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室内空间利用率提升中VR技术的运用
发布时间:2021-07-12

  摘    要: 为了获得更优的室内空间利用率优化效果,文中提出基于VR技术的室内空间利用率优化方法。根据用户所需设计策略、边界条件,通过灰度共生矩阵方法提取室内空间优化格局图形的纹理特征,利用最大似然比判决分类方法得到室内空间利用率;再采用VR技术从空间尺度、空间材质、空间布置、流线程度、光影分析以及视线分析对室内空间进行优化,并将优化结果呈现给用户;最后从主观和客观两个方向对室内空间利用率优化结果进行测试与分析。结果表明,文中方法的室内空间利用率高,获得了用户满意度的室内空间利用率优化结果。

  关键词 :     室内空间利用;优化效果;虚拟现实技术;纹理特征提取;室内空间优化;仿真测试;

  Abstract: In order to obtain better optimization effect of indoor space utilization,an indoor space utilization optimization method based on VR technology is proposed. According to the design strategy and boundary conditions required by users,the texture features of indoor space optimization pattern are extracted by the gray level co-occurrence matrix method,and the utilization ratio of indoor space is obtained by the maximum likelihood ratio decision classification method. VR technology is used to optimize the indoor space in the aspects of spatial scale,spatial material,spatial layout,streamline degree,shadow analysis and sight line analysis,and the optimized results are presented to the users. The optimized results of indoor space utilization rate were tested and analyzed subjectively and objectively. The results show that the method designed in this paper has high indoor space utilization rate and has obtain the optimization results of indoor space utilization rate of user satisfaction.

  Keyword: indoor space utilization; optimization effect; virtual reality technology; texture feature extraction; indoor space optimization; simulation test;

  0 、引言

  室内建筑设计往往结合了建筑师主观思想,无法保证符合全部用户要求。室内设计师设计成果需要符合实用、环保要求,而通过VR技术可充分与用户要求相结合,降低室内设计难度[1,2,3]。室内空间利用率是室内设计极为重要的评价指标,将VR技术应用于建筑室内设计,并合理优化空间利用率可避免由于建筑空间设计不当造成的资源浪费情况。利用室内空间利用率优化方法,令用户进入逼真的室内空间,并通过交互和游历系统体现所设计优化后的室内空间是否符合用户的需求[4,5,6]。

  以往室内设计通常采用后期处理,装修完成后实际环境与效果图相差较大。VR技术又称虚拟现实技术,是结合计算机图形技术、多媒体技术、数字处理以及传感技术等众多技术的智能化高科技技术,通过计算机形成模拟环境,利用传感设备令用户体验身临其境的感觉,实现人们与虚拟世界的自然交互。目前,该技术已广泛应用于交通、电力、汽车、航空、军事以及生物等众多领域中[7]。
 

室内空间利用率提升中VR技术的运用
 

  为了获得更优的室内空间利用率优化效果,本文设计基于VR技术的室内空间利用率优化方法。根据用户所需设计策略、边界条件,通过灰度共生矩阵方法提取室内空间优化格局图形的纹理特征,再利用最大似然比判决分类方法得到室内空间利用率,并采用VR技术从空间尺度、空间材质、空间布置、流线程度、光影分析以及视线分析对室内空间进行优化,将优化结果呈现给用户。最后本文从主观和客观两个方面对室内空间利用率优化结果进行测试与分析,结果表明,本文方法的室内空间利用率高,获得了用户满意的室内空间利用率优化结果。

  1 、VR技术的室内空间利用率优化方法

  1.1 、基于VR技术的室内空间利用率优化

  基于VR技术的室内空间利用率优化结构如图1所示。将VR技术应用于室内空间利用率优化设计中,依据设计策略以及边界条件,通过动态格局图形特征分类方法设计室内空间利用率优化方案。室内方案设计完成后将室内空间利用率优化后场景效果通过VR技术与用户沟通,及时发现问题并解决,避免完成工程后无法修改的问题。利用VR技术优化室内空间利用率,让其与用户实现良好沟通[8],充分考虑用户感受,实现建筑室内设计“人性化”的设计理念。

