| 标题 | 基于计算机虚拟技术的室内色彩设计研究 |
| 范文 | 姜广建 摘 要： 针对传统室内色彩设计忽略了光照渲染，导致设计效果真实感不强的弊端，提出一种新的基于计算机虚拟技术的室内色彩设计方法。确定室内各物体外形轮廓与调理特征，确定关键二维坐标点，采用计算机对其进行标定，将二维坐标变成三维坐标，实现室内场景的三维建模。通过截面环形调和法对室内色彩进行设计。在此基础上，通过辐射方法求出室内设计场景中各像素点的光照辐射亮度，对室内场景光照进行渲染，实现室内色彩设计均匀亮度面光源的照明。实验结果表明，采用所提方法得到的室内色彩设计结果真实感强，质量高。 关键词： 虚拟技术； 室内色彩设计； 截面环形调和法； 光照渲染； 光照辐射亮度； 三维建模 中图分类号： TN911.73?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）11?0175?04 Research on interior color design based on computer virtual technology JIANG Guangjian （Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China） Abstract： The illumination rendering is ignored in traditional interior color design， which leads to the poor sense of reality of design effect. Therefore， a new interior color design method based on computer virtual technology is proposed to determine the outline and conditioning features of each object in the room， and the key two?dimensional coordinate points. The computer is used to calibrate the 2D coordinates and transform them into 3D coordinates to realize 3D modeling of indoor scene. The cross section ring?shaped harmonic method is used to design the interior color. On this basis， the illumination radiance of each pixel point in the interior design scene is obtained by means of radiation method， and the illumination of indoor scene is rendered to realize the illumination of uniform brightness surface light source of the interior color design. The experimental results show that the interior color design results obtained by the proposed method have strong sense of reality and high quality. Keywords： virtual technology； interior color design； cross section ring?shaped harmonic method； illumination rendering； illumination radiance； 3D modeling0 引 言 近年来，多媒体技术发展迅速，便于人们交流，使得计算机虚拟技术更加普遍化，被广泛应用于室内色彩设计领域[1]。在室内设计过程中，色彩设计是关键阶段。室内设计色彩主要取决于设计师与用户的主观意愿，为了使设计作品达到用户满意的程度，研究了一种基于计算机虚拟技术的室內色彩设计方法，从而协助室内设计师实现室内色彩设计。传统CACD室内色彩设计方法通过二维图像对室内色彩设计作品进行展示，真实感不强，且忽略了光的渲染，导致室内色彩设计效果不佳[2?3]。针对上述方法的弊端，本文提出一种新的基于计算机虚拟技术的室内色彩设计方法，使设计师以方便、快捷的展示方法对其设计意图与实施效果进行表达。1 基于计算机虚拟技术的室内色彩设计1.1 室内场景建模 对室内色彩进行设计前，首先需确定室内各物体外形轮廓与调理特征，为此，本节介绍室内场景建模过程，建模重点在于关键二维坐标点的确定，过程如下： [a=a+εUl] （1） [b=b+εUt] （2） 式中：[Ul]与[Ut]依次用于描述室内场景轮廓变化模式矩阵与纹理变化矩阵；[ε]用于描述控制参数。通过改变参数[ε]获取不同外形轮廓与物体纹理，以及室内场景关键点的二维坐标[4]。 关键特征二维坐标得到后，利用计算机进行坐标标定，实现二维坐标与三维坐标的转化。图1描述的是摄像机机位示意图。 摄像机安装好以后，进行室内整体环境的图像采集。图1中，[Q]为室内物体重要特征点；[Q1]与[Q2]为两个成90°的摄像机成像点，[O1Q1]和[O2Q2]的交点与点[Q]重合。采集图像时，令摄像机光轴和室内物品坐标系的[x]轴重合，令摄像机[z]轴和室内物品坐标系[z]轴重合。依据线性摄像机模型，通过下式实现转换： [r1=fL-ab] （3） [s1=fL-ac] （4） [r2=fL-acosα+bsinαbcosα-asinα] （5） [s2=fL-acosα+bsinαc] （6） 式中：[f]用于描述摄像机的焦距；[L]用于描述拍摄距离。实现上述二维坐标与三维坐标的相应转换，即为[a，b，c]，连接这些坐标可以实现室内场景三维模型的建立。1.2 室内色彩设计 本节利用截面环形调和法实现室内色彩的设计，截面环形调和法如图2所示。 