基于VRML的虚拟三维室内场景漫游方法研究

2020-12-07周阳

现代电子技术 2020年22期

周阳

摘要：由于现有的虚拟三维场景漫游方法人机交互响应时间较长，因此设计一种基于VRML的虚拟三维室内场景漫游方法。通过对建模方法的比较，采用几何建模与行为建模两种方法构建基于VRML的三维场景模型，通过纹理映射技术将二维图像映射到三维实体表面，消减场景的复杂度以提高整体的交互性能，最后通过视角变换中的透视投影计算，得到齐次变换矩阵，定位最合适的全景图，完成基于VRML的虚拟三维室内场景漫游方法的设计。通过对比实验结果可知，设计方法在点击鼠标响应时间测试中比传统方法快0.6 s，在变换视角响应时间测试中比传统方法快0.5 s，验证了该文方法的有效性。

关键词：室内设计; 虚拟场景漫游; VRML; 三维场景模型; 二维图像映射; 人机交互

中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）22?0075?03

Abstract： As the existing virtual 3D scene roaming method has a long response time of human?computer interaction， a virtual 3D indoor scene roaming method based on VRML is designed. By comparing the modeling methods， the 3D scene model based on VRML is constructed with two kinds of geometry modeling and behavior modeling methods. 2D image is mapped to the surface of the 3D entity by means of the texture mapping technology to reduce the complexity of the scene， so as to improve the overall interaction performance. The calculation of perspective projection in visual transformation is used to get the homogeneous transformation matrix， and locate the most suitable panoramagram， so that the design of VRML?based roaming method of virtual 3D indoor scene is completed. By comparing the experimental results， it can be seen that the designed method is 0.6 s faster than the traditional method in the response time test of clicking the mouse， and 0.5 s faster than the traditional method in the response time test of changing the perspective. The validity of this method has been verified.

Keywords： interior design; virtual scene roaming; VRML; 3D scene model; 2D image mapping; human?computer interaction

0 引言

虚拟三维室内场景漫游是近年来虚拟现实技术的一个研究热点，其主要功能是利用虚拟现实的手法来实现室内场景的布置，为人们提供一種更加身临其境的体验方式[1]。虚拟现实建模语言（VRML）能够建立真实世界的场景模型或虚构的三维世界的场景，是目前互联网上基于WWW的三维互动网站制作的主流语言[2]。现有的虚拟三维场景漫游方法人机交互的响应时间较长，影响用户的漫游体验。因此设计一种基于VRML的虚拟三维室内场景漫游方法。采用几何建模与行为建模两种方法构建基于VRML的三维场景模型，通过纹理映射技术将二维图像映射到三维实体表面，消减场景的复杂度以提高整体的交互性能，最后通过视变换中的透视投影计算得到齐次变换矩阵，定位最合适的全景图，完成基于VRML的虚拟三维室内场景漫游方法的设计。

1 基于VRML的虚拟三维室内场景漫游方法研究

1.1 构建基于VRML的三维场景模型

三维室内场景漫游需要利用三维场景建模技术在计算机中生成一个逼真的虚拟世界，因此需要基于VRML完成三维场景模型的构建。室内虚拟场景的构建要求在形态、光照、质感和色彩都特别逼真，三维场景建模分为几何建模和行为建模[3]。图1为虚拟场景建模层次结构图。

几何建模是利用现有的三维造型软件，人工对虚拟实体和外观进行建模，用户界面相对图形化[4]，隐藏三维实体底层表达形式及光照、纹理等提高真实感的复杂实现过程。行为建模除建模对象的物理特性外，还需要建立特征模型，体现虚拟现实的自主性[5]，但不能与用户进行交互。这两种建模方法的优缺点如表1所示。

VRML的建模方法只是为用户提供一个虚拟环境，用户还希望在漫游过程中能够实现与虚拟环境的交互[6]。构造真实感强、逼真度高的虚拟场景是虚拟建模的理想要求，因此采用两种方法来混合建模。首先构建室内场景的空间模型和地形模型，并对其进行纹理贴图，再将室内的陈设、建筑等单个输出为Kz文件，使用INline节点将导出的模型完成内联，实现虚拟现实模型的整合。至此完成了基于VRML的三维场景模型的构建。

1.2 消减场景复杂度

在构建的基于VRML的三维场景模型中，使用虚拟现实技术描述漫游虚拟环境需要花费的实体表面三角形数目巨大。受支撑漫游的硬件条件限制，在实时交互中会出现卡顿甚至负荷过多而失效的情况，因此必须消减场景复杂度以提高整体的交互性能[7]。本文采用纹理映射技术控制场景的复杂度，纹理是指物体的表面细节，主要分为颜色纹理和几何纹理。例如：室内陈设上的非立体图案就属于颜色纹理;几何纹理包括一些立体褶皱等。纹理映射是在图像空间、物体空间及纹理空间之间进行的，如图2所示。

表中做出的主要消减包括：墙体中删除了由于缩进而产生的空格[9]，将室内陈设的支撑部分做成原型节点，室内的光线将大量的重复部分改为原型节点。至此完成了场景复杂度的消减。

1.3 实现动态交互漫游

在构建的虚拟三维室内场景中的动态交互漫游主要体现在：当用户的试点发生改变时，能够快速呈现当前视点范围内的场景[10?12]。在这个过程中涉及到视变换，视变换包括平行投影和透视投影。透视投影的示意图如图3所示。

图中，将视点位置设置在坐标系中[zv]轴的点[zpp]上[13]，将投影平面设在[zvp]处与[zv]轴垂直，点[（x1，y1，z1）]是投影线上的任意点，可以得到投影的直线方程为：

2 实验

2.1 实验准备

为了验证本文设计的基于VEML的虚拟三维室内场景漫游方法的有效性，将本文方法与传统的漫游方法，即人机交互方法的响应时间进行了实验对比。实验环境配置详细参数见表3。

2.2 实验结果与分析

实验分为4组，前2组检测体验者点击鼠标后的响应时间，后2组检测体验者变换视角的响应时间，统计实验结果如表4所示。

3 结语

本文采用几何与行为两种建模方法相结合的方式构建了基于VRML的三维场景模型，通过视角变换得到了最合适的全景图，完成了基于VRML的虚拟三维室内场景漫游方法的设计。实验结果表明，本文设计方法的点击鼠标和变换视角的响应时间比传统方法均要快至少0.5 s，验证了本文方法的有效性。

参考文献