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1、第2 5 卷 第1 1 期 计算机仿真 2 0 0 8 年1 1 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8(2 0 0 8)1 1 0 2 4 2 0 5 基于虚拟现实的三维建筑造型和装修设计系统 郭轶，陈岱林，姜立，张雷(中国建筑科学研究院，北京，1 0 0 0 1 3)摘要：为了在进行建筑造型和装修设计时，要完成三维建模、三维场景实时模拟和仿真动画制作、施工图绘制等不同过程，需 要不 同的软件；如何在一个系统 中实现上述不 同仿真过程的有效结合，是现实设计 中的一个难题。研究 了基 于虚拟现实 的 三维建筑造型和装修设计系统，论述了基本的系统仿真原理，提出了基于虚拟现实的仿真系统的新架
2、构，并描述了仿真系统 需要的虚拟现实，仿真设计，三维渲染和动画设计等重要技术手段，最后结合实际应用验证了仿真系统的有效性。系统成功 地将三维建模、渲染、动 画及配景贴图、施工 图绘制等多项功能集成化，充分满足 了设 计者的需求。系统作 为商品化软件 已 经应用，提高了建筑装修设计的整体工作效率。关键词：虚拟现实；三维建筑造型；仿真技术 中图分类号：T P 3 9 1 7 2 文献标识码：B A 3 D Ar c hi t e c t ur a l M o d e l i ng a nd De c o r a t i o n De s i g n S y s t e m Ba s e d o n
3、 Vi r t ua l Re a l i t y GUO Yi，C HE N Da i l i n，J I AN G L i，Z HANG L e i (C h i n a A c a d e m y o f B u i l d i n g R e s e a r c h，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3，C h i n a)ABS TRACT：I n t h e p r o c e s s o f arc h i t e c t u r a l mo d e l i n g a n d d e c o r a t i o n d e s i g n，i t n e e d
4、 s d i f f e r e n t s o f t w a r e s t o fi n i s h 3 D mo d e l i n g，3 D s c e n e r e a l t i me s i mu l a t i o n，a n i ma t i o n a n d d r a wi n g I t i s a r e al d i ff i c u l t p r o b l e m t o c o mb i n e t h e s e v e r-al d i ff e r e n t s i mu l a t i o n p r o c e d u r e s i n
5、 o n l y o n e s y s t e mT h i s a r t i c l e d o e s s o me I _ e s e a r h o n a n a r c h i t e c t u r a l mo d e l i n g a n d d e c o r a t i o n d e s i gn s y s t e m b a s e d o n v i r t u al r e a l i t y，d i s c u s s e s t h e b a s i c s y s t e m s i mu l a t i o n t h e o r y，i n t
6、 r o d u c e s a n e w s i mu l a t i o n s y s t e m f r a me b a s e d o n v i r t u a l r e a l i t y，a n d d e s c ri b e s s e v e r al i mp o rt a n t t e c h n o l o g i e s i n c l u d i n g v i rt u al r e al-i t y，s i mu l a t i o n d e s i gn，3 D r e n d e ri n g，a n i ma t i o n d e s i
