基于用戶體驗的家具虛擬展示設計研究

程曉曉

摘? 要： 傳統的虛擬家具展示操作流程復雜，且在進行家具角度變換時成像模糊，為解決這一問題，提出基于用戶體驗的家具虛擬展示設計。利用3D Studio MAX建模軟件在開發平臺上確定各個點的坐標，根據各個點的位置變化建立模型結構，在對數字正射影像數據進行校準的基礎上疊加計算數字高程數據，生成具有視差的左右立體圖像對，最后建立原型節點機制，引入虛擬現實建模語言動態映射技術，完成基于用戶體驗的家具虛擬展示設計。通過對用戶進行任務測試的結果可知，使用基于用戶體驗的家具虛擬展示成像效果清晰度為5 MP，比傳統方法的成像效果清晰度高出4 MP，驗證了設計的基于用戶體驗的家具虛擬展示的有效性。

關鍵詞： 家具虛擬展示; 用戶體驗; 3D建模; VRML動態映射; 立體圖像對生成; 設計研究

中圖分類號： TN99?34; TP391.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）05?0065?03

Design research on furniture virtual presentation based on user experience

CHENG Xiaoxiao

（Luoyang Institute of Science and Technology， Luoyang 471000， China）

Abstract： The design on furniture virtual presentation based on user experience is proposed in view of the facts that the traditional virtual furniture display operation process is complex， and the imaging is fuzzy when the angle of furniture is changed. The 3D Studio MAX modeling software is used to determine the coordinates of each point on the development platform and build the model structure according to the change of position of each point. The superposition calculation of digital elevation data is executed on the basis of calibrating the digital orthoimage data to generate left and right stereo image pairs with parallax. Finally， the prototype node mechanism is established and the virtual reality modeling language （VRML） dynamic mapping technology is introduced to complete the design of furniture virtual presentation based on user experience. The results of task test on users show that the definition of imaging effect of furniture virtual presentation on the basis of user experience is 5 MP， which is 4 MP higher than that of the traditional method. The test results verify the effectiveness of furniture virtual presentation designed on the basis of user experience.

Keywords： furniture virtual presentation; user experience; 3D modeling; VRML dynamic mapping; stereo image pair generation; design research

0? 引? 言

隨著生活質量的提高，人們對于家具的選擇也有著更高的要求。國內外家具市場發展迅猛，信息化技術在其中有著不可或缺的作用，大多數的家具軟件最初主要應用在設計、制圖方面。由于家具本身種類多、體積大等特點，展廳的面積有限而不能將所有的家具都呈現在顧客面前[1]。為了更好地展示產品，近年來家具軟件逐漸趨近于展示方面的發展，主要以圖片或是Flash動畫為主要展現方式，逐漸融入了人機互動、三維虛擬現實等技術，但是由于家具虛擬展示是剛剛興起的與高科技結合的一個項目，在用戶體驗方面還不是特別完善，操作流程繁瑣復雜，且在進行家具角度轉換時成像模糊，用戶體驗差。

為了提高家具虛擬展示的應用性，研究一種基于用戶體驗的家具虛擬展示設計，在保證展示功能的基礎上，使操作流程簡化，使用門檻低，更適合投放在家具市場中供顧客體驗。利用3D Studio MAX建模軟件在開發平臺上確定各個點的坐標，根據各個點的位置變化建立模型結構，在校準數字正射影像數據的基礎上對數字高程數據進行疊加計算，生成具有視差的左右立體圖像對，最后建立原型節點機制，引入虛擬現實建模語言動態映射技術，完成基于用戶體驗的家具虛擬展示設計。

1? 基于用戶體驗的家具虛擬展示方法設計

1.1? 構建3D虛擬模型

目前在設計方面的三維軟件發展成熟且應用廣泛，3D虛擬建模也是普及最廣的三維動畫和建模軟件[2]。本文采用的建模軟件選擇3D Studio MAX，可以在PC上開放運行，同時利用它集成大量的第三方插件，因此其特效制作能力和三維動畫非常強大，根據家具的成像屬性，其建模流程如圖1所示。

構建模型所用到的平臺選擇了OSG開發平臺，該平臺的本質實際上是一個跨平臺的C++庫。在OSG開發平臺上要實現家具的虛擬展示，就要在特定環境下對家具進行擺放并搭配，在展示的過程中體現建筑的美感[3]。在建模過程中，利用不同戶型作為特定環境，搭配燈具、壁紙等作為模型裝飾，其模型結構如圖2所示。

圖2中的模型變換主要體現在空間組成的位置數據，空間組成是3D空間的特定位置和方向的排列。圖形空間采用常規三維坐標系，點坐標表示為[（x，y，z）]，用來定義虛擬空間中的每個點。為了在虛擬空間中正確擺放家具，需要建立家具和OSG平臺之間的關系[4]，因此在3D空間當中，可以用簡單空間關系來描述兩物體的空間關系。兩者之間的基本關系為平移和旋轉，可以表示為：

