孙 喆，孔祥铮，刘君敏

（河北工业大学，天津 300401）

0 引 言

近些年来，虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）在大众生活中越来越常见，如VR 电影、VR 互动体感游戏等，VR 技术在不同领域均得到广泛应用，悄然兴起了一股VR 的热潮。在室内空间设计中，VR 技术也带来了新的机遇及挑战，VR 技术本身的沉浸感以及互动性为室内空间的前期准备、用户参与以及个性化订购等均提供了新的发展空间[1-2]。

1 VR 技术在室内空间设计中的应用优势

VR 技术在室内空间设计中应用具有多方面优势，其中对设计师来讲，可以减少自身的想象力压力，设计过程中也能够减少修改次数和难度，能够将设计成果直观地呈现在用户面前，有效降低人力、物力以及时间的浪费；对用户来讲，在室内设计阶段也就可以直观地看到完成后的效果，便于结合自己的需求提出建议或者实施修改，更有助于满足自身个性化设计需求。

2 基于VR 技术的室内空间设计系统需求分析

在VR 技术下的室内空间设计系统建构中，存在的功能需求主要有：

2.1 实现对室内环境的可视化真实模拟

在室内空间设计中，想要营造温馨的室内环境，就需要鲜艳色彩以及灯光的参与，这样便可以在冷暖色以及灯光聚散应用下，在室内空间营造不同的氛围。

2.2 数据共享

VR 技术下的室内空间设计系统主要包括有四个模型，分别是房屋模型、运动物体模型（家电、门、窗等）、家具模型以及装饰模型（窗帘、床罩、壁画、地面等）。在以上模型的应用下建构模型库，室内空间设计过程中便可以依照设计需求在模型库中直接选择相应模型，且在三维虚拟场景中调入展开设计[3]。

2.3 交互性

交互性涉及到两方面：第一是设计人员，在设计过程中能够结合客户需求，针对三维虚拟场景中的调入模型参数实施合理调整；第二是客户，在完成室内空间设计后，客户针对设计效果实施漫游，更有助于确定相应设计方案。该交互性均是建立在VRML 和Java 通信机理的基础上，也就是在Java Applet 的应用下实现VRML场景控制。以上场景控制是借助于附加封装类EAI 实现[4-5]。通过以上类的应用，便能够实现Java 程序对VRML 场景的访问，也能够实施事件的接收以及发送，从而在场景中得到场景对象，并针对VRML 场景有效实现实时动态控制。室内空间系统建构必须要具备以上设计功能，才能够满足设计人员设计需求，为用户展示真实性、直观性的设计效果。

3 基于VR 技术的室内空间设计系统架构设计

基于VR 技术的室内空间设计系统建构，整体上来看主要包括有两个功能，分别是辅助设计工作和结果漫游。针对室内空间的设计工作主要包括有以下内容：第一，结合客户首次需求的叙述，在模型库中调用不同模型，生成初始场景；第二，客户漫游，在完成设计后，依照客户反馈信息，针对方案不断进行修改，以便确定最终设计方案。想要实现结果漫游，不但要在窗口上显示生成的三维虚拟场景，同时也需要结合不同户型结构，完成其漫游路径设计，从而为设计人员以及用户观察设计结果提供便利，然后通过共同讨论确定最终设计方案[6]。结合功能划分在系统中主要包括有设计模块以及漫游模块两大模块。其中本次室内空间设计系统层次结构详情如图1 所示。

