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基于虚拟现实的实物建材快速搭配仿真方法
时间:2019-10-13    评论:0
    来源:国防科技大学信息通信学院(西安)
    作者:陈克斌,焦毅,迟铭,贺翥祯

    摘要:针对现有装饰装修软件出图速度慢、操作难度高及真实度低等问题,给出一种基于虚拟现实(virtual reality,VR)的实物建材快速搭配仿真方法。通过高清数码相机采集,依托 Unity3D 全局光照和标准材质系统,配合 Photoshop、3dsMax 等软件,真实还原实物建材的质地外观。利用 NGUI 插件,构建界面友好、操作简单的用户界面(user interface,UI)。根据用户需求,可分别通过显示器或虚拟头盔显示。用户在系统中可快速搭配多种真实建材。在某建材商场窗帘店的实验表明,该系统真实度高,用户使用意愿强,上手速度快,最终提高了商户的成交率。

    0 引言

    VR 技术是一种高度逼真的模拟人在自然环境中能产生视、听、动等行为的人机交互技术[1]。近年来,该技术发展迅速[2],已经在教育训练[3]、灾难预警[4]、医学[5]、工业制造[6]等多个领域得到广泛应用。随着我国人民生活水平的不断提高,越来越多的人对现有生活提出了更高的要求,美观、个性化的室内装饰装修已经成为人们生活品质的重要象征[7]。建材产品如窗帘、壁纸、木地板等安装完毕后,改装困难,需耗费大量精力财力。能够预知装修后的真实效果,是建材商家和顾客的共同愿望。传统的计算机辅助设计软件虽然能够给出装修后的图纸,但仅限专业人士使用[7]。将二维图纸转换为三维图像虽能够更直观地反映装修后的效果[8],但设计费用高,出图速度慢,且通常只能观察渲染后的静态图片。

    VR 技术在沉浸感、交互性与实时性方面的综合效果优势是传统二维效果图所无法比拟的[9]。郭轶等[10]提出了一种基于 VR 技术的三维建筑造型和装修设计系统,但该系统只能输出仿真动画和施工图。曲宝等[9]提出了一种虚拟家居漫游系统,实现了三维家居场景的漫游交互,但该系统场景与真实场景相比尚有一定差距,且用户无法实时更换装饰品的搭配效果。酷家乐装修软件在真实度上已经达到较高水平,但软件中的产品种类固化,与实体商家售卖的产品款式样式差别大。建材商场实体商家使用装饰装修软件时,软件内虚拟物品应与实体物品严格对应,且操作简单、实时性强,因此上述软件均不满足要求。

    Unity3D 是一款能够创建三维虚拟交互内容的多平台综合型开发引擎[11~12]。随着 5.0 版本的发布,其在 VR 内容开发上的能力更加突出[13],新增的标准材质系统和全局光照系统在模拟真实世界效果时更加优秀。本文给出一种基于 VR 的实物建材快速搭配系统。系统将实体建材商家如窗帘店、壁纸店中的真实产品建模至三维虚拟室内场景中,用户能够自由选择不同的产品快速搭配,通过漫游多角度观察搭配效果,系统操作简单、效果逼真,为用户选择实体店产品提供了依据。

    1 系统总体设计

    系统设计的两个原则:一是必须真实反映商家产品的外观和特性;二是必须易于上手、趣味性强。

    1.1 功能设计

    室内装饰装修产品种类多样,本系统主要研究窗帘、壁纸、壁布、墙漆、木地板、瓷砖等产品的装饰搭配效果。这类产品的特点是:第一,能够决定房屋的主要装饰效果;第二,安装完毕后,改装复杂;第三,是建材市场主要售卖产品。


图 1 系统功能设计

    其他不具备美观性的功能性建材及家具家电不是本文的主要研究对象。系统功能设计如图 1 所示,用户在系统中可以场景漫游,查看房间默认装饰搭配;随后,点击相应的按钮,可更换窗帘、壁纸、壁布、墙漆、木地板和瓷砖,观察装饰后的效果;最后,调整光源,并添加家具、植物和电器等物品,进一步验证效果。

    1.2 系统架构

    内装饰装修辅助抉择系统采用单机运行模式,针对不同建材商家采用定制化的开发策略,如图 2 所示,主要分为模型层、UI 层、交互层及显示层。

    1)模型层依托 Photoshop、3dsMax、Unity3D 完成三维模型制作,包括家具模型和室内场景模型。

    2)UI 层是人机交互的界面,依托 Unity3D 中的 NGUI 插件进行开发,UI 应简洁、方便操作、易于上手,UI 由标签组件、图片组件和按钮组件组成。

    3)交互层依托 C#语言的 Monobehavior 类进行开发,用于处理用户发出的各种指令,使用户能够漫游观察室内环境,通过 UI 控制场景中建材产品的更换以及室内环境的改变。

