基于VRML的三维家居设计的探究

【前言】基于VRML的三维家居设计的探究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。(Collage of Computer and Information Technology, Henan Normal University, Xinxiang 453007,China) Abstract: Virtual reality modeling language VRML is one kind of three dimensional graph description languages, simultaneously is also one kind transmit...

摘要:虚拟现实建模语言VRML是一种三维图形描述语言,同时也是一种在Internet上传输VR图像的规范格式。该文主要介绍了VRML的原理、节点及相关知识,简明阐述了虚拟家居设计的简单思想。

关键词:VRML; Script技术;EAI接口;家居现实虚拟

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)24-6812-03

Study of Virtual Indoor Environment Based on VRML

GUO Dan-feng, HU Feng-hua

(Collage of Computer and Information Technology, Henan Normal University, Xinxiang 453007,China)

Abstract: Virtual reality modeling language VRML is one kind of three dimensional graph description languages, simultaneously is also one kind transmits the VR image standard form on Internet. This article mainly introduced the VRML principle, the node and the related knowledge, elaborated concisely hypothesized lives at the design the simple thought.

Key words: VRML; script technology; EAI interface; virtual indoor environment

虚拟现实是近些年比较流行的一种先进的人机界面技术,作为虚拟现实的一个分支,虚拟室内环境技术正在得到迅速的发展和重视。当今社会人们不断提高对生活质量的要求,作为生活主要空间的居室,自然就更希望是室内设计的精品。传统的设计过程中设计师是以提交平面效果图为主要的表达方式,根据客户需求描述不断地修改设计图纸,经过反复的修改图纸来实现最终方案。这样,光影的效果、材质的差异等都将导致实物与平面效果图之间存在很大差距。作为非专业客户可能对最终的方案还是没有很好的直观认识,可能最终装修结果与客户需求还有很大差别;同时,这种设计过程周期长,成本高。面对这一需求,将基于VR的计算机辅助工业设计运用于家居领域已成为一个新兴的研究领域。它将使设计的主体与客体、虚拟与现实融为一体。通过三维的计算机图形实现真实、交互、高效的目标,使设计先于实物之前在计算机内得到表达,并便于进一步修改。同时,借助计算机辅助工业设计的设计思想和设计方法,充分考虑家具产品的功能、形态、结构、视觉传达、宜人性等多方面因素,进行综合的创造性设计,从而获得人一家具一环境的协调统一。与传统的设计方式相比,有花费时间少,节约资金,能更好地满足客户要求等特点。这种模式必将成为未来家居业的一个的发展方向。

1 虚拟现实建模语言vrml

1.1 VRML与互联网

虚拟现实与WWW(World Wide Web)结合,衍生出了虚拟现实建模语言(VirtualRealityModelingLanguage,简称VRML)。VRML是一种建立在网络上的交互式三维多媒体的建模语言,它提供了一种自然的体验方式,能够利用层次性文件的包含关系创建任意的动态场景。VRML的一个显著的优点就是交互性,可以实现互动的场景。虚拟世界中动画节点具有广泛性和多样性,可以将虚拟世界中各个部分的传感器和内插器串联起来,从而使三维造型运动起来,VRML已成为目前Internet上基于WWW的三维互动网站制作的主流语言。新兴的VRML语言将改变我们目前用HTML语言建立的万维网,同时也将改变我们的网络设计环境。它的主要特征有三维性、交互性、动态性、实时性等,并且能够在Internet或局域网上快速传递。VRML创造的是一个可进入、可参与的世界。你可在计算机网络上看到一幅幅生动、逼真的三维立体世界,你可以在里面自由地遨游。

1.2 VRML的原理

VRML语言不是一般意义上像C++一样的编程语言,像HTML一样的标记描述语言或像JavaScript一样的脚本语言。它是一种描述3D场景中对象及其行为的场景描述语言,从概念上讲,每个VRML文件都是一个基于时间的三维空间,它包含了可通过多种机制动态变化的图形对象和听觉对象。VRML用文本信息来描述三维场景,在Internet上传输,然后在本地机上由VRML浏览器解释生成三维场景,这种工作机制,避免了在网络上直接传输图形文件,把复杂任务交给本地机器从而减轻了网络的负担。使得在Internet上的三维交互成为可能。VRML的访问方式是基于客户/服务器模式,其中服务器提供VRML文件及支持资源,客户通过网络下载希望访问的文件,并通过本地平台上的VRML浏览器交互式访问该文件描述的虚拟场景。