7、g n At l a s t，i t v a l i d a t e s t h e v a l i d i t y o f t h i s s i mu l a t i o n s y s t e m U-s i n g t h e r e al a p p l i c a t i o n s T h e s y s t e m s u c c e s s f u l l y i n t e g r a t e s s e v e r a l f u n c t i o n s i n c l u d i n g 3 D mo d e l i n g，d r a w i n g，a n i
8、ma t i o n，mi x i n g s c e n e，s t i c k i n g p i c t u r e，w h i c h s a t i s fi e d t h e n e e d s o f d e s i gn e r s Me a n w h i l e the s y s t e m h a s b e e n wi d e l y u s e d a s a c o mme r c i a l s o f t w are，a n d e n h a n c e s t h e w h o l e e f f i c i e n c y o f arc h i
9、t e c t u r e a n d d e c o r a t i o n d e s i g n KEYW ORDS：Vi r t u a l r e ali t y；3 D a r c h i t e c t u r a l mo d e l i n g；S i mu l a t i o n t e c h n o l o g y 1 引言 建筑物本身并不是一个孤立的实体，其造型设计和装饰 特点需融地域特色、城市文化、功能用途于一体来进行整体 考虑，如何将 自己设计的建筑实体全方位、立体化，甚至是动 态的进行展示，充分显示设计作品的灵魂，对设计师来说任 务艰巨。他迫切需要可视化技术及优
10、秀系统的支持。“虚拟现实”即 V i rt u a l R e a l i t y，简称 V R，是迅速发展的一 项综合性计算机图形交互技术，它利用计算机生成一种模拟 的实物与环境，通过多种传感器设备使用户“投入”到该环境 中，实现用户与该环境的直接交互。目前，V R技术已经在各 基金项目：科技部国家十一五课题(2 0 0 7 A A 0 4 0 4 0 3)收稿 日期：2 0 0 8一 O l O 5 修 回 日期：2 0 0 80 5 2 6 -2 4 2-个领域被广泛应用。在规划设计领域，如衢江新城规划项目 的三维仿真应用，在城市建设领域，如宁波科技园区的三 维仿真应用等等。上述实例均为
11、大规模整体规划设计，对建筑物体本身的 造型示意即可，并不考虑细部的精雕细琢。目前，设计院设 计人员仍在使用 A u t o C A D软件或基于该平台二次开发的辅 助设计软件进行建筑造型设计，对三维实体表达能力有限，模型单一；而后期的仿真效果展示则又需要依赖 3 d Ma x、P h o-t o s h o p等第三方软件进行制作。结果使得在建筑造型和装修 设计过程中三维建模、三维场景实时模拟及后期渲染图和仿 真动画的制作过程相脱节。为了解决上述难题，填补国内相 关领域空白，中国建筑科学研究院软件研究所 自主研发了这 套三维建筑造型和装修设计仿真系统，提供了丰富的三维建 模手段和参数化的建模方
12、式及渲染图制作、动画设计等仿真 功能，成功地将前期 的方案设计与后期的成果展示融于一 身，一步到位，不再需要任何第三方软件的支持，国内还没有 同类系统能全面地涵盖上述功能。2系统概述 2 1 系统仿真原理 三维建筑造型和装修设计仿真系统可以对建筑物及场 景进行真实感显示及动态模拟。首先要利用世界坐标系、设 备坐标系、窗视变换、透视投影等多项图形学的基本概念和 原理，在一个平面绘图区域内对三维建筑物体及其场景模型 进行绘制，之后再利用光学、数学等学科知识对模型进行赋 材质纹理、设置配景、制作动画等一系列仿真描述，从而得到 最后的仿真结果。2 1 1 窗视变换 为了把世界坐标系中的窗口内的实际图形
