使用户仿佛置身虚拟的现实体验中，感受室内装饰方案的优劣[3-4]。

为营造一个轻松、活泼的室内设计展示氛围，提出基于B样条辅助虚拟现实室内设计方法。目前，3DMAX 和Maya 是两种使用频率较高、设计效果较优的计算机动画设计软件，因此，本文设计虚拟现实室内效果时，主要采用3DMAX 构建室内场景与物体模型，采用Maya 设置场景灯光与环境氛围，两种计算机动画制作技术均发挥了各自的优势。根据渲染完成的室内场景与物体模型，设计相机路径，制作室内场景动画，最后用B样条基的形式对虚拟现实室内设计效果进行修复。采用本文方法设计的虚拟现实室内效果便于用户深层次、全面性了解设计师的意图和思想，整体把握装饰方案，利于快速修改与确定施工方案。

1 基于B样条辅助虚拟现实室内设计方法

作为一款3D 动画制作软件，3DMAX 在建筑设计、工业设计、室内设计等可视化领域应用广泛。建模简单、使用便捷是3DMAX 的主要优点，因此室内设计师倾向使用3DMAX 构建虚拟的室内三维模型[5]。Maya 同样是一款三维动画制作软件，属于世界顶级三维动画技术，场景渲染、动画制作、特效设计功能突出，影视特效设计使用Maya 技术的频率较高，设计品质有保障。基于Maya 特效设计的优势，室内设计行业、游戏设计行业倾向使用Maya 软件渲染场景设计效果[6]。3DMAX 与Maya 同属于计算机动画技术范畴，二者兼容，两种技术配合使用简便。相对而言，Maya 专业性更强，使用难度大。

1.1 基于3DMAX 构建室内三维模型

采用计算机动画技术中的3DMAX 构建虚拟现实室内设计的三维模型，共分为基础建模、二维图像建模、复合建模几部分。3DMAX 软件叠加多个自带的三维模型基本体，形成一个基本的三维模型。室内场景中的墙体、家具均为基础模型[7]。形成基础模型的基本体有两种类型：标准基本体和扩展基本体，两种基本体模型内容如表1 所示。

表1 3DMAX 的基础三维模型Table 1 Basic 3D model of 3DMAX

由表1 可知，室内设计中的家具均由这些标准基本体构成，如圆柱和长方体可构成椅子模型，如图1 所示。扩展基本体模型相对标准基本体复杂，种类相对多样化。采用L-形墙、C-形墙可设计个性化的室内墙体样式，满足用户多样化的需求。虚拟现实室内设计中使用的高级三维模型也是以两种基本体为基础元素形成的。

1.2 基于Maya 的虚拟现实室内特效设计

1.2.1 光影效果设计

1）室内场景灯光渲染

Maya 模拟现实中灯光效果的能力较强，Maya 软件包含环境光、平行光、点光源、聚光灯、区域光、体积光6种灯光渲染类型。利用Maya 中的光源渲染功能调整室内设计灯光的颜色、强弱、衰减度等参数，呈现各种模式的室内设计效果。

图1 由基本体构成的椅子三维模型Fig.1 Chair′s 3D model composed of basic body

环境光：环境光效果与漫反射光照效果相似，再现了现实中物体在周围环境照射下的效果[8]。现实中的环境光照射物体包括直接光照射物体和其他物体反射光照射物体两部分，Maya 的环境光渲染均可体现这两种环境光的明暗变化效果。

平行光：室内场景的灯光方向影响平行光的光照效果，灯光所处位置不会对灯光效果产生影响。理论上，平行光不存在夹角，光线处于平行状态。因此，将趋于平行的光线全部认为是平行光线。

点光源：灯光所处位置影响点光源效果，也是点光源的唯一影响因素[9]。以一个点为中心向外发散的光称为点光源，因此，灯光缩放程度与角度大小均不干扰点光源。透视性强是点光源的优势，室内场景中物体与点光源的距离越小，阴影透视效果越强，相反，物体与点光源的距离越大，阴影透视效果减弱，趋于平行光产生的阴影效果。

