CN102737409B - 一种三维虚拟室内设计方案的生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维虚拟室内设计方案的生成方法，首先，在模型数据库中存储室内设计元素的三维模型，输入已装修好的样板房的三维模型，提取每个房间的名称以及房间的风格特征参数和家具布局特征参数；从模型数据库中获取对应的室内设计元素三维模型，添加在待装修的毛坯房的三维模型中；根据所述语义文件中对应的家具布局特征参数获取模型数据库中对应的家具模型，并添加在房间的对应位置，生成毛坯房的三维虚拟室内设计模型。本发明能够根据一个室内场景模板自动生成多个同类风格的三维室内场景模型，实现大规模室内场景的自动建模，大大减少交互量，并能移植到不同的应用平台上。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种三维虚拟室内设计方案的生成方法。
背景技术
在虚拟现实领域中，三维场景的设计与建模是最重要并且最耗人力的工作之一。建筑物的三维模型作为重要的场景模型具有广泛的应用，例如楼盘展示、安全预演、虚拟家装等等。而目前三维场景主要由美术人员手工建模，需要专业的知识技术和较长的建模周期。面对日益增长的三维场景建模需求，如何提高场景建模效率成为了一个重要课题。虚拟三维场景的自动生成技术为提高场景建模效率作出了重要贡献，该技术主要有两类实现方案，一是基于约束的空间自动布局技术，一是基于知识的从文本到三维场景的转换。从现有的方法来看，大部分生成场景的过程是“从无到有”的构建，很少有对现有场景进行复用与共享，建模效率还有待提高。
现有技术方案一是一种基于本体技术的三维场景建模方法和系统，该方案是针对已有建模方法成本高、耗费大，建模过程过于复杂的缺点提出的一种可以整合领域专家对建模场景描述的本体建模方法及系统。方案具有交互简单，易于使用，构建的场景符合客观事实，特别是针对需建立符合特定历史规定的历史场景的应用过程中，该发明能够较好的将历史学家、建筑学家、计算机专家等对历史场景的正确描述结合起来，构建出符合历史和地理特点的特定历史场景。缺点是需要预先准备领域知识，只适用于具有明确特征的室外场景。
现有技术方案二是一种基于实例和约束的三维场景概念设计系统，该系统首先根据所获取的场景实例中所蕴含的不同层次的语义信息，对其进行场景元素过滤和场景语义标注，并由此构建三维场景实例库；相应地，对场景中可能出现的元素类别进行分类和语义标注，并建立场景元素库。接着，应用基于实例的方法，并结合场景设计过程中涉及到的知识，得到与实例特征相近的三维场景。该方案的缺点是根据对目标场景的描述，在实例库中找到相似案例生成具体的目标场景，不支持从三维场景获取相关信息生成新的三维场景。
在虚拟家装的应用中，室内设计是一个重要的模块。使用现有的交互式室内设计软件，完整地完成一套房子的装修设计耗时很大。而目前的生成三维场景的大多数方法都是只能生成单个场景，不能通过对某一类场景风格的学习生成具有相同风格的另一个场景。
发明内容
为了提高风格化室内场景建模的效率，本发明提出了一种三维虚拟室内设计方案的生成方法，针对交互式虚拟家居设计的应用，能够复制三维虚拟室内场景的设计风格，能够快速生成室内三维设计模型，解决快速生成与样板房见具有相同设计风格的室内场景的设计方案的问题。
本发明的主要思想在于从已有室内装修风格样本中提取相应风格特征的参数，指导新的场景生成，然后将相应的风格参数转换为三维表现形式，复制于待装修的毛坯房的三维模型中，最后通过约束函数调整毛坯房中各设计元素的位置和比例关系，生成完整的风格统一的室内设计方案。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种三维虚拟室内设计方案的生成方法，包括步骤：