13、显示到屏幕 空间中的视区内，就必须把窗口内的图形做一个变换，使其 显示到指定的视区内，此变换成为窗视变换。设世界坐标系 有一 个 窗 V I，其 左 下和 右 上角 点 坐 标 为(，)，(一，)，屏幕上一个视区，其左下和右上角点坐标为(Y o )，(一，一)，由相应的比例关系可得如图 1 所示窗视变换结果。图 1窗视变换 2 1 2 透视投影 本系统利用透视投影的原理对三维物体模型在各个投 影平面及轴测位的线框图及 O p e n G L透视图进行显示。在三 维计算机图形学中，将投影中心与投影平面的距离是有限的 投影变换称为透视投影。相应的投影 中心被称作视点或眼 点。透视投影有如下几个基本
14、特征：“近大远小”，即“离视 点较近的物体要比远物体显得更大些”。一组平行于投影 平面的平行线的投影仍保持着平行，而一组不平行于投影平 面的平行线的投影则会聚焦在一个点。2 1 3真实感显示原理 自然界中，能够看到物体的形状、明暗及颜色，是由于物 体发出的光反射到人眼的结果，根据这一基本的光学原理，将物体上每一个可见点“发出”的光亮和色彩，转化成显示 器上相应像素的亮度或者色彩值，即可得到物体的真实感仿 真显示。图 2 所示，为一个常用的简单光反射模型。图中显示的不透明物体表面 P向眼点 反射的光强度 为：图 2漫反射与镜 面反射 I=I +l Id+I h 3 其中：l ：kd l =k a
15、 c o s 0=k a ()(4)lrs=d 0 2】一 +d n ”【，J 式中 为环境光的漫反射，为点光源在 P处的漫反 射，气为镜面反射，为环境光强度，k 为漫反射系数，为电 光源 的发光强度，单位法矢 、表示从 光源处到P处的 单位矢量，为反射角，d 表示 P距离光源的距离，d。为适当 选择的常数(J o0)。2 2系统架构 三维建筑造型和装修设计系统首先是一个计算机辅助 设计系统，采用面向对象的思想进行设计和开发，充分考虑 现今流行软件 A u t o C A D、3 d Ma x等的操作及使用风格，使得 熟悉这些软件的设计者可以轻松介入，同时本系统又是一个 具有虚拟现实功能的仿真
16、系统，可以制作出形象逼真的三维 真实感效果图及高质量的路径动画，不仅有助于设计人员探 讨设计方案，进行视觉资源管理及环境影响评价，也有助于 客户直观形象地领会设计意图，做出最后的选择。本系统大 致可分为基本建模、专业建模、施工图、工程量统计、渲染及 动画制作几大模块，系统的整体架构如图 3 所示。人 机 交 互 接 口 文件读写引擎 图 3系统架构 3 系统 中重要的技术手段 三维建筑造型和装修设计可以说包含了两个层面的内 容：建模和装饰。需要先构造出被设计的建筑物的 型 ，然 后对这个 型 进行修饰。对于这样一个融众多功能于一体 2 43 的系统而言，编制过程中必然会涉及到很多计算机图形学领
17、 域的重要算法和内容，这里就几个重点的内容进行详细剖 析。3 1 工作基面 从视觉感官上讲，屏幕绘图区域是一个平面，在这个平 面区域中我们要绘制、编辑三维实体，用动态拉伸手段模拟 建筑造型设计中的孑 L 洞添挖过程。当鼠标落在屏幕某一点 上时，这一点可能会同时贯穿很多面，具体应该被定位在哪 一个平面上，决定着下一步的操作方向，因此工作基面对于 仿真系统来说尤为重要。该系统的一个技术重点就是工作 基面的捕捉及在任意空间基面上进行绘图、编辑等操作。建筑造型复杂多变，在一 个大场景设计中可能绘制出成 千上万个面片，那末当鼠标点 击到场景中的某一位置时，如 何快速准确地从众多面片当中 筛选出需要的图素
18、，能充分体 现出一个计算机辅助设计系统 的性能。本系统首先在水平方 向上屏蔽掉场景中视口以外的 图 4工作基面 面片，缩小筛选范围，然后利用 z B u ff e r 深度缓存算法对 Z方 向即深度方向的面片进行排序，设定优先级，从而快速定位 出鼠标落点所捕捉到的面片来作为当前的工作基面，并进行 高亮显示。接下来的绘制、编辑等操作就被锁定在这个空间 工作基面上来进行，如图4所示，当前工作基面用黄色边框 突出显示，并且在左下角显示此工作基面的坐标轴 X Y，之后 的绘制操作即在此面内进行。3 2 布尔运算 布尔运算一直是计算机图形学领域探讨的重要内容之 一。二维特别是三维布尔运算是三维建模过程中