聚光灯：作为关键灯光渲染类别，聚光灯在虚拟现实室内设计应用中频率较高。聚光灯的光照范围划分明确，呈圆锥状，与探照灯发射的照明效果相似。聚光灯的优势是突出被照射物体的重点部位，室内场景设计、场景中单个物体的设计应用这种渲染方式较多，以突出物体特点。聚光灯发射光线的形式与太阳相似，所以在室内设计中常常使用聚光灯模拟太阳光线，强调物体的存在。

区域光：区域光又称面光源，发射的灯光具有一定的面积或者区域，所以称为区域光，与聚光灯、点光源的光源差异较大。差异在于，区域光的发光点本身是一个区域，区域光的大小和强度由手柄控制，形成的阴影区域柔和、真实。区域光的大小、位置以及角度均影响灯光效果。

体积光：体积光是一种个性突出的光源，光源体积大小影响光照的强弱和照射范围，灯光颜色、强度控制较为简单，被照射物体被照亮的前提是物体位于体积光范围内。虚拟现实室内设计的局部照明大多采用体积光。

2）基于Maya 的室内光影效果设计

场景创建、材质贴图、光影效果设计、渲染效果合成是基于Maya 设计室内光影效果的主要步骤[10]，如图2 所示。其中，设计光影效果时，可根据用户需求构思整个室内场景，基于实际要求为室内场景定义光源和灯光阵列。值得注意的是，渲染效果确定之前应完成多次测试渲染，以获取最佳的光影设计效果，最终呈现满意度较高的室内场景整体光影效果[11]。合成mel 语言编写程序构建的模型与渲染器渲染效果，即可输出室内场景光影设计。

1.2.2 Mental ray 渲染器

Mental ray 渲染器与Software 是Maya 的主要渲染器，Maya 软件默认的渲染器是Software，使用的频率较高，渲染的模型精致、逼真，Software 渲染器通过使用计算机CPU 功能完成模型渲染，但是运算量大、时间长[12]。Maya 5.0 及以后的软件版本中增加了Mental ray 渲染器，Mental ray 属于高端渲染器，生成的渲染效果充满高级感，Mental ray 渲染器擅长反射、透明、全局光的渲染，还具备渲染金属、烤漆表面的功能，以Mental ray 自带的材质节点为基础[13]。为营造高级、可视化、逼真的虚拟现实室内设计效果，主要采用Maya 中的Mental ray 渲染器完成场景渲染。

Mental ray 渲染器模拟精确的全照效果的优势突出，因为该渲染器包括最终聚焦与全局照明2 个渲染引擎。Mental ray 渲染器的材质明暗器功能强大，能够准确表达物体轮廓线和手绘艺术效果。Mental ray 渲染器自身具备4 种SSS 材质，满足用户个性化、多元化的SSS效果需求，实现效率较高[14]。Mental ray 更换贴图时无需其他修改器的帮助，具体方法为：简单设置后，在材质置换贴图通道中增加新的材质，即得到更新后的材质贴图效果。

Mental ray 渲染器的分布式渲染功能有效提升了渲染室内场景的效率，缩减渲染工作量。分布式渲染即采用2 台及以上计算机同时展开渲染工作，与其他渲染器的分布式工作不同，Mental ray 无需安装任何插件，按指定步骤设置Mental ray 后即可分布式操作渲染器，快速完成室内场景设计的渲染工作。

1.3 室内场景动画设计

以室内场景的渲染模型为基础设计场景动画，室内场景动画的切换实现方法如下：基于多视窗交互方法定义曲线以及直线相机路径，然后为路径关键点定义参数。室内动画场景模拟有两种方式：渲染动画和OpenGL 动画。基于MPEG 算法压缩、扩展MPEG 图形标准，由此得到高品质的室内场景动画[15]。利用外部播放器程序播放设计完成的室内动画。室内虚拟动画设计步骤如图3 所示。

