基于VR技術的景觀建筑復雜場景虛擬生成算法

孫 楊,張 賀

(長春工業大學人文信息學院,吉林 長春 130122)

1 引言

虛擬現實(VR)是一種新興的信息技術,是為了展示特定的活動所采用的一種認識方式,它可以建立虛擬世界[1,2],給人一種身臨其境的感覺。景觀作為一個包含建筑的高度復雜有機系統,若將VR技術融入到景觀建筑的設計創作中,不僅能夠激發設計者對景觀建筑的想象力,還可以讓抽象的建筑不再古板[3-5]?；赩R技術,不僅把虛擬和現實融合了起來,還把人類和建筑連接了起來,通過數據資源的共享,可以將新一代智慧建筑與城市發展引領到一個新高度,因此對景觀建筑的VR技術進行研究具有重要意義。文獻[6]通過建筑信息模型中的軟件繪制出虛擬的模型樣板,再對燈光和材質等進行渲染處理,將繪制的動畫以avi格式導出,結合VR技術實現動態的工程空間,該方法可以很好地解決因管線等環境因素引起的施工安全問題。文獻[7]對分形地形的三維地形技術進行了重點介紹,利用中點位移中的菱形建模方法構建地形模型,結合VR技術實現地形的模擬,該方法取得了一定的預期效果。文獻[8]將建筑信息模型中的模型庫轉換到VR模型庫中,設計出建筑信息模型與VR協同的子系統,主要包括前期的準備工作與協同采購、施工等部分內容,讓設計師和消費者切身感受到建筑實體的存在。

VR技術在綜合分析和結果預測方面具有明顯優勢,但在景觀建筑的復雜場景中應用還不是很成熟,需要進行進一步地發掘?；谝陨涎芯?本文對建筑的生成規則進行了分析,并構建了景觀建筑模型的實現方法,通過VR技術將構建的模型展示出來。

2 景觀建筑虛擬建模方法

2.1 基于約束的過程化建模

景觀建模的主要任務是收集建模數據,景觀建模的數據主要有:二維圖形、地表圖形和模型表面紋理等。隨著景觀模型的多樣發展,由于近年來建筑風格各異等原因導致獲取數據難度增加,為了降低建筑建模過程中的數據利用率低等問題,提出數據屬性分析模型,如圖1所示。

圖1 數據屬性分析模型

該模型對景觀建模過程所需要的數據來源等進行了綜合考慮,因為不同數據對建模的影響作用是不同的。例如,屬性主要是對元數據的ID標號或采集方式等進行說明,對模型的建立起到輔助作用,能夠真實的體現出數據是否規范。

以輸入數據的特點對建模的真實感因素進行分析,分別從幾何和視覺兩方面入手,提高模型的真實感,增強真實感模型的規則集如圖2所示。

圖2 增強真實感規則集

以上的規則用于景觀建筑建模時的不同算法中,例如通過生成高度規則對建筑高度進行擠壓形成建筑模型,可以增加幾何的真實感;通過幾何分塊與紋理選擇規則對建筑紋理進行映射,可以增強視覺感。

由于輸入的數據中沒有高度屬性,導致建模時缺少模型的三維信息,因此采用自定義的高度生成規則,利用程序化方法生成建筑的高度值,并且通過標定平臺為建筑增加建筑類型和建筑層級兩種屬性。其中建筑類型屬性可以確保建筑的特殊性;建筑層級屬性不僅可以確保建筑間不會存在較大的高度差,還可以保證紋理貼圖的合理性。根據建筑屬性生成建筑模型的高度,建筑高度范圍用公式可表示為

(1)

其中,Hmax和Hmin分別表示建筑的最大高度與最小高度;Atype表示建筑類型屬性;Aleve表示建筑層級屬性。除了建筑類型和建筑層次屬性外,建筑高度還受環境等其它約束條件影響,基于此提出通過隨機方式計算建筑高度的方法,公式可表示為

(2)

考慮到建筑四個立面紋理不同的可能性,采取將幾何模塊與紋理貼圖相結合的方法。通過自定義規則先將建筑立面分割成塊單元,然后按照要求將紋理映射到塊單元上,增強視覺的真實感。由于神經網絡具備將各個單元連接,并構成復雜網絡的功能,因此將神經網絡應用到景觀建筑模型的紋理選擇學習中,公式可以表示為

(3)

其中,y表示學習模型選擇的合適紋理圖片;F表示激勵函數;ui表示模型的輸入;αi表示不同輸入屬性下的權值大小。當輸入數據屬性不同時,神經網絡的輸出和對建筑模型影響也是不同的。

對立面塊的正面、背面、左面和右面四個不同方向,選擇不同的紋理圖案進行映射,確保不同類型的建筑可以獲得對應的紋理圖案,紋理圖案以Atyp＿Alev＿Anum＿Adir.jpg方式命名。其中Anum表示紋理在該建筑類型中的編碼;Adir表示立面的四個方向。結合建筑的高度和紋理命名規則,確定出建筑的紋理庫范圍,公式可表示為

(4)

其中,Y表示隨機數中選取的隨機值;Rmax表示隨機函數產生的最大值;N表示可選取的素材。通過建筑生成規則和紋理選擇規則,不僅可以實現景觀建筑模型的構建,還可以使建筑模型具有較強的真實感,為復雜的數字景觀建模提供基礎。

