虚拟现实技术在室内设计中的应用研究

论文摘要

一个完整的室内方案设计要耗费设计师大量的重复劳动,平面设计效果图和二维施工图难以全面表达设计师的设计理念,客户也难以全面了解和感受设计方案想要展示的三维空间规划,无法预先体验更是导致很多设计缺憾。随着计算机三维图形技术的不断发展,图形硬件的计算能力的大幅提升,以及近年来实时真实感渲染算法的大量研究应用,如今在PC图形工作站上利用虚拟现实技术实现虚拟漫游已经成为可能。本文对解决实现虚拟漫游中的提高建模速度和实现实时逼真渲染这两个关键性问题展开较为深入的研究。在三维实体建模、全局光照渲染算法及交互式实时逼真渲染等方面的研究成果基本达到实际应用的水平。在如何提高建模速度上,从减少不必要的重复劳动出发,尝试探索从三维模型程序生成两维施工图的实现方法。经过分析室内设计的业务需求和特点,提出了构件式参数化快速建模和模型资源复用的思路,并借助基于边界表示方法的开源CAD内核OpenCascade基本实现了这个目标。渲染质量和速度是可视化三维场景的一对矛盾,本文在前人研究成果的基础上,探索实现交互式实时渲染高真实感的室内场景的思路和方法,在开源项目MNRT的基础上,利用NVIDIA公司强大的应用程序引擎,包括光线追踪引擎OptiX、场景管理引擎SceniX和物理引擎PhysX,设计完成了一套具备商业应用价值的室内设计专用软件。本文最后展示了部分研究成果及其在实际家居工程室内设计中的应用案例,总结了虚拟现实技术的应用给室内设计师、客户和设计公司三者带来的益处,以及专用室内设计软件与其他软件组合的不同和优势。提出了不足之处和后续的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 虚拟现实技术的发展及其应用
• 1.1.1 计算机图形学诞生,VR思想萌芽
• 1.1.2 真实感图形学和实体造型技术产生
• 1.1.3 CG加速发展,真实感图形学成熟,VR技术产生
• 1.1.4 GPU时代来临,VR技术的发展日趋完善
• 1.2 VR技术在室内设计中的应用及问题
• 1.2.1 VR技术在室内设计中的应用
• 1.2.2 VR技术在室内设计应用中存在的问题
• 1.3 本文研究的内容和章节安排
• 第二章 本文相关的理论、技术和工具
• 2.1 三维建模理论
• 2.1.1 三维形体的计算机表示方法介绍
• 2.1.2 室内设计中三维形体表示法的应用
• 2.1.3 Mesh网格生成算法
• 2.1.4 三维场景数据组织
• 2.2 全局光照渲染技术
• 2.3 基于GPU的渲染技术
• 2.3.1 GPU和CUDA介绍
• 2.3.2 基于GPU的光线追踪
• 2.4 本文使用的相关工具
• 2.4.1 OpenCascade
• 2.4.2 B1ender
• 2.4.3 Qt
• 第三章 基于VR技术的室内设计系统的分析
• 3.1 室内设计业务流程
• 3.2 基于VR技术的室内设计需求
• 3.2.1 快速三维建模
• 3.2.2 施工图输出
• 3.2.3 效果图和动画输出
• 3.2.4 虚拟漫游
• 3.3 系统架构和功能模块分析
• 3.3.1 系统架构
• 3.3.2 建模与可视化模块分析
• 3.3.3 GPU引擎模块分析
• 第四章 基于VR技术的室内设计系统的设计与实现
• 4.1 建模系统设计与实现
• 4.1.1 系统类图
• 4.1.2 应用程序类和主界面
• 4.1.3 交互命令
• 4.1.4 模型元素
• 4.1.5 墙体自动连接功能实现
• 4.1.6 其他构件
• 4.2 可视化系统设计与实现
• 4.2.1 渲染数据准备
• 4.2.2 BREP模型网格化
• 4.2.3 材质系统
• 4.2.4 灯光系统
• 4.2.5 实时逼真渲染
• 4.3 家居工程项目应用实例
• 4.3.1 原始房型建模及硬装饰
• 4.3.2 软装饰模型导入和布置
• 4.3.3 可视化设计和三维虚拟漫游
• 4.4 分析与比较
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.1.1 本文完成的工作
• 5.1.2 后续工作
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