图1 系统层次结构设计

4 基于VR 技术的室内空间设计系统建模技术

4.1 空间模型建构

VR 技术下的室内空间设计实施程序主要包括以下步骤：

1）先确定设计方案，通过AutoCAD 制图软件的应用完成场景的基本平面图纸绘制；

2）在对设计平面图纸线条实施清理后，在SketchUp 中导入，创建相应模型，并选择不同材质；

3）完成建模后，针对模型进行精简，并在虚拟现实平台中导入，以实现对材质和灯光效果等元素的调整，并进行烘焙渲染，部分虚拟平台上可以省略这一步；

4）基于虚拟现实平台，对比分析设计方案、材质以及尺寸等参数，以完成全面辅助方案设计；

5）生成可执行文件、动画以及效果图等，为用户选择提供便利[7]。空间模型建构流程如图2 所示。

图2 空间模型建构流程

4.2 原始房型的快速建模

与设计人员的常用工具软件相比，在原始房型模型建构中采用虚拟现实技术表的构件式造型系统，则有助于显著提升设计效率，从而显著减少设计人员的时间和精力投入。原始建筑形态创建中，将墙体尺寸数据全面地输入其中，则能够实现房型的快速创建。在确定墙体起点后，也就能够将长、宽数据在操作中直接输入，基于连续输入状态便可以实现输入前后的两面墙体快速连接[8-9]。同时在建模过程中，通过软件已经设置好的命令进行墙体建构，更有助于实现快速建模，比如系统中所支持的矩形以及多边形命令。也便于实现门洞、窗洞等在墙体上的设置便利性。在将开洞命令激活后，只要能够在其中一面墙上实施操作，输入起点位置以及终点位置后，系统即会依照系统中的默认门窗高度对墙体进行开挖，且将其设置成为所需门洞窗洞造型。另外，也能够结合墙体局部坐标原点位置，实现对门洞以及窗洞相对位置的调整，并且以上操作过程中命令的输入均无需太长时间。

基于原有房间结构，在组件技术的应用下完成建模系统设计，只需要在对墙面选定后切换到修改面板，基于已经完成创建的门洞窗洞，就可以实现对门套以及窗套的建构。对于在以上操作，通过点击其相关命令即可以完成。再结合门窗宽、高和墙体厚度下实现对门窗套的建构，单面或双面窗套均可以完成，再将窗套结构选定后，也就可以继续针对门套后窗套相关数据进行修改，详情如图3 所示。以上操作中门窗结构及其套的设计都可以在短时间内完成，且操作过程只是针对相关数据进行调节和控制，系统本身就能够实现对已存在相关参数数据的有效应用，这样更有助于提升工作效率，显著减少设计时间。

图3 组件建模技术

4.3 模型导入及空间设计

软件系统可以有效支持3DS 格式和Mesh 格式等软装素材文件导入，导入相关文件后也就可以完成移动、缩放等相关操作。室内空间设计过程中，也需要完成家具以及灯具等相关物品布置，在模型导入过程中需要实现和地面、墙面等的连接。因此通过系统中的相关指令就能够实现设计人员在短时间内将相关模型直接放置在指定位置。另外也可以完成模型中质感以及贴图纹理部分的修改操作，从而实现室内空间整体设计风格的统一[10-11]。对于创建的不同模型，也可以直接在系统中进行整理以及保存，对于应用这一系统的个人或团队，均可以完成相关资源的共享，从而能够进一步提升工作效率，降低设计成本。其中图4在以上基础上，导入了相应的橱柜模型，且已经迅速放置在指定位置。

图4 软装模型导入过程

4.4 区域定位与几何建模

在我国的室内空间设计中，3ds MAX 的应用比其他三维软件更加成熟。基于3ds MAX 软件下的三维空间模型建构详情如图5 所示，它可以针对室内材质以及灯光效果进行补充，且结合需求实施调节，完成后即可渲染出图。在系统应用中也可以完成室内动画场景路径设置，完成摄像头行进轨迹设计等，然而这样的操作想要调整动画场景，计算机需要具备有较高的性能[12]。所以，通常情况下，大部分室内设计人员针对室内空间设计的虚拟环境漫游，只是在3ds MAX 基本建模命令下实现。谷歌SketchUp 则是针对设计方案创作的一个设计软件，在应用过程中可以实现对设计人员创意构思的快速、全面表达，同时也能够实现和客户之间的有效沟通交流。在其应用下计算机也就可以实现对设计人员创意的直观、迅速表现。另外在其动画功能的应用下，也能够实现简单的动画场景漫游，使其在室内空间设计中具有重要应用价值。但是SketchUp 软件在应用中，和3ds MAX 软件渲染效果真实性相比存在一定不足。

图5 三维空间模型建构

4.5 灯光、颜色、声效与影效设计

虚拟现实技术的应用和推广，逐渐推动了室内空间设计向图像影音媒介时代发展。在虚拟现实语言的应用下，能够同时实现室内空间中的实时颜色变化、影像效果、灯光以及声音效果，传统室内空间设计中想要实现同步实时呈现具有一定难度。虚拟现实技术的应用为人们提供了生动的视觉盛宴，最为显著的特点即为能够实现室内空间设计中的场景行走，同时也可以实现光效全程跟随，可以在光影的变化下体现出时间的变化，进一步为用户提供逼真的视觉效果。室内空间设计中，通常是借助于不同颜色氛围实现对不同环境的区分，设计人员在设计过程依照不同设计主题均可以采用不同颜色实施区分[13-14]。