  建筑室内设计需要充分考虑环境、规范、经济以及技术等各种影响因素[9],利用VR技术可实现室内空间利用率在不同影响因素下的总体优化。建筑室内设计主要考虑用户的愿望以及使用价值,设计过程中需要充分考虑用户的精神感受以及精神需求,使用户充分参与总体设计过程中。

  图1 室内空间利用率优化结构
图1 室内空间利用率优化结构

  1.2 、VR技术

  VR技术是通过传感器和计算机等硬件设施,利用生物技术与计算机技术创建可实现人机交互的虚拟空间[10]。计算机主机是VR技术的引擎,动作捕捉器等相关硬件为VR技术的输入设备,显示器屏幕等硬件为VR技术的输出设备,再利用VR软件以及相关技术实现沉浸式人机交互。VR技术总体结构如图2所示。由图2总体结构图可以看出,VR技术主要由处理控制模块、显示模块以及动作捕捉模块三部分构成。VR技术通过处理控制模块建立复杂的室内模型以及环境渲染,计算并生成实时场景图像[11],同样,用户反馈信息也通过处理控制模块完成。VR技术运算量大,且需要处理大量图像。VR技术处理控制模块需要高性能图形处理能力以及运算能力较强的计算机或者工作站支持。显示设备是显示模块中最重要的部分,用户感受的好坏则通过显示设备性能决定。显示设备分辨率过低,则无法支持虚拟现实场展现景立体视觉,图像将严重失真;显示设备刷新率过低,将出现掉帧以及卡帧情况,还可能形成抖动以及闪烁,令用户产生眩晕感。显示设备的设计需要轻便小巧,便于用户在使用过程中实时移动[12]。选取超近距投影仪、沉浸式头盔以及高反光幕布作为显示模块设备支持,以确保室内空间利用率优化场景的真实度以及高画质。通过动作捕捉模块捕捉用户在现实环境中的生理信息及动作,将所捕捉的信息发送至处理器,因VR技术具有较高随动性,选取高速红外捕捉传感器作为VR技术动作捕捉硬件设备,并利用可穿戴式无线生理测量设备捕捉用户生理数据[13]。

  图2 VR技术总体结构
图2 VR技术总体结构

  1.3 、动态格局图形特征分类

  在此通过动态格局图形特征分类方法实现室内空间利用率优化的设计。首先提取室内空间利用率优化动态格局图形的纹理特征并分类,再利用分类后的动态格局图像特征实现室内空间利用率优化。动态格局图形纹理特征主要包括非结构纹理和结构纹理,可通过动态格局图像内空间分布和组成成分差异充分体现图形纹理变化[14],以保证图形纹理特征较为稳定,便于动态格局图形特征分类。选取经典的纹理分析方法的灰度共生矩阵提取室内空间利用率优化动态格局图形纹理特征,用N表示室内某区域图形灰度值,用N×N阶的矩阵表示该图形灰度共生矩阵,矩阵中随机元素值为pφ(i,j),利用随机元素值可体现不同元素同一时刻出现的概率。通常情况下,位移量的取值较小,需要获取图形中每对灰度值出现频率并排列至矩阵,利用总次数归一化来排列矩阵,获取最为合适的灰度共生矩阵。通过最大似然比判决分类方法实现动态格局图像特征分类,用X=[x1,x2,…,xn]表示N波段待分像元随机模式动态格局图像特征。设mi表示待判模式X的类别,设图形波段数量为4,随机像元点波段值为0~255,可知图形共存在像元值数量为2564,相同类别的波谱分布可能性为2564种,且图形波普辐射和相应灰度值均呈现正态分布[15]。将图形直方图利用正函数实现匹配,获取空间利用率优化动态格局图像中的随机波段,可得公式如下:

  式中:i与αi分别表示类别序号以及第i个类别的方差;φi表示第i个类别的均值。

  设nl个训练像元存在于某波段某组类l=1,2,…,m内,x(ili=1,2,…,nl)表示对应训练像元值,可得:

  φ2l=1n2l∑i=1nl(x)il-αl (3)

  当波段图形数量为N时,图形信息数据公式为:

  式中:j∈[1,nj];元素下标表示波段序号。协方差与均值为:

  αl=[α]1l,α2l,?,αnlT(6)

  获取正态分布为N维时的概率密度函数如下:

  式中,|Σl|与Σl-1分别表示协方差矩阵Σl的行列式与逆矩阵。

  动态格局图形特征分类最大似然判决函数为:

