基于VR技術的三維家居設計及展現系統

劉丙信 劉金科 朱晨陽

摘要 為了優化家居環境的設計，結合虛擬現實（VR）技術，設計一套三維家居設計及展現系統。該系統沉浸式體驗更加逼真，在各個空間自由切換，讓客戶身臨其境感受未來家，增加了人機交互式體驗。

[關鍵詞]虛擬現實三維家居人機交互

1 引言

隨著社會的發展和人們生活水平的提高，企業間競爭的不斷加劇，迫使企業必須想方設法為用戶提供更新、更豐富的產品和服務。家居工業發展呈現5個特點：貨品全，資金多，周轉快，庫存少，銷售途徑多。VR技術與家居設計結合存在一定的必然性，為企業在為客戶提供更多樣化和個性化的產品和更優良的服務方面開辟了新的途徑。VR（虛擬現實）樣板房是利用VR技術根據真實樣板房的1：1比例設計，將樣板房進行360度實景展示，用戶直接漫游其中，體驗房間的布局、空間感。

2 系統概述

A-Frame是網頁虛擬現實體驗框架，將WebGL、WebVR等關鍵技術進行了封裝，大幅提升了效率，也方便與VR硬件設備的對接。此外，A-Frame使用了高效的圖形庫Three.js，系統渲染效率較高。采用A-Frame中的a-scene構建出虛擬現實場景，同時通過HTML的Dom操作給場景添加家具產品的模型。每個家具產品可以分解為長方體、球體、圓柱體等基形狀，對應A-Frame中的a-box、a-circle等預置形狀，通過組合成模型，把家具做成符合A-Frame規范的組件（a-entity）。并且將組件的屬性（prop）暴露出來，實現家具產品模型的建立以及可定制化。通過JavaScript可以將家具組件放置在三維空間里，通過坐標系的計算完成房間內的家居布局;通過修改組件暴露出來的屬性可以實現例如家具表面顏色、貼紋的定制化。最后利用A-Frame封裝的WebVR技術可以快速構建出虛擬現實場景，實現樣板房的三維展示。用戶根據體驗結果可以對設計方案進行修改完善。

3 系統設計

三維家居設計系統包含家具建模、材質紋理附加、行為附加和游覽交互功能。

3.1 家具建模

VR樣板房展示系統所能展現的真實程度，除了受限于硬件的處理能力外，主要取決于模型本身的細致程度。建模過程分為家具數據采集、CAD繪制、模型構建、紋理貼圖和美化。家具分為人造板和實木制作兩種，兩種不同材質的家具各有其特點，采取不同的建模方式。

（1）人造板拼接成的家具往往具有簡單的結構，使用框架自帶的原生幾何體組件即可完成模型構建過程;樣板房的墻體和地面也由這些組件完成。

（2）實木制作的家具因為材質的特性有很多的細節處理方式，需要從外部導入已經成型的obj文件進行渲染。本文采用3DSmax來完成家具的構建，為了達到高還原度和真實度，建模前繪制CAD圖，按照固定的比例尺和實際物體大小進行縮放。設計好的CAD圖導入到3DSmax軟件中完成模型的調整、細化等工作。

3.2 創建材質或貼圖

模型創建完成后還需要有花紋、材質的體現，尋找合適的貼圖家具裝飾或根據家具本身的特性創建相應的材質。創建材質對家具本身材料質地的還原度比較高，貼圖本身不易更改，難以接近實際效果。因此，綜合使用材質和貼圖兩種渲染方式，讓模型達到較好的表現效果。紋理的最終效果將直接影響渲染效果，因而也是模型創建過程中非常重要的環節，可以給家具單獨使用光源來提高材質的還原度。好的紋理可以簡化模型細節的體現，也能夠讓樣板房的真實度更高，提高整個系統的體驗。

3.3 模型行為附加

渲染好的家具以靜態的形式在頁面中展示，要實現交互還要借助js代碼來實現，包括鼠標點擊事件的響應和滾輪按鈕變化等操作。其中框架內生成的家具模型可以按框架結構添加縮放、移動、更換紋理等行為;外部導入文件無法在框架內做到碰撞檢測，需要額外添加屬性為不可見的幾何組件作為響應塊，為響應塊添加適當的行為更改外部模型渲染后的大小和位置，響應塊自身也做出對應的改變，最終達到所有模型都可以和用戶交互的目的。

3.4 VR界面整合

3.4.1 加載

所有創建的模型導出為obj格式，同對應的mtl紋理文件以及圖片放在同一目錄中，導出模型時相關文件均使用相對路徑。兩種類型建模的文件分開存儲，js文件統一存儲，在完成模型庫的創建后便可以根據平臺需求組裝不同的房間樣式。在界面創建的過程中可以為房間添加適當的光源作為渲染效果的補充。當用戶使用網頁進行家具、房型的選擇時，事先將家具模型加載到展示場景中，待用戶數據分析完后只需根據需求調用文件、渲染數據。

3.4.2 定位和渲染

模型要渲染到指定的位置需要仔細研究坐標參數，樣板房整體使用世界坐標，單個模型及其內部使用相對坐標進行定位，相對坐標使用統一的參照點;家具的擺放位置可以使用相對坐標的旋轉角度，也可以使用世界坐標的旋轉角度。渲染的時間視模型的精細程度和計算機的計算能力而不同，可以通過排序算法優先渲染消耗資源少的模型。

3.4.3 視角調整

每個場景中都可以存在多個攝影機的實例，切換不同的實例可以轉換視角，傳統鍵鼠或其他VR硬件的組合可以對視角屬性進行設置，也可以直接設定瀏覽角度，減少操作難度，提升用戶體驗。

4 結論

以家居三維設計以及虛擬化展示為目標，虛擬現實技術與家居裝修相結合，設計實現一套三維家居虛擬設計及展現系統，較為全面的論述了整個系統的設計過程和工作流程，用戶通過簡單的登錄、選擇家具、擺放，然后進入漫游模式，360度實景展示，并根據需要進行修改替換。該系統旨在提供家具定制、樣板房在線展示的功能，在家居裝飾中具有一定的應用前景。

參考文獻

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