19、的一个重 要而强有力的手段。同时，也是最复杂、最困难的运算。本 系统中开发的布尔运算算法可以在任意的二维三维实体之 间进行操作，并且已经经过大量用户的实践验证，算法准确 可靠。如图 5，为一曲面墙体与三个圆柱体做布尔减操作前 后的图示。囹 另外，在三维建筑造型和装修设计系统中，造型是可以 揪 或者 推 出来的。例如：要在一面墙体上创建门洞或 者门上方的挑檐，可以先在相应的位置画出轮廓线，然后沿 着墙面法线的方向 推 或者 揪 轮廓线，系统 自动进行条 -2 4 4-件判断，同时执行相应的布尔加减运算。整个造型过程是随 着鼠标的移动动态改变的，设计者是可以看到的。当鼠标停 止时，屏幕上显示的造型
20、就是设计者最后需要的结果。如图 6所示，大门和挑檐就是经过上述操作生成的。这种建模风 格更直观、更形象、更简洁。由此用户可以随意创建出各种 复杂的建筑实体。图6动态拖拽造型 3 3 虚 拟现实和仿真设计 三维建模完成了建筑实体的造型设计，但是这时的建筑 物体并不真实，只看到了它的轮廓，视觉效果中只有 型，而 颜色、质感、纹理、环境等等还体会不到。这就需要对三维模 型做进一步的修饰，构造虚拟环境，达到仿真的效果。三维建筑造型及装修设计系统提供了完善的 O p e n G L虚 拟现实技术及渲染和动画仿真功能。完成创建对象后，设计 者需要为场景布置光源、调整视点、设置相机，给对象赋材质 和纹理等，
21、并且对整个设计过程即时显示。为了达到更进一 步的仿真效果，本系统可以对上述操作结果进一步操作，选 择当前视图或者相机视图进行三维渲染，制作出精美逼真的 效果图。还可以任意设置动画路径，及时预览动画效果或者 录制生成可反复播放的动画片，这样就仿佛置身在一个虚拟 的三维世界之中，对建筑物本身及周边的环境进行全方位动 态浏览。3 3 1 虚拟现实技术的深入开发及应用 标准 O p e n G L函数对设计过程进行即时显示时有一定的 局限性，有时不能达 到令设计者满 意的效果。本系统对 O p e n G L的扩展技术进行了较深入的探讨，并将已有成果纳 入到本系统中，取得了更进一步好的显示效果。相关技
22、术主 要有：1)复合纹理的应用；2)深度纹理的应用；3)基于蒙板测 试的阴影体技术；4)基于视觉贴图坐标的投影贴图；5)环境 映射贴图；6)反走样技术；7)多边形偏移技术；8)公告板技 术；9)颜色混合技术；1 0)脱屏渲染环境 的建立与使用等 等，这些技术的应用能够实现一些特殊效果的显示。如 图7所示为应用复合纹理贴图模拟光照特效的显示结果，图 8所示为应用深度纹理生成 S h a d o w Ma p阴影的显示效果。3 3 2 三维渲染 效果图是设计成果的重要展示手段之一，较上述虚拟现 实的过程显示方式来说，渲染技术可以达到更精细的显示效 果，并且它可以对结果进行保存和再现，真实感更强。在
23、进行渲染之前需要先对模型及其环境进行修饰和布 置，对相关的参数进行调整和设置，已达到理想的渲染结果，主要分 为以下几个方面：图7复合纹理贴图 图 8 深度纹理 1)设置材质：选择材质，设置贴图坐标计算方式，调整环 境光、高光、漫反射、透明度、折射虑等相关参数信息，给相关 的实体进行材质纹理的赋质。并且对每一个实体的材质信 息还可以通过修改器等工具进行后期的调整。2)设置光源：本系统提供点光、锥光、平行光、柱光、面光 五种光源，根据场景需要，选择光源类型，设置光源位置，完 成光源 的布置。3)设置视点和相机：设计者在设置观察角度时需放置 目 标相机，在最佳的位置设置视点，突出要渲染的主体对象，并
24、 注意环境场景的效果表现，为渲染成图做好构图的准备。4)设置配景：生成渲染图时，通常需加入配景，如：人、车、标牌等，以达到更真实的效果。系统配景库中的图片，可 直接按实际尺寸，插人入渲染图中进行使用。做好上述前期工作，就可以启动渲染引擎，对整个设计 场景进行渲染，相关流程如图9所示。3 3 3 动画设计 本系统在动画制作方面，采用多视窗交互方式设置折线 或 B e z i e r 曲线相机路径，输人路径各关键点的参数，完成较 为复杂的相机动画及场景切换效果。系统提供 O p e n G L动画 及渲染动画两种方式来进行场景浏览模拟，采用 MP E G压缩 算法并扩展了 M P E G图形标准，
25、能够完成较高分辨率的动画 制作。最终录制生成 a v i 文件，可通过外部播放器程序进行 播放浏览。动画制作的流程如图 1 0所示。4 成果分析与实例 该系统全面集成了三维建模、三维场景实时模拟及渲染 图和仿真动画等仿真功能，经过全方面反复测试显示，证明 图9渲染流程图 图 1 O动画制作流程 系统在各种度杂操作下都具有极强的稳定性和安全可靠性，对于大容量实体间的各种操作具有很快的执行速度，其兼容 性、可扩充性及资源 占用性等各项指标都达到了相应的要 求。并在三维模型的精确定位、大容量三维图形的动态显 示、真实感图形的实时浏览、非扭 曲空间路径放样、布尔运 算、渲染图及仿真动画制作等关键技术上