    4)显示层主要解决系统的呈现方式,根据用户自身的需求,系统分别支持显示器显示和虚拟头盔两种显示方式。
注:实线为模块间的划分;虚线为模块间具体内容的划分 
图 2 系统架构

    1.3 开发流程

    系统的开发流程如图 3 所示:第一,模型采集。目的是将建材售卖商家的产品真实反映到系统中,根据商家能力采用直接拷贝电子资料和实物照相两种方式。第二,模型制作。根据第一步采集的数据,结合使用 Photoshop 和 3dsMax 进行模型制作。第三,模型导入。将制作好的模型导入 Unity3D 中,采用材质系统、全局光照系统和光反射探针系统优化模型,提高模型真实度。第四,UI 制作。使用 NGUI 插件制作 UI,同时采用分类策略优化内存开销。第五,逻辑实现。编写脚本语言,完成人机交互。第六,系统发布。将系统打包发布,生成应用软件。第七,运行测试。在不同配置的硬件环境下运行软件,针对问题优化模型、脚本,提高系统效率。第八,使用测试。根据用户实地使用时的意见反馈,对系统功能进行优化。

 3 系统开发流程

    2 系统实现与关键技术

    2.1 模型建立

    Unity3D 从严格意义上来说不具备模型建立功能,该工作可由专业建模软件完成。本文的三维模型主要由 3dsMax 建立,模型建立完毕输出为 FBX 格式,直接导入 Unity3D,这些三维模型包括室内场景模型和家具模型。模型导入 Unity3D 后,会出现材质丢失,需要再次赋予材质并贴图。

    为保证系统确实给商家带来效益,起到帮助顾客选择店内装饰装修产品的作用,窗帘、壁纸、壁布、墙漆、木地板、瓷砖等产品素材需要取自建材商城的商家。上述素材采集后以图片的形式制作成材质贴图,添加到虚拟场景中的墙壁、地面等模型材质球的纹理贴图处,展示产品的装饰效果。

    对于壁纸、木地板等规则型的装修产品,材质贴图获取的最好方式是获得装饰产品的电子样本图,样本图对称性好,色彩不失真,在虚拟场景中规则排列,能够反映真实的装修效果,但电子样本通常是建材厂家的机密,难以获取。因此,此类贴图可以通过以下两种方式获得,一是通过高清晰度照相机拍摄产品图片,二是截取厂家电子宣传物图片,这两种方法得到的图片通常在对称性、颜色等方面均有失真,需要利用 Photoshop 对图片进行处理,最终获取材质贴图。图 4a 为用相机拍摄的图片,图 4b 为处理后的材质贴图。


图 4 规则产品贴图处理

    对于窗帘等需要制作特殊造型的装修产品,材质贴图可通过高清晰度照相机拍摄样品获得,为避免自然光造成的色差,拍摄过程中光源应选择摄像机闪光灯。此外,得到的图片除在对称性、颜色等方面有失真外,多数商家为了最大程度利用店内面积,店内产品摆放密集,但拍摄距离和角度条件有限,拍摄后需要用 Photoshop 对图片进行处理。图 5a 为相机拍摄的图片,图 5b 为处理后的材质贴图。系统中的窗帘模型实际上是 Unity3D 中的一个长方形的平面(Plane)组件,将图 5b 赋予长方形表面后呈现窗帘效果,因此图 5b 应扩展为长方形,并在没有颜色的部分设置透明属性。

 5 特殊造型产品贴图处理

    2.2 光照处理

    系统中的模型分为两类,第一类是静态物体(Static),包括门、窗等,它们在系统运行时位置不发生变化;第二类则是非静态物体,在系统运行时会发生移动或变化。

    对于静态物体,在 Unity3D 5.X 中有两种技术能够模拟出物体间光的互动和反弹等复杂行为的算法,分别为烘焙全局光照(baked global illumination,Baked GI)技术和预计算实时全局光照(precomputed realtime global illumination,PRGI)技术。本系统使用 PRGI 技术,该技术的计算结果会被存储为光照数据文件,这些数据可以在系统运行时实时产生和更新一组低分辨率的光照图,而 Baked GI 的光照数据文件在系统运行时是不可变的。利用 PRGI 技术,用户可以实时改变虚拟场景中的灯光,观察不同光照条件下,建材产品的效果。此外,场景中还设置有反射探针(reflection probe),反射探针将场景中的环境预制成反射贴图,反映到建材产品的表面,使其更加逼真。

    由于虚拟场景中有非静态物体,如不断更换的家具模型,还需添加光照探针(light probe),光照探针能够接受光照信息并记录,当非静态物体出现在该探针周围时,能够快速利用这些信息计算表面光照。

    光照探测技术执行消耗低、预计算快,但大量的探针数量同样会浪费资源。本系统在虚拟场景中共布置了 10 个光照探针,分布在家具摆设的主要位置。

标签:实物家具Unity
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