2.2 景觀布局估計

為了盡可能生成逼真的景觀建筑三維模型,需要對場景布局等信息進行恢復。采用目標檢測算法對建筑內的物體進行識別,通過目標檢測結果對物體進行布局結構的估計。首先將三維空間中的物體投影到二維空間中,通過對布局的調整尋求最優的布局解。就場景中的單個物體而言,目標函數為

(5)

其中,L(·)表示二維空間中兩個區域的重疊概率;h表示目標檢測結果;O(·)B表示投影函數;H和l分別表示三維空間中的物體信息和物體旋轉信息;P表示參數。對于場景中的多個物體,不僅需要對各個物體在二維空間中的目標檢測結果進行考慮,還需要對各個物體空間的重疊問題加以考慮。多個物體空間布局目標函數為

(6)

其中,式(6)的第一項表示二維空間中各物體與目標函數檢測結果的偏離情況;第二項表示三維空間中兩物體的重疊概率。通過調節參數?,可以確保三維空間中各物體不重合,符合現實場景中所滿足的物理原則。

為了使建筑內物體布局更加準確,設計優化方法。通過從二維空間獲得的信息,可以使景觀空間包圍盒生成更加精確的數據,公式為

(7)

(8)

3 VR設計系統

為了使VR設計庫能夠規?；?通過VR場景進行建筑模型的轉換,在構建景觀建筑模型的基礎上,結合VR構建快速生成技術,將建筑模型轉換為VR場景中的構件。在將建筑構件轉換成VR數據庫后,利用VR模型庫在VR設計系統中建立虛擬場景,主要為輔助場景、跨端協同與漫游展示3部分的設計。利用VR技術將3D建筑模型形象的展示給設計者和客戶,讓他們充分感受到與建筑的真實交互。VR技術景觀建筑的設計框圖如圖3所示。

圖3 設計框圖

3.1 場景輔助設計

利用HoloLens虛擬現實設備與Unity技術相結合,通過Windows平臺生成虛擬場景,進行HoloLens的開發。在HoloLens中為使用者提供了可以獲取手勢位置與速度、設置手勢等相關的API,因此使用者可以根據需求制定不同的手勢。本文從創建手勢實例、訂閱手勢事件等方面對手勢進行開發。建筑設計師通過攜帶HoloLens進行手勢操作,可以實現VR場景內建筑構件的替換或紋理貼圖的替換,有利于設計師直觀地對方案做出理想的設計。VR場景輔助設計如圖4所示。

圖4 場景輔助效果圖

3.2 跨端協同設計

虛擬現實設計不僅可以在電腦端使用,還有可以在移動端中使用,因此采用HoloLen設備在PC端展示各種建筑類型,實現資源的共享。在軟件配置環境下,通過無線連接方式實現HoloLens與終端設備間的跨端協同展示,在一定程度上提高建筑設計師的工作效率。

通過空間錨可以對建筑空間的某個位置進行操作,也可以實現多用戶間的視野共享。利用開發工具導出一個共享錨,并將數據導入給其他用戶,通過對第三視角的開發,獲取建筑的虛擬畫面,并將其展示給佩戴VR的使用者。如圖5所示。

圖5 跨端協同效果圖

3.3 漫游展示設計

VR漫游展示可以讓使用者在景觀建筑中有一種身臨其境的感覺,能夠自由行走。在設計過程中,利用云端VR模型庫中的不同建筑類型場景,使用者可以通過佩戴HoloLens漫游在建筑的3D模型中,甚至可以對建筑房屋的門窗打開或者關閉,體驗建筑所帶來的真實感覺。如圖6所示。

4 仿真與結果分析

為了對景觀建模結果進行評估,驗證基于VR技術的景觀建筑復雜場景虛擬生成算法的可行性,本文在3DGP數據庫上進行實驗,選擇空間重疊率與平均精度值作為景觀建筑布局的評價指標,并將本文算法與3DGP算法進行對比。實驗結果如表1所示。

表1 物體布局估計結果

從表中可以看出,本文算法與3DGP算法相比,對建筑內的物體布局具有一定的提升效果,尤其是對真實圖像中物體的空間布局與定位更加準確,表明本文算法具有更加合理的布局結果。

為了展示景觀建筑虛擬建模方法所構建的場景,將本文算法與3DGP算法進行對比,結果如圖7所示。

圖7 場景布局對比結果

從圖中可以看出,采用本文算法的模型中,床和椅子的位置更貼近于原圖,表明采用本文算法構建的三維空間場景布局更加合理,布局效果更好。

5 結束語

虛擬場景的生成是VR技術的核心內容,它依賴于觀察者的沉浸感與真實感。若場景太簡單,會使觀察者感覺到虛假;若場景太復雜,會影響實時性。因此圍繞建筑模型的構建問題,提出基于VR技術的景觀建筑復雜場景虛擬生成算法。本文對景觀建模過程所需要的數據來源等進行了綜合考慮,分別從幾何和視覺兩方面入手,提高模型的真實感。同時對場景布局等信息進行恢復,使景觀建筑三維模型生成地更加逼真。結合VR構建快速生成技術,將建筑模型轉換為VR場景中的構件。為了驗證本文算法的可行性,在3DGP數據庫上以空間重疊率和平均精度值作為評價指標與3DGP算法進行對比,實驗結果表明,本文算法構建的模型更加逼真、更加合理。