A、在模型数据库中存储室内设计元素的三维模型，每个设计元素的三维模型具有唯一ID号和所属类别；
B、输入已装修好的样板房的三维模型，提取每个房间的名称以及房间的风格特征参数和家具布局特征参数，生成描述设计风格的语义文件；
C、输入待装修的毛坯房的三维模型，根据毛坯房每个房间的名称从所述语义文件中获取相同名称样板房房间的风格特征参数和家具布局特征参数；
D、根据所述风格特征参数从模型数据库中获取对应的设计元素三维模型，添加在待装修的毛坯房的三维模型中；
E、根据所述语义文件中对应的家具布局特征参数获取模型数据库中对应的家具模型，并添加在房间的对应位置，生成毛坯房的三维虚拟室内设计模型。
作为上述技术方案的优选，所述步骤A中室内设计元素包括地板、墙壁、门、窗和家具。
作为上述技术方案的优选，所述步骤B中
风格特征参数包括地面材质、墙面材质、地面与墙面的颜色对比度、门和窗的id号、家具的id号和该家具在该房间内的局部坐标；
家具布局特征参数包括该家具在房间内的局部坐标、家具背面与最临近墙的夹角、是否靠墙和是否靠角落。
作为上述技术方案的优选，所述步骤B中生成语义文件是将所述风格特征参数和每个房间内家具布局特征参数组织为xml格式的文件。
作为上述技术方案的优选，所述步骤C进一步包括以下步骤：
将毛坯房的房间称为目标房间，样板房的房间称为源房间，设目标房间数量为i，源房间的数量为j；
如果i≤j，在源房间中取前i个房间，依次将风格特征参数和家具布局特征参数复制到i个目标房间内，转至步骤C；
如果i＞j，依次将j个源房间的风格特征参数和家具布局特征参数复制到j个目标房间，接着在源房间中随机选择i-j个房间将风格特征参数和家具布局特征参数复制到余下的i-j个目标房间，转至步骤D。
作为上述技术方案的优选，所述步骤E中将模型数据库中对应的家具模型，并添加在房间的对应位置进一步包括以下步骤：
将家具布局所需要满足的约束用代价函数用下述公式来表示：
C(Φ)＝wa*ca(Φ)+wp*cp(Φ)+wo*co(Φ)+wpair*cpair(Φ)
其中，Φ表示一个家具布局方案，ca(Φ)为靠角落的代价函数，cp(Φ)为靠墙的代价函数，co(Φ)为家具与最近墙体之间角度的代价函数，cpair(Φ)为成对家具的代价函数；
如果所述家具模型有靠墙或靠角落的属性，而在目标房间的初始位置未满足停靠要求，则通过平移方式移动到离该家具最近的墙边或角落；
如果在平移的过程中没有找到合适的位置，则通过旋转找到与当前墙面相邻的墙面或下一个角落；
如果一个家具模型经过平移和旋转过程后还不能摆放到合理的位置，则在模型数据库中通过查询列表找到另外一个同类型的家具替代。
作为上述技术方案的优选，所述在模型数据库中通过查询列表找到另外一个同类型的家具替代，具体为用占地面积小于所述家具模型的另一个家具模型代替。
本发明的技术效果在于：
采用本发明的方法，能将同类装修风格套用到不同结构的户型上，快速生成不同风格的室内三维模型，也能在同一套户型上快速生成不同风格的装修效果，能够大幅度减少手工交互设计的工作量，提高室内场景的建模效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明具体实施方式的三维虚拟室内设计方案的生成方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的下述具体实施方式中，毛坯房指未经过装修的室内三维场景模型，样板房指装修后的室内三维场景模型，是由毛坯房、门窗模型以及具有特定材质属性的地板和墙纸模型组成的。
如图1所示，为本发明一种三维虚拟室内设计方案的生成方法的具体实施方式，包括以下步骤：
步骤101、在模型数据库中存储室内设计元素的三维模型，每个设计元素的三维模型具有唯一ID号和所属类别；
