三維虛擬建筑空間的仿真設計與實現

譚征

摘 要： 沙盤在展示虛擬建筑時，由于空間的約束性，在虛擬建筑空間的細節處理上效果差，缺乏有效渲染以及動畫呈現方式，導致建筑空間仿真效果差。提出三維虛擬建筑空間的仿真設計與實現方法，在對建筑空間進行虛擬現實和仿真設計時，基于構建的建筑空間坐標系和比例尺，采用構件的位置和參數構建建筑空間構件數學模型，對各構件的數學模型實施融合后構建總體建筑空間的數學模型。采用OpenGL虛擬現實技術，基于目標建筑空間數學模型對目標建筑進行擴展加工，給目標建筑賦予材質和紋理特征，獲取理想的建筑空間三維虛擬視圖，將建筑空間三維虛擬視圖進行三維渲染處理，呈現出生動形象的建筑空間三維虛擬效果圖，使用動畫設計技術對建筑空間三維虛擬效果圖進行動畫展示。實驗結果表明，所提設計方法的點線渲染和整體渲染效果佳，能得到更加逼真的三維虛擬建筑空間仿真設計成果，并且具有較高的交互性和實用性。

關鍵詞： 三維虛擬建筑空間； 仿真設計； 三維渲染； 三維建模； 動畫設計； 數學模型

中圖分類號： TN812?34； TP391.72 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0168?04

Abstract： Virtual building exhibition on the sand table has poor detail processing effect of virtual building space due to space constraint， and poor simulation effect of building space due to lack of effective rendering and animation presentation mode. Therefore， a simulation design and implementation method of 3D virtual building space is proposed. During the virtual implementation and simulation design of building space， the position and parameter of the component are used to construct the mathematical model of the building space component based on the constructed building space coordinate and proportional scale. The mathematical model of the whole building space is constructed after fusing mathematical models of various components. The OpenGL virtual reality technology is used to perform extend processing of the target building based on the mathematical model of target building space. The material and texture feature of the target building are given to obtain the optimal 3D virtual view of building space. The 3D rendering for the 3D virtual view of building space is performed to present a vivid 3D virtual effect image of building space. The animation design technology is used to conduct animation display of the 3D virtual effect image of building space. The experimental results show that the proposed design method has good effects of dot?line rendering and whole rendering， can obtain a vivid simulation design result of 3D virtual building space， and has high interaction and practicability.

Keywords： 3D virtual building space； simulation design； 3D rendering； 3D modeling； animation design； mathematical model

0 引 言

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是通過計算機制作出的一種虛擬環境，其通過各種傳感器設備實現與使用者的互動。如今，在軍事、建筑和教育等不同領域上已開始逐漸使用VR技術[1]。當前許多設計院的人員在進行建筑仿真設計時，普遍使用Auto CAD軟件或在此平臺上再次開發的其他協助設計軟件。由于建筑仿真模型單一，在展現三維實體時的效果有所欠缺。傳統沙盤的方式在展示虛擬建筑空間的設計上，由于空間的約束性，在虛擬建筑空間的細節上處理效果差，缺乏有效渲染以及動畫呈現方式，導致建筑空間仿真效果差[2]。因此，本文提出三維虛擬建筑空間仿真設計與實現方法，得到形象逼真的建筑空間三維虛擬效果圖，可廣泛應用于建筑領域中。

1 三維虛擬建筑空間的仿真設計與實現

1.1 仿真設計結構圖

本文的結構圖如圖1所示。其是一種計算機輔助設計過程，為使熟悉Auto CAD，3ds MAX等軟件的設計者能夠參與進來，本文方法的設計與開發選用面向對象的思想來實施。本文方法有著虛擬現實的效果，設計出的三維效果圖具有真實感和逼真性，設計出的路徑動畫質量高，便于相關人員更好地進行視覺資源管理和設計方案的研究[3]。基本建模、專業建模、施工圖、工程量統計渲染及動畫制作等部分構成本文方法結構圖。

1.2 虛擬現實和仿真設計

1.2.1 構建建筑空間數學建模

1） 空間坐標系和比例尺的構建。將規格相同的磚塊鋪滿建筑物的外墻，基礎單位選擇單個磚塊的長寬，渲染整體建筑的同時，所有磚塊也得到渲染[4]，通過此方法獲取合適的比例尺。

2） 構件的表示。建筑構件在空間直角坐標系中的坐標即為構件的位置，根據z軸、x軸和y軸的優先順序選取最小值的坐標點，也就是構件的位置[5]。建筑物通過構建后可當成是一系列的構件進行求和處理。建筑空間數學模型為：

建筑實體的造型通過三維建模來設計完成，但建模后的建筑物體，其具有輪廓特點，但顏色、質感、紋理和環境等這些視覺效果還不具備，因此，此時的建筑物體還不具有真實感。為使最終效果更加真實，需在三維模型基礎上采取更深入一層的設計[6]，制作出更加逼真的建筑空間三維虛擬效果圖。