  对式(8)两侧取对数获取最大似然比判决函数为:

  设nl与N分别表示每一类训练样本数量以及像元模式波段特征数量,利用像元训练样本计算不同组类的αl,Σl,|Σl|以及Σl-1,赋值不同组类先验概率P(ml),并利用获取的先验概率P(ml)建立分类文件。最后,利用所分类动态格局图形特征优化室内空间利用率。

  2 、仿真测试

  2.1、 测试平台

  为检测本文方法的有效性,选取Vizard 5.0虚拟现实系统,PPT Studio软件作为VR技术动作捕捉系统,操作系统为Windows 10。选取Ergo Lab 2.0软件作为VR技术生理数据采集分析系统。室内空间建模以及贴图处理软件分别选择3ds MAX以及Photoshop。利用Python语言作为本文方法的应用开发软件,利用高性能工作站平台作为实验的操作平台,选取某用户购买的96 m2的二手房作为实验对象,该住宅套型为三室两厅一卫。

  2.2 、主观视觉效果分析

  由于用户对原住宅内部布局存在较多不满意地方,为提升该住宅室内空间利用率,设计师采用本文方法依据用户使用要求以及生活习惯,优化该住宅室内空间利用率,并对色彩搭配进行优化,添加适当绿植等装饰物,从视觉上提升室内的空间感。采用本文方法优化空间利用率后的空间效果图如图3所示。由图3可以看出,通过本文方法优化后,获得了比较满意的效果。

  2.3 、优化效果的客观评价

  选取100名不同年龄不同层次的调查对象,为提升实验结果真实性以及科学性,实验调查对象可自由感受空间性,自主评价住宅空间性,长时间佩戴可显示画面的沉浸式头盔无严重晕眩情况。实验前统一进行操作培训,并从空间尺度满意度、空间材质满意度、空间布置满意度三方面评价本文方法空间利用率优化有效性。100名调查对象评价该住宅空间尺度、材质布置满意度结果如图4~图6所示。由图4~图6实验结果可以看出,采用本文方法优化室内空间利用率后,100名调查对象从空间尺度满意度、空间材质满意度、空间布置满意度三方面评价该住宅,满意率均为90%以上,不满意率均低于5%。调查结果有效验证了本文方法室内空间利用率优化的有效性。

  定量统计本文方法优化后的空间利用率,为直观展示本文方法优化性能,将本文方法与多边限定方法以及游历动画方法对比,对比结果如表1所示。

  图3 空间利用率优化效果图
图3 空间利用率优化效果图

  图4 空间尺度满意度
图4 空间尺度满意度

  空间利用率可直接体现住宅使用效果以及空间被利用程度,室内设计理论表明空间利用率为5%~10%最为适宜。本文方法设计的不同室内空间利用率均为5%~10%之间;而多边限定方法以及游历动画方法对不同室内空间的利用率分别低于5%以及高于10%。实验结果再次验证本文方法空间利用率优化有效性最佳。

  图5 空间材质满意度
图5 空间材质满意度

  图6 空间布置满意度
图6 空间布置满意度

  表1 不同方法空间利用率对比
表1 不同方法空间利用率对比

  将本文方法与其他传统室内设计呈现方式对比,通过成像效果、成本、实时渲染等指标评价本文方法室内场景呈现效果,对比结果如表2所示。由表2实验结果可以看出,本文方法所使用VR技术呈现能力明显优于传统室内设计方法呈现能力,本文方法将VR技术应用于室内空间利用率优化中,利用VR技术获取高呈现效果,优化结果有效提升了用户满意度。

  3 结语

  本文将VR技术应用于室内空间利用率优化效果展现中,通过建立全新的数字化虚拟世界,令用户可依据自身想法对优化后的设计效果提出意见,提升室内设计质量以及用户满意度。随着VR技术不断发展,VR技术应用于室内设计将越来越普遍化,这为室内设计带来全新的技术改革。我国VR技术仍处于起步阶段,因此,VR技术在我国具有极高的发展潜力,VR技术未来不仅可以应用于室内设计中,更将广泛应用于人们日常生活以及工作中,推动我国社会高速发展。

  表2 不同方法呈现方式对比
表2 不同方法呈现方式对比

  参考文献

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