1.3 VRML的节点

VRML定义了一组用以描述三维图形的对象,这些对象称为节点(Node)。VRML推出许多对象类型,原始对象是最简单的对象,这些原始对象可以用很简单的术语进行描述。VRML提供以下几种非常有用的原始对象:立方体、球体、圆柱体和圆锥体。尽管它们每一个个体都显得很平常,但组合到一起将形成非常有意义的图形对象,而且可以由这些简单对象构成复杂的对象。VRML中节点被组成一种分层的结构,称为场景。使用场景图(Scene Graph)数据结构来描述3D场景,场景图是一种代表所有3D世界静态特征的节点等级:几何关系、质材、纹理、几何转换、光线、视点以及嵌套结构。境界中的对象及其属性都用节点描述,节点按照一定规则构成场景图,也就是说,场景图是境界的内部表示。场景图中的第一类节点用于从视觉和听觉角度表现对象,它们按照层次关系组织起来,反映了境界的空间结构。另一类节点参与事件产生和路由机制,构成路由图(Route Graph),确定境界随时间的推移如何动态变化。

1.4 VRML场景的扩展

VRML97提供了两种扩展VRML并和外部程序实现连接的机制,即Script节点和外部创作接口(EAI) 。

1.4.1 Script节点

VRML的Script节点是一种控制内插器和传感器的节点,通过它可以定义和改变场景对象的外观和行为。Script节点包含一个Java文件,当Script初始化时调用。首先,通过eventIn将事件传至Script节点中的脚本;其次,在Script节点中的脚本中调用相应的Java类(或JavaScript)进行处理;最后,通过eventOut将结果送回到VRML场景。

1.4.2 外部创作接口(EAI)

EAI 最主要的功能就是提供Java语言和VRML Plug-in间一个双向动态沟通的桥梁,Java程序通过VRML Plug-in提供的EAI界面可以取得3D场景中的物体信息,也能够由EAI控制场景中的物体,因此要利用VRML做出即时互动的效果,EAI是不可或缺的。VRML的Script节点是一种控制传感器和内插器的节点,通过它可以定义和改变场景对象的外观和行为。

利用 EAI类包提供的 Browser和 Node类,可以完全不用 Script节点和 Script类以路由等方式而直接由 Java Applet操控 VRML世界的各种节点,实现外部程序对 VRML虚拟场景的直接操作、控制和修改。

2 家居现实虚拟

2.1 需求分析

2.1.1 系统的功能需求分析

作为家居虚拟现实系统,房地产开发商、家居设计师、产品设计师以及需要购买新房,新家具及家用电器的潜在客户是其主要的用户。他们均有各自的需求:作为房地产开发商,期望将正在兴建或即将兴建的房产通过本系统,在网上虚拟真实地展示给广大消费者。购房者与销售人员可以冷静地坐在电脑旁,漫游于电脑生成的样板房中。购房者可以通过实时查询相关信息,创建和编辑场景,迅速地找到自己满意的房型。房地产商也可以在时间上占领先机,同时降低由于修建实物样板房带来的追加成本,并取得更好的销售效果。而作为家居及产品设计师,也希望将自己设计的作品通过本系统在网络上生动的展现。

家居虚拟现实系统具有以下主要功能:

1) 能够很好地可视化模拟真实的室内环境。温馨室内环境需要鲜明的色彩和灯光,通过色彩的冷暖和灯光的聚散来营造一定的气氛。

2) 数据共享。家居虚拟现实系统通常包含以下四种常用模型:房屋模型、家具模型、运动物体模型(门、窗、家电等)和装饰模型(壁画、窗帘、床罩、地面等)。这样可以为上述四种常用模型建立相应的模型库,设计人员根据设计需要直接从模型库中把模型调入三维虚拟场景中进行设计。

3) 交互性。交互性包括以下两方面:一是设计人员根据客户需求对上述调入三维虚拟场景中的模型进行各种参数修改;二是客户对设计效果进行漫游以便进行方案的确定。上述两种交互性都是通过VRML与Java的通信机理来实现,即使用Java Applet控制VRML场景。Java Applet控制VRML场景是通过附加的封装类EAI来实现。通过这些类,Java程序就能够访问VRML场景,接收和发送事件,从场景中获得场景对象,实现对VRML场景的实时动态控制。

具有上述功能的家居虚拟现实系统能够真实、直观、方便和有效地帮助设计人员完成客户需求的设计工作。

2.1.2 性能需求分析

除满足以上功能需求外,性能需求也很重要,主要体现在以下几个方面:

1) 交互的人机界面。人机界面设计也是该系统设计的一个重要方面。 因此将以用户为中心的设计思想融入到系统的人机界面设计当中,也就是以用户对界面的需求变化为出发点,使用户界面的外在形式和内部机制符合不同用户的需要。

2) 通用性、方便性及稳定性。系统的总体设计应尽量满足大批量、多用户的需求。还应尽可能考虑到用户的安装、配置、维护的方便。同时应该注意系统的稳定性,有良好的数据库结构设计。在系统的多处涉及到用数据库来存储和管理信息,对于数据库的结构应进行更好的设计,使信息的使用率更高。

2.2 建模

2.2.1 建模语言

室内虚拟漫游,首先解决视景建模问题。目前,视景建模的方法主要有两种:一是采用VRML等专用的虚拟现实建模语言来完成建模。另一种直接利用OpenGL建立模型库或开发专门的建模工具,但这样做的工作量是非常大的,因为OpenGL只提供了一些简单图元的函数,如圆锥、圆柱和球体等类似的简单物体,如果利用这些函数来构建一个复杂的模型就显得非常困难。所以该系统主要采用VRML来实现。

2.2.2 系统构架

应用基于VRML的虚拟现实技术构建室内设计系统,主要实现两项功能:辅助设计工作和结果漫游。设计工作的主要内容包括以下两项工作:一是根据客户首次需求叙述调用模型库中的模型生成初始场景;二是在客户漫游结果后根据客户反馈信息不断修改以至确定最终方案。为了实现结果漫游,一方面是把生成的三维虚拟场景通过窗口显示出来,另一方面根据各种户型结构设计相应的漫游路径,以方便设计人员和客户对设计结果进行观察和讨论。

2.3 主要模块

“自主设计”模块。主要功能是针对房型、家具、家电以及三维数字化产品的展示,展现的方式可从产品的款式、色彩、纹理、视角等,为了使用户详细了解产品的外在和内在特性甚至要动态演示或拆分产品。用户通过这样的观察和操作,能够对产品有更加全面真实的了解,从而选择自己满意的产品。通过这一模块,模拟用户在现实情况下的购物体验,削弱用户借助网络的不真实感,达到真正意义上的在线展示。同时,用户可以将所选家具拾取加载到房间中来,并通过家具在房间内的位置变换、颜色质地的匹配,以满足用户个性化的家居设计。总而言之,运用这一模块,就是要达到家居自主设计的目的。

室内场景中用 Script节点和脚本 JavaScript实现了幻灯片的放映,音频、视频的播放,灯光开关,吊扇的转动的控制等。

“在线展示”模块。主要功能是使用户从俯视、仰视、环视等多种变幻的视角欣赏优秀的成品设计来做参考,以此帮助用户多角度、全方位的设计选购的房型。产品设计师或者家居设计师还可以通过网络,得到用户使用后的信息反馈,收集不同层面上的用户对产品的看法,将其进一步整理以作为产品改进和新产品开发的有价值信息。

三维模型的建立,能够让人感受到一定三维逼真的效果,但还有不足,因为浏览者仅仅被动的接受信息。浏览者如何能够控制场景,使场景的动画效果更加逼真,这就要通过浏览者与虚拟对象的交互功能来实现。交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。在本虚拟家居场景中,研究基于VRML内建节点和基于VRML的 Script节点实现交互的方法。

3 结束语

人们对生活品质的不断追求,使室内家居受到越来越多的重视。对家居,舒适性第一已取代了过去的功能性第一,风格也从简朴向高雅发展。虽然室内家居设计已成为一种流行性行业,但仍存在很多尚待解决的问题。而家居现实虚拟将使设计的虚拟与现实、主体与客体融为一体。通过三维的计算机图形实现交互、高效、真实的目标,使设计先于实物在计算机内得到表达,并便于进一步修改。同时,借助计算机辅助工业设计的设计思想和设计方法,充分考虑家具产品的功能、形态、结构、视觉传达、宜人性等多方面因素,进行综合的创造性设计,从而获得人一家居一环境的协调统一。这种模式必将成为未来家居业的一个的发展方向。

参考文献:

[1] 高春梅.家居虚拟现实系统的研究与构建[D].西北工业大学,2004.

[2] 王洪.基于虚拟现实的三维漫游技术研究与实践[D].电子科技大学,2004.

[3] 肖伸平.基于VRML和JAVA的网络虚拟仿真实验设计[D].中南林学院,2002

[4] 胡新根.基于虚拟现实技术的室内设计系统的研究[J].科技广场,2006.