在该步骤中，风格特点是按不同功能类型的房间来划分的，例如中式客厅，欧式阳台，日式卧室等等。房间风格特点是通过该房间地板、墙壁材质、门窗材料以及家具的摆放位置来描述的。模型库中储存了大量地板、墙壁、门、窗和各种家具的三维模型，每个三维模型都对应了id号和所属类别，每个类别按照家具模型的占地大小排序。
步骤102、输入已装修好的样板房的三维模型，提取每个房间的名称以及房间的风格特征参数和家具布局特征参数，生成描述设计风格的语义文件；
根据输入的样板房的三维模型，对每个房间分别提取风格特征参数。风格特征参数包括地面材质、墙面材质、地面与墙面的颜色对比度，门和窗的id号、家具的id号以及该家具在该房间内的局部坐标。
提取每个房间内家具布局的特征，其中，家具由其三维模型的包围盒表示，并将“背面”标记。单个家具有“是否靠墙”、“是否靠角落”的属性。单个家具的布局特征用该家具在房间内的局部坐标、家具背面与最临近墙的夹角、是否靠墙和是否靠角落组成的四元组<p，θ，w，c>来表示。
然后将每个房间的风格特征参数和房间内家具布局的特征参数组织成xml格式的文件，称为语义文件，用于描述样板房的设计风格。
步骤103、输入待装修的毛坯房的三维模型，根据毛坯房每个房间的名称从所述语义文件中获取相同名称样板房房间的风格特征参数和家具布局特征参数；
该步骤中，首先依次为毛坯房的每个房间获取样板房相同名称房间的风格参数：设当前要处理的房间名为room_name，毛坯房中名为room_name的房间称为目标房间，样板房中名为room_name的房间称为源房间。设目标房间数量为i，源房间的数量为j(例如毛坯房有3个卧室，样板房有2个卧室，则毛坯房的3个卧室统称为目标房间，样板房2个卧室称为源房间，i＝3，j＝4)，如果i≤j，转至2-1；如果i＞j转至2-2。
2-1.在源房间中取前i个房间，依次将风格复制到i个目标房间内，转至步骤104；
2-2.依次将j个源房间的风格复制到j个目标房间，接着在源房间中随机选择i-j个房间将风格复制到余下的i-j个目标房间。
步骤104、根据所述风格特征参数从模型数据库中获取对应的设计元素三维模型，添加在待装修的毛坯房的三维模型中；
步骤105、根据所述语义文件中对应的家具布局特征参数获取模型数据库中对应的家具模型，并添加在房间的对应位置，生成毛坯房的三维虚拟室内设计模型。
步骤104和105为参数解析过程，是将样板房的风格特征参数还原成三维模型，根据参数中各种材料、家具的id号，在模型库中找到对应的三维模型，根据语义文件中记录的家具摆放位置的坐标放置在目标房间的相应位置，这时候的位置称为初始位置。
在上述还原过程中，由于户型结构各不相同，系统将对室内家具的布局进行调整，得到合理的家具布局方案。合理体现在两个方面，一是几何合理，即家具不能穿越房间的墙壁。二是位置合理，即目的房间中家具的摆放位置要遵从源房间中同类家具的摆放位置，并且要满足人体工程学的基本原理，如家具与家具之间要保持一定的距离供人行走等等。本发明将家具布局所需要满足的约束用代价函数来表示，整体布局的代价函数是各个约束代价函数的加权和，通过对整体布局的代价函数求最优解，得到最好的布局方案。布局的调整方式包括对家具的平移、旋转和替换。
将家具布局所需要满足的约束用代价函数用下述公式来表示：
C(Φ)＝wa*ca(Φ)+wp*cp(Φ)+wo*co(Φ)+wpair*cpair(Φ)
其中，Φ表示一个家具布局方案，ca(Φ)为靠角落的代价函数，cp(Φ)为靠墙的代价函数，co(Φ)为家具与最近墙体之间角度的代价函数，cpair(Φ)为成对家具的代价函数。总的代价函数是以上四个代价函数的加权和，总代价函数的值越小，代表对应的家具布局方案越好。
如果所述家具模型有靠墙或靠角落的属性，而在目标房间的初始位置未满足停靠要求，则通过平移方式移动到离该家具最近的墙边或角落；