26、都有新的突破，从 而该系统达到了相关实用要求：图形容量满足任意单体建筑 物的精细描述及大型住宅小区或厂区的外轮廓描述；图形显 示速度达到一百万三角面 1 1 5 s；一般规模的图形减法运算 无顿感，动态过程达到 1 1 5 s。且本系统早已实现商品化，拥 有大量的用户反馈，能够很好地满足设计者的需求。图 1 1 2 45 所示为用户返 回的工程实例的效果图展示。图 1 1 工程实例 5 结束语 文章论述 了基于虚拟现实的三维建筑造型和装修设计 仿真系统的实现原理及重要的技术手段，系统应用计算机图 形学、数学及物理光学 的基本原理，对建模及仿真效果方面 的重要算法和技术进行 了深入研发，实现了三
27、维建模、三维 场景实时模拟及后期渲染图和仿真动画制作等各项功能模 块的有效集成。参考文献：1 方晓峰。基于虚拟现实的城市规划三维仿真设计系统 J 计 算机仿真，2 0 0 7 3 张续红，苏建 明，胡庆夕 虚拟 现实技术在 城市规划仿 真中的 应用 J 计算 机仿真，2 0 0 37 孙立镌计算机 图形学 M 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版 社 2 0 0 0 5 美 R i e h e a r d SWri g h t，J r B e n j a mi nL i p c h a k著，徐波 译O p e n G L超级宝典(第三版)M 北京：北京人民邮电出版社，第一 版，2 0 o 5 9 曾建
28、国，俞志和虚拟现实的技术及其应用 M 北京：北京 清华大学出版社，1 9 9 6 白建军，朱亚平，梁辉，姚东O p e n G L三维图形设计与制作 M 北京：北京人 民邮电出版社，1 9 9 9 作者简介 郭轶(1 9 7 4 1 2 一)，女(汉族)，河北人，中国建筑 科学研究院软件研究所工程师，研究方 向：C A D、计 算机图形学、虚拟现实及仿真技术在建筑装修系统 中的应用；陈岱林(1 9 4 7 5一)，男(汉族)，北京人，中国建筑 科学研究院研究员，博士生导师，主要从事建筑结构工程设计 C A D 系统、虚拟现实与仿真技术等的研究；姜立(1 9 6 6 1 2 一)，男(汉族)，北
29、京人，中国建筑科学研究院研究 员，主要从事建筑 C A D、虚拟现实、仿真技术等的研究；张雷(1 9 6 8 1 1 一)，男(汉族)，北京人，中国建筑科学研究院研究 员，主要从事虚拟现实、仿真技术等的研究。(上接第 1 8 6页)5 结束语 本文提出了一种基于混合遗传的贝叶斯网络分解算法 P H G A，实验表明P H G A算法要优于现有的分解算法。然而 P H G A算法也是牺牲了一定的时间性能为代价来获得最优 近似解，因此考虑用并行算法来真正获得时间和最优解之间 的平衡是下一步的工作。参考文献：1 J P e a r 1 P rob a b i l i s t i c R e a s
30、o n i n g i n I n t e l l i g e n c e S y s t e ms：N e t w o r k s o f P l ans i b l e I n f e r e n c e M Mo r g a n K a u f m a n n，1 9 8 8 2 P D a g u m a n d M u b y A p p r o x i m a t i n g p r o b a b i l i s t i c i nf e r e n c e u s i n g B a y e s i a n n e t w o r k s i s N P h a r d J A
31、 r t i fi c i a l I n t e l l i g e n c e，1 9 9 3，6 0(1)：1 4 11 5 3 3 F R B a c h a n d M i c h a e l I J o r d a n T h i n J u n c t i o n T r e e s C T h e p r o c e e d i n g s o f Ne u r al I nfo r ma t i o n P roc e s s i n g S y s t e ms，5 6 9 5 7 6，De c 8，2 0 01，Va n c o u v e r，B rit i s h C