首先对三点调和进行描述，设基色点为[Om0n0K0]，则与其调和的两个色彩点[Om1n1K1]与[Om2n2K2]存在：[m1=m2=m0，][n1=n2=n0，][K1≠K2≠K0]。设过点[Om0n0K0]的色彩环半径为[R，]则存在[5][a2+b2=R2，]且[c=c0]。计算与[b=0]平面的夹角[θ]： [θ=arctan b0a0] （7） 对上述平面整色环坐标进行转换，公式如下： [O′mnK=OmnK×Z] （8） [O′m1n1K1=-32R，-12R，c0，1] （9） [O′m2n2K2=32R，-12R，c0，1] （10） 当顶点[Z=3]时，确定几何框架与色彩环相对应的调和点坐标，即： [Om1n1K1=O′m1n1K1×Z-1] （11） [Om2n2K2=O′m2n2K2×Z-1] （12） 通过式（11），式（12）即可实现室内色彩的调和，达到室内色彩设计的目的。1.3 光渲染方法 本节在上述分析的基础上进行光渲染处理。在室内色彩设计时，依据布光原则，一个空间中通常存在主光照明、辐光照明和背景光照明，其中主光照明对室内设计的影响最大，是决定整个空间照明和亮度的关键性因素，因此对主光渲染进行研究非常重要[6?7]。 本节通过辐射方法求出室内设计场景中各像素点的光照辐射亮度，对室内场景光照进行渲染，主要包含光能直接辐射、光能反射与光能折射[8]。辐射亮度的计算公式为： [Ox，τ=Ogx，τ+ΨOvx，τ，τcosβfrx，τ，τdτ] （13） 式中：[Ox，τ]用于描述物体表面某点[X]在[τ]方向射出的辐射度；[Ogx，τ]用于描述相同点、相同方向的直接光照；等式右侧第二项用于描述反射与折射的间接光部分。 在室内色彩设计中，渲染灯光的模拟，可采用直接光组合对间接光的平均亮度值的方式进行。尽管间接光的计算较为繁杂，然而其整体亮度差异小，所以可将其用亮度色阶光照的形式进行描述。通过直接光组合形成一个均匀亮度的面光源对间接光进行模拟，渲染效果符合全局光照中间接光的特性，可满足间接光照效果要求。为了获取理想的室内光照效果，可选用下列灯光阵列组合的形式：灯距与照射距离一致；远距离衰减距离是灯距的2倍。光照模型如图3所示。 在灯光阵列光照模型中，通过泛光灯作距离相同的灯光阵列[9]，假设泛光灯灯照与平面之间的距离用[c]进行表示，远距离衰减区域直径用[d]进行表示，阵列灯距用[e]进行表示，在[x]轴取与光源垂直的线段，假设该线段上方存在[m]个光源，则通过式（14）求出线上所有点的光照亮度： [Oxi=i=1mOixi，τi] （14） 通过上述方法即可实现室内色彩设计均匀亮度面光源的照明效果，从而完成对间接光的模拟。2 实验结果与分析2.1 本文方法设计结果 本节通过本文方法对室内色彩进行设计，首先对室内场景进行建模，以客厅为例，构建室内三维模型。利用摄像机进行二维图像的采集，而后把平面图形转换成三维模型，完成其色彩的设计后，进行三维模型的渲染。三维建模要以符合实用功能为前提，要充分考虑平面布局中家具和室内环境的空间关系。三维建模中的3D平面是室内三维场景搭建的基础，在3D平面上通过多边形建模即可确定客厅空间，对客厅沙发、桌椅的位置和比例进行确定，通过布尔计算获取窗户墙面形状，如图4所示。获取空间比例和尺度后，需对室内场景中其他道具进行细节化处理。 针对沙发邊缘线，对倒角半径与面数进行控制，从而实现对沙发软硬程度的调整。针对形状特殊的椅子类道具，在建模时通过调点法完成对椅子形状的调整，获取所需挤出的面，得到椅子扶手形状，通过不同工具与挤压法确定椅子造型，如图5所示。 增加物品点缀是室内场景三维建模的最后一个阶段。在特定模型面数下，可利用增加物品点缀的方式增添室内场景的活跃性效果，本节添加了酒杯、书本等点缀，最终室内场景三维建模效果如图6所示。 为了使室内色彩设计效果更加直观，本节为搭建客厅场景中的家具赋予不同材质球，见图7。图7a）是建立的材质球。为了加快运行效率，通过颜色对材质球进行辨别，不对材质球进行叠加操作。把建立的材质球添加至客厅的墙面、地板和沙发等。图7b）为客厅添加材质球后的效果图。 通过材质库实现配色后，设置不同的光环境，对灯光环境的旋转角度、亮度等参数进行调整，从而实现室内场景光环境的调整，如图8所示。 通过本文方法模拟各种材质设计客厅家具后的效果，图9给出的是替换家具颜色后室内色彩设计整体效果。分析本文方法室内色彩设计过程可知，通过本文方法能够有效实现室内色彩设计，真实感强，有助于设计师更加直观地展示设计作品。2.2 设计结果对比测试 为了验证本文方法设计结果的有效性，选择50个设计师，令设计师分别采用本文方法、CACD方法和色彩转换关系方法对室内色彩进行设计，通过评价梯度和UIQD对设计作品的质量进行评价，取评价指标测试结果的平均值作为评价结果。 平均梯度是图像微小细节反差和纹理变化特征的体现，平均梯度越大，认为其细节反差和纹理变化越小，公式描述如下： [G=1M×Ni=0M-1j=0N-1ΔI2x+ΔI2y2] （15） 式中：[ΔIx]和[ΔIy]依次代表[x]和[y]方向的差分；[M，][N]代表像素。 UIQD为图像质量指数，是人眼视觉质量的体现，其值越高，认为人眼视觉质量越高，可通过下式求出： [UIQD=4σxyμxμyσ2x+σ2yμ2x+μ2y] （16） 式中：[σx，][σy，][σxy]分別表示图像在不同方向的灰度方差和协方差；[μx，][μy]表示图像色彩值。 三种方法室内色彩设计评价结果如表1所示。 分析表1可知，通过本文方法设计的室内色彩设计作品，平均梯度和图像质量指数均明显高于CACD方法和色彩转换关系方法，说明本文方法室内色彩效果好，验证了本文方法的有效性。3 结 论 本文提出基于计算机虚拟技术的室内色彩设计方法。对室内场景进行三维建模，通过截面环形调和法对室内色彩进行设计，对设计结果进行光渲染。经实验验证，采用所提方法得到的室内色彩设计结果真实感强，质量高。 参考文献 [1] 方力洋，王进，陆国栋.拓扑信息区域匹配的室内设计色彩转移算法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2017，29（6）：1044?1051. 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