如果在平移的过程中没有找到合适的位置，则通过旋转找到与当前墙面相邻的墙面或下一个角落；
如果一个家具模型经过平移和旋转过程后还不能摆放到合理的位置，则在模型数据库中通过查询列表找到另外一个同类型的家具替代。
由于冲突一般是由家具面积大而摆放不下所引起的，因此可以找到一个占地面积较小的家具来替代当前家具。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种三维虚拟室内设计方案的生成方法，其特征在于，包括步骤：
A、在模型数据库中存储室内设计元素的三维模型，每个设计元素的三维模型具有唯一ID号和所属类别；
B、输入已装修好的样板房的三维模型，提取每个房间的名称以及房间的风格特征参数和家具布局特征参数，生成描述设计风格的语义文件；
C、输入待装修的毛坯房的三维模型，根据毛坯房每个房间的名称从所述语义文件中获取相同名称样板房房间的风格特征参数和家具布局特征参数；
D、根据所述风格特征参数从模型数据库中获取对应的设计元素三维模型，添加在待装修的毛坯房的三维模型中；
E、根据所述语义文件中对应的家具布局特征参数获取模型数据库中对应的家具模型，并添加在房间的对应位置，生成毛坯房的三维虚拟室内设计模型，
所述步骤E中将模型数据库中对应的家具模型添加在房间的对应位置进一步包括以下步骤：
将家具布局所需要满足的约束用代价函数用下述公式来表示：
C(Φ)＝wa*ca(Φ)+wp*cp(Φ)+wo*co(Φ)+wpair*cpair(Φ)
其中，Φ表示一个家具布局方案，ca(Φ)为靠角落的代价函数，cp(Φ)为靠墙的代价函数，co(Φ)为家具与最近墙体之间角度的代价函数，cpair(Φ)为成对家具的代价函数；
如果所述家具模型有靠墙或靠角落的属性，而在目标房间的初始位置未满足停靠要求，则通过平移方式移动到离该家具最近的墙边或角落；
如果在平移的过程中没有找到合适的位置，则通过旋转找到与当前墙面相邻的墙面或下一个角落；
如果一个家具模型经过平移和旋转过程后还不能摆放到合理的位置，则在模型数据库中通过查询列表找到另外一个同类型的家具替代。
2.根据权利要求1所述的三维虚拟室内设计方案的生成方法，其特征在于，所述步骤A中室内设计元素包括地板、墙壁、门、窗和家具。
3.根据权利要求1所述的三维虚拟室内设计方案的生成方法，其特征在于，所述步骤B中
风格特征参数包括地面材质、墙面材质、地面与墙面的颜色对比度、门和窗的id号、家具的id号和该家具在该房间内的局部坐标；
家具布局特征参数包括该家具在房间内的局部坐标、家具背面与最临近墙的夹角、是否靠墙和是否靠角落。
4.根据权利要求1所述的三维虚拟室内设计方案的生成方法，其特征在于，所述步骤B中生成语义文件是将所述风格特征参数和每个房间内家具布局特征参数组织为xml格式的文件。
5.根据权利要求1所述的三维虚拟室内设计方案的生成方法，其特征在于，所述步骤C进一步包括以下步骤：
将毛坯房的房间称为目标房间，样板房的房间称为源房间，设目标房间数量为i，源房间的数量为j；
如果i≤j，在源房间中取前i个房间，依次将风格特征参数和家具布局特征参数复制到i个目标房间内，转至步骤C；
如果i>j，依次将j个源房间的风格特征参数和家具布局特征参数复制到j个目标房间，接着在源房间中随机选择i-j个房间将风格特征参数和家具布局特征参数复制到余下的i-j个目标房间，转至步骤D。
6.根据权利要求1所述的三维虚拟室内设计方案的生成方法，其特征在于，所述在模型数据库中通过查询列表找到另外一个同类型的家具替代，具体为用占地面积小于所述家具模型的另一个家具模型代替。
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