通常是在模型贴图和灯光设置中体现出颜色以及照明效果，在虚拟现实技术应用下体现出声音和影像效果。基于VR 技术呈现的照明光效与静帧效果图输出的渲染灯光效果相比差异显著，但是想要实现VR 技术呈现的照明光效这一目标，这需要设计人员将之前设计和效果图表现习惯彻底舍弃，从而去积极探索新的领域和新的方法。室内空间设计中场景音效主要有两种，分别是：整体音效，即为真实环境中存在的真实声音，例如雨滴声、海水流动声音、城市汽车声音等等；局部音效，这一音效和整体音效具有较大差异，这是为配合实际场景从而出现的个别声音，只存在于个别环境中，例如鸟叫虫鸣声、音乐声等。在局部音效问题解决过程中，重点是要对真实音效节点区域感应实施控制，且需要优化音效的开关设置。

4.6 嵌入式整合贴图和文字标识

基于VR 技术下的虚拟环境融合，在设计方案呈现中与之前方法具有差异，其针对设计作品呈现可以采用文字陈述结合效果图讲解方式。虚拟插入式编程在设计过程中的应用，为设计人员作品呈现提供了便利，将设计方案展示转变为了生动、简洁直观以及具有较大互动性的过程。在室内空间或场景中，用户能够实现虚拟漫游，到达终点设计区域系统中就会自动出现注释、配音或者图文标识等，和日常人们之间的聊天相类似，随性又不突兀；在漫游过程中，也能够设置动画节点，可以选择其中的按钮对部分节点进行单独了解，这样能够提升设计作品展示的生动性[15]。

例如，在其瑞典家具品牌的室内空间设计过程中，应用了VR 技术结合环境布局理念，给广大消费者提供了针对产品颜色以及风格搭配的虚拟操作平台，在购物过程中消费者就能够将商品搭配在一起，直观地看到商品的搭配效果，如图6 所示。

图6 虚拟操作平台设计

在未来的室内空间设计中，VR 技术的应用可能不再是设计人员全程主导完成，而是转化为在设计人员的引导下让用户依照自己的需求及喜好进行设计，且在虚拟操作平台中将其设计创意呈现出来。

4.7 优化演示

以上提出的场景漫游是设计人员针对现场进行分析和定位，在对用户心理以及相关需求等综合分析下得出的，其提升了信息的多样化以及人性化，不仅能满足广大用户知识需求，也能够满足他们的虚拟环境感受要求。因此，对于设计人员而言需要学习更多的专业知识，才能够有效掌握相关室内空间设计的虚拟现实技术。

场景漫游一开始是针对场景实施全貌观察，如图7所示，之后才到局部室内空间中分析。对于用户的参观流线可以在系统中提前设置，也可以在漫游中让用户依照自己喜好选择，以能够取得良好的漫游效果。针对室内空间的景观设计、家具布置等均可以从不同角度进行呈现，在部分细节处也可以设置讲解声音效果，添加影像效果等相关素材，对于室内空间设计内容具有重要丰富作用，也有助于提升内容感染力。另外，基于VR 技术建构的场景漫游，不但有助于降低成本，还可以获取及时反馈效果，一方面可以减少设计人员的讲解时间，另一方面能够给用户提供生动形象、全面的设计说明，进一步提升了用户漫游体验的便利性。

图7 室内设计场景漫游效果

目前部分公司已经自主研发了三维虚拟仿真软件，即使是在小空间处理中也能够获得和动画类似的表现效果。同时，在完成实时三维空间环境以及自由交互漫游模式的建构后，在系统上设置的相关操作命令，便可及时结合用户需求对设计方案进行调整，也可以设置场景的三维模型、贴图材质等，真正地做到了“缩减即所得”，更有利于进行设计作品的修改和评价。VR 技术下的演示效果优化过程中，可以和AE、FLASH 等软件结合应用，结合逼真的材质效果和光影实时跟踪等，这有助于进一步取得良好的漫游演示效果，为广大用户提供生动形象的体验效果。

5 结 语

综上所述，在虚拟现实技术的应用下，完成室内空间设计系统的建构，对于取得良好的设计效果，促进室内空间设计行业的发展具有重要推动作用。总结来讲，所取得的研究结论主要有：

1）基于网络平台上结合交互式开发技术标准，能够有效实现室内空间设计系统的可视化设计，满足室内空间设计的生动、形象化呈现。

2）在室内空间系统设计中，通过空间模型建构、原始房型建模、模型导入以及嵌入式整合贴图等技术的应用，完成室内空间设计。结合应用三维建模技术和虚拟现实技术，则能够取得良好的室内空间设计真实性和生动性，有助于进一步提高室内空间设计内容的丰富性，提升室内空间和景观设计内容的感染力，同时对于用户来讲也能够提供一定漫游便利，对于室内空间设计发展具有重要促进作用。