[X=RSX+T]? ?（1）

式中：[X=（x，y，z）T]為家具3D虛擬模型的擺放點;[X=（x，y，z）T]，為OSG平臺中的點;[R，S，T]分別為OSG平臺對家具的旋轉變換矩陣、比例變換矩陣和平移變換矩陣。利用生活中表示具體意義的詞匯對家具之間的關系進行定義，至此完成了3D虛擬模型的構建。

1.2? 生成立體圖像對

三維場景主要通過3D虛擬模型的數據來表現，因此開發了3DMAX插件來校準數字高程數據（DEM），在此基礎上疊加數字正射影像數據（DOM），將校準后的DEM數據和疊加的DOM數據進行處理[5]，得到OSG平臺下的FBX格式文件。空間家具的3D模型數據庫對FBX格式的文件能夠進行部分設置，包括顏色、位置擺放等，并最終對整體效果進行渲染。根據人眼的立體視覺，實現了左右眼分像，從而使虛擬場景產生立體感。立體圖像對的快速生成算法如圖3所示。

圖3中，假設三維空間中任一點[P]在左右像平面中的成像為[P1（x1，y1）]和[P2（x2，y2）]，點[P]的視差[d]可以用[P2-P1]來計算，得到：

[（x，y，z）=（x1，y1，f）Ld] （2）

式中：[L]代表左右焦點之間的間距;[f]代表焦距;[d]代表兩眼的視差。[d]與[z]之間滿足：

[d=L·fz] （3）

按照上述關系式，能夠根據左右眼不同的視線向量，即由不同的[R，S，T]來定義[6]。視線左右眼圖的同步計算，減少了復雜的操作，最終生成具有視差的左右立體圖像對。

1.3? 引入虛擬現實動態映射技術

若要引入虛擬現實動態映射技術，首先要利用虛擬現實建模語言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）對左右立體圖像對進行定義，以層次結構的形式將實物圖像組織成VRML動態映射，利用這些動態映射來表示場景中的各類家具，這是本文的設計中優化的關鍵步驟。本文方法的核心就是建立簡化的VRML操作步驟，因此需要將3D模型的左右立體圖像對映射成VRML虛擬世界[7]。由于數據體量大，為了減少VRML的源代碼規模，需要避免相似節點的重復生成。為此建立基于VRML 2.0的EXTERN PROTO原型節點機制，利用其特性結合已有節點，對家具原型進行參數化，引用PROTO文件對新節點的參數進行自定義。VRML的映射流程如圖4所示。

在圖4中，對于VRML庫的應用，需要嚴格限制數據的傳輸量和安全性[8]。為了利用Applet程序的優勢，在服務器應用程序上實現兩者的通信。傳輸產生VRML代碼的參數，進一步再轉換為整個VEML文件[9?10]。在本系統具體實現中以房間位置作為UCS坐標系，其他各類物體的相對位置屬性定義參見表1。

根據表1中各類標識的屬性特征，結合虛擬現實動態映射技術，能夠在有效展示虛擬家具的同時，注重了整體設計的美感，對用戶來說操作也較為簡便。至此完成了基于用戶體驗的家具虛擬展示設計的研究。

2? 基于用戶體驗的家具虛擬展示方法測試

在方法設計完畢后，需要開展可用性測試，驗證設計的基于用戶體驗的家具虛擬展示方法的有效性。選取空間中某家具，分別利用傳統的家具虛擬展示方法和設計的方法對其進行虛擬旋轉展示，并在期間記錄成像效果，分別對成像效果清晰度進行分析。

2.1? 實驗環境及參數

為了消除測試中由于設備配置不夠帶來的誤差，兩次測試均配備了相同高配置的計算機來支撐家具虛擬展示的流暢運行，具體參數如表2所示。

2.2? 實驗結果與分析

在實驗的過程中，測試者分別使用傳統方法和設計的方法進行家具旋轉多角度展示的測試任務，測試對象選取的是一個單人家用沙發椅，在旋轉之前成像如圖5所示。

圖6和圖7中的6個圖像是分別經過0°，30°，60°，90°，120°和150°旋轉得到的成效效果。經過清晰度比對程序的數據顯示，傳統方法成像效果清晰度平均為1 MP，本文方法成像效果清晰度平均為5 MP，驗證了基于用戶體驗的家具虛擬展示設計的有效性。

3? 結? 語

針對傳統的虛擬家具展示操作流程復雜，導致用戶在體驗時的成功率低的問題，本文提出了基于用戶體驗的家具虛擬展示設計，通過對用戶進行任務測試的結果可知，使用設計基于用戶體驗的家具虛擬展示成像效果清晰度為5 MP，比傳統方法的成像效果清晰度高出4 MP，驗證了設計的基于用戶體驗的家具虛擬展示的有效性。

參考文獻

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