32、 o l u mb i a，Ca n a d a 4 R C o w e l l，P D a w i d，S L a u r i t z e n a n d D S p i e g e l h a h e r P r o b a b il i t i s t i c N e t w o r k s a n d E x p e rt S y s t e m M，S p ri n g e r p r e s s，N e w Y o r k，NY，1 9 9 9 5 D J R o s e，R E T a r j a n a n d G S L u e k e r A l g o ri t h m
33、i c a s p e c t s o f v e t-t e x e l i m i n a t i o n o n g r a p h s J S I A M J C o m p u t，1 9 7 6，5(2)：2 6 6 2 8 3 6 R E a I l a n d M Y a n n a k a k i s S i m p l e l i n e a r t i m e a l g o ri t h m s t o t e s t e h o r d a l i t y o f g r a p h s，t e s t a c y c l i c i t y o f h y p e
34、r g r a p h s，a n d s e l e c-2 4 6 -7 8 9 t i v e l y r l l d n c e a c y c l i c h y p e r g r a p h s J S I A M J C o m p u t 1 9 8 4，(1 3)，5 6 65 7 9 U Kja e r u l f f T ri a n g u l a t i o n o f g r a p h s A l g o ri t h m s g i v i n g s m a l l t o t al s t a t e s p a c e R，T e c h n i c a
35、l R e p o r t R 9 0 0 9，U n i v e r s i t y o f A a l b o r g，De nma k，1 9 9 0 U K j r u l ff O p t i m al d e c o m p o s i t i o n o f p rob a b i l i s t i c n e t w o r k s b y s i m u l a t e d a n n e al i n g J S t a t and c o m p u 1 9 9 2，(2)：7 1 7 P e d ro L a r r a n a g a，C i n d y M H K
36、 u i j p e rsMi k e l P o z a a n d R o b e rt o h Mu r g a De c o mp o s i n g Ba y e s i a n n e t wo r k s：t ri an g u l a t i o n o f t h e mo r al g r a p h wit h g e n e t ic a l g o ri t h m s J S t a t i s t i c s and C o m p u t i n g，1 9 9 7】93 4 作者简介 肖海慧(1 9 7 4 一)，女(汉族)，江苏常州人，硕士，讲 师，研究方向为模式识别与图象处理，已发表论文 多篇；俞奎(1 9 7 9 一)，男(汉族)，安徽合肥人，硕士生，2 0 0 7 年毕业于合肥工业大学计算机软件与理论专 业，研究方向为贝叶斯网络建模与推理、A g e n t 技术，已在 P A K D D，I S M I S 以及 人工智能与模式识别、小型微型计算机系统 等重要 的国际会议 和期刊上发表论文 7篇；姚宏亮(1 9 7 2一)，男(汉族)，安徽桐城人，博士，副教授，研究方向 为贝叶斯网络，A g e n t 技术。已在 计算机学报、计算机研究与发 展、人工智能与模式识别 等期刊上发表论文 1 0余篇。1j 1 J 1 J