图3 室内设计动画制作流程Fig.3 Animation production process of interior design

1.4 基于B样条基函数的修正

上述设计的室内结果易出现边界与物体本身不能光滑过渡。需要对物体表面进行重新修正，使室内表面过渡光滑，给人一种自然的感觉。为此，本文从数学的角度分析该问题。已知目前点集为s0,s1,s2,…sn,n为点集个数。为了拟合该点集，本文采取B样条基函数作为插值函数。B样条曲线曲面在几何造型方面具有许多优良的性质，比如凸包性、保凸性、几何不变性、变差缩减性和端点插值性等，而且具有递归求值[5]、包络[6]等一系列简单易行的方法，对其实现变差缩减也有简单易行的算法[7]。所以本文选择B样条作为基函数。给定参数t轴上的分割其中ti≤ti+1,i=0,±1,…，由式（1）递推得到分割T的n次B样条基函数根据B样条基函数和给定点列相应节点T上的B样条曲线。

B 基是一组全正基，规范化全正基构造的曲线具有很好的保形性。通过B样条基函数去拟合室内场景出现过渡不平滑时不会破坏原先结构。

2 仿真测试

在Windows XP 系统中展开室内设计方法测试，实验环境如下：计算机硬盘大于40 GB，内存在128 MB 以上；CPU 为最低800 MHz 的主频CPU；计算机显卡是适用于虚拟现实平台运行的DirectX 8.1。选定20 个室内设计场景及设计要求，采用本文设计方法完成虚拟现实室内设计，采用基于3D 技术的室内设计方法、基于OpenGL 的室内设计方法同时设计20 个室内场景案例，对比三种方法的设计效果。图4 为本文方法构建的室内墙体模型。

图4 本文方法构建的室内墙体模型Fig.4 Indoor wall model constructed by this method

本文方法构建的室内墙体模型速度快，模型棱角分明、明暗变化显著，为渲染虚拟的室内设计效果提供了良好的三维模型基础。

2.1 渲染效果分析

三种方法设计的室内灯光渲染效果如图5 所示，限于篇幅，仅列举其中一个设计案例。

图5a）为本文方法设计的虚拟现实室内效果，包含多种光源渲染效果。在各种环境光、点光源、区域光照射下，室内装饰呈现不同的明暗变化，家具的立体感、可视化效果增强。本文方法渲染的室内效果精致、高级，满足了大部分用户的需求。相对而言，基于3D 技术的室内设计方法渲染的灯光和家具界限模糊、不清晰，灯光下物体阴影明暗变化不显著，可视化效果较弱；另外，基于OpenGL 的室内设计方法呈现的室内效果板块化明显，灯光总体强度较大，导致物体和物体间的界限不明确，如电视和背景墙几乎融为一体，电视内的画面难以分辨。

图5 不同方法设计的室内渲染效果Fig.5 Interior rendering effects designed by different methods

2.2 室内设计方法性能分析

50 名用户针对三种方法做出的室内设计效果，从可视化效果、智能化、实用性等角度评估三种设计方法的性能优劣，采用不合格、合格、良好、优秀四个等级评估三种设计方法的性能，结果如表2 所示。

表2 不同室内设计方法的性能分析Table 2 Performance analysis of different interior design methods

表2 结果显示，本文方法设计的20 个虚拟现实室内效果的光影效果优，可视化、智能化效果突出，兼具实用性，用户可直接了解室内设计的结构、材质、布局等信息，不需要重新设计。基于3D 技术的室内设计方法的光影效果较差，用户满意度较低，并且设计的室内效果实用性差，不符合用户预期，需重新设计。基于OpenGL的室内设计方法的可视化效果突出，但是实用性不合格，可见该方法设计的虚拟现实室内效果虽然光影效果、智能化程度较好，但是实用性差，仍需重新设计。由于本文方法结合了计算机动画技术3DMAX 的建模优势与Maya 的渲染优势，因此构建的三维室内虚拟模型清晰展现了现实场景中的特点，渲染的光影效果明暗变化显著，光影层次分明。

3 结 语

本文提出基于B样条辅助虚拟现实室内设计效果，其中Maya 在渲染室内光影、渲染物体材质方面发挥了优势，Maya 是一种高端的动画技术，在影视特点制作中应用广泛，设计的虚拟现实效果精致且高级。Maya 的Mental ray 渲染器在渲染室内模型方面取得了较好的成果，准确描述了室内光线的明暗变化与反射效果。在以后的虚拟室内效果设计中，可尝试与多种计算机动画技术结合，融合不同设计方法的优势，优化室内设计的可视化效果，为用户提供更优质的装饰设计服务。