1.2.2 采用OpenGL虛擬現實技術進行擴展加工

本文方法采用OpenGL虛擬現實技術，基于獲取的目標建筑空間數學模型，對目標建筑進行擴展加工，給目標建筑賦予材質和紋理特征，并且在這之前為場景布置光源、調整視點、設置相機。為獲取理想的建筑空間三維虛擬視圖，需要對三維虛擬建筑空間模型進行特殊效果的處理[7?8]。本文中采用OpenGL虛擬現實技術的擴展技術實現該效果，這些擴展技術有：復合紋理集深度紋理的應用；脫屏渲染環境的建立與使用；基于蒙版測試的陰影體技術；基于視覺貼圖坐標的投影貼圖。

1.2.3 三維渲染

為了獲取預期的渲染效果，在渲染前需先修正相關參數，修正模型所處的環境，可概括成以下步驟：

1） 材質的確定。確定材質、貼圖坐標計算方式，對環境光、漫反射、透明度等主要參數進行設置，將材質紋理添加到關鍵實體，后期還可利用修改器等工具根據各實體的材質信息實施修正。

2） 光源的建立。電光、錐光、平行光、柱光和面光都可由本文系統供應，需因環境的不同而選用合適的光源，光源的位置確定好后，達成光源的建立。

3） 視點和相機的建立。規劃人員安置目標相機后確定觀察角度，視點安放在最優位置，使被渲染的關鍵目標明顯，保證環境的呈現效果好，這一構圖的籌備為后期的渲染成圖做好鋪墊。

4） 配景的建立。配景的加入可以在制作渲染圖時使三維虛擬建筑更加逼真，比如增添行人、交通工具、標牌等配景[9]。系統配景庫中的圖像在插入渲染圖時需選擇實際尺寸。

整體三維虛擬建筑空間的渲染，需在以上這些步驟完成后運行渲染引擎，具體過程見圖2。

1.2.4 動畫設計

本文方法為獲取復雜的相機動畫和場景切換效果，在動畫制作上建立折線或Bezier曲線相機路徑，通過多視窗交互方式實現，把路徑所有重要點的參數寫入。在建筑空間場景瀏覽模擬時，采用OpenGL動畫與渲染動畫技術實現建筑空間三維虛擬動畫的呈現。為獲得較高分辨率的動畫，需擴張MPEG圖像標準并選擇MPEG壓縮算法。利用外界播放器可播放最終獲得的.avi文件，對建筑空間三維虛擬動畫效果進行閱覽[10]。動畫設計的制作流程如圖3所示。

2 實驗結果與分析

通過實驗對本文提出的三維虛擬建筑空間仿真設計與實現方法的效果和性能進行驗證。

2.1 渲染效果檢測

2.1.1 點線渲染

渲染構件的點線模型，如圖4所示。這一步是在檢查構件的幾何空間有無錯誤，也是建立視角的基礎，建立視角時需在有渲染圖形基礎上通過調節已渲染的圖像得到。圖4可以看出渲染結果太嚴重，選取合適的視角觀察渲染的圖形，如圖5所示。

為獲取與現實場景最貼切的圖形，需多次修改視角，將得到的圖形采取光照和材質的制作，如圖6所示。

2.1.2 圖書館整體渲染

圖書館實物圖如圖7所示。添加大理石紋理后的圖書館如圖8所示。添加木質紋理后的圖書館如圖9所示。分析上述實驗結果可得，本文方法對實驗圖書館建筑空間的點線渲染以及整體渲染都能獲取令人滿意的效果，并且在不同度雜操作下，反復測試后都表現出較高的穩定性和安全可靠性，也符合相關的實際應用環境，說明本文方法的有效性和實用性。

2.2 功能檢測

在城市建筑空間規劃領域中設計的展示方法以往大都采用傳統沙盤、效果圖、三維動畫等方法。實驗對比分析本文方法和其他方法在成熟建筑空間規劃過程中的性能情況，結果如表1所示。

通過表1可以看出：傳統沙盤的方式由于空間受約束，因此在細節上處理效果差；平面的效果圖展示效果時不全面，有局限性；三維動畫只是種閱覽模式，缺少嚴謹性和客觀性。以上問題通過本文方法都能得到解決，在本文方法建立的三維虛擬空間中擁有無限的地點和時間，即使是任意地點和時間都能實時查看三維虛擬建筑空間的仿真設計效果，本文方法具有較高的交互性和實用性。

3 結 論

本文提出三維虛擬建筑空間的仿真設計與實現方法，通過OpenGL虛擬現實技術、三維渲染以及動畫設計等獲取形象逼真的建筑空間三維虛擬效果圖，并對該效果圖進行了動畫展示，在建筑領域中具有重要的應用價值。

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