CN116882025A - 一种基于虚拟现实的照明辅助设计系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于虚拟现实的照明辅助设计系统，包括：建模仿真模块，用于搭建场景模型与进行照明仿真；数据传输模块，用于实现不同平台之间的数据转换与实时传输；交互应用模块，用于为建筑师提供沉浸式的照明设计体验；方案推荐模块，用于在设计初始阶段提供以性能表现为导向的照明设计方案。该系统可以辅助建筑师实现虚拟现实下的照明方案交互设计，将照明模拟引入方案前期设计阶段，最大程度上提升设计效果与效率。
Description
技术领域
本发明涉及建筑照明设计领域，尤其涉及基于虚拟现实的照明辅助设计系统。
背景技术
近年来，随着计算机辅助建筑设计技术的不断发展，越来越多的研究者将建筑主观方案设计与客观性能仿真工具相结合，建立多功能集成式的辅助设计平台或系统，以方便将建筑性能仿真过程纳入到方案设计初期阶段，减少设计过程的循环往复，优化方案设计流程。
现有的集成式设计辅助系统对于虚拟现实的应用潜能尚未得到完全开发，且缺乏以性能导向为基础的可实时交互的集成式主客观设计辅助系统，未能实现可交互虚拟场景与建筑性能仿真软件的实时数据传输。
多项研究表明，设计早期对建筑性能把握的准确度是影响最终性能结果的重要因素之一。因此，将建筑性能设计纳入设计初期阶段，也是提升设计效果与效率的重要措施之一。
但是，当前设计师在进行性能优化设计时过于依赖自身经验，设计效率较低。
为解决现有技术存在的问题，本发明开发了一套基于虚拟现实的设计辅助系统。建筑师可以使用虚拟现实环境来使用该系统，以快速获取兼具主观感知舒适与客观性能表现优异的照明设计方案。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于虚拟现实的设计辅助系统。建筑师可以使用虚拟现实环境来使用该系统，以快速获取兼具主观感知舒适与客观性能表现优异的照明设计方案。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于虚拟现实的照明辅助设计系统，包括：
建模仿真模块，用于对场景信息和灯具信息进行建模、整理和优化，并根据所建模型进行室内光环境仿真模拟；
数据传输模块，用于实现Unity、Rhino、GH平台间的实时数据转换与传输；
交互应用模块，用于实现建筑师在虚拟现实下的建筑师主观评价和建筑光学性能模拟结果相结合的照明方案交互设计；
方案推荐模块，用于生成初步的优化设计方案，辅助建筑师进行照明方案设计。
进一步的，所述建模仿真模块基于Rhino-GH平台进行开发，包括基于Rhino平台的模型建立模块，和基于GH平台的仿真模拟模块。
进一步的，所述模型建立模块能够按照使用需求搭建模型，并对模型进行整理与优化后导出为.Obj或.Fbx格式。
进一步的，所述仿真模拟模块通过Ladybug&Honeybee插件调用Radiance软件进行室内光环境模拟。
进一步的，所述仿真模拟模块包括：
材质参数设置模块，对模型的顶棚、墙面、地面、窗的材质的光学参数进行设置；
模拟工作面选择模块，提供室内工作面所在平面和房间内壁表面两种可选的室内平面，输入网格切分的精度来获取基于当前室内平面的模拟工作面，同时得到细分后的各网格中心点作为模拟计算点；所述室内工作面指距离地面有一定高度的包括有桌面、台面等进行视觉作业的平面，在建筑规范中作为光度测量的约定平面；房间内壁表面是指室内的建筑结构表面，包括墙面、地面、天花板。
灯具模型生成模块，根据输入的灯具行数与列数对屋顶平面进行等比例划分，等比例划分后的网格点即为灯具生成的中心点；
灯具参数设置模块，根据已生成的灯具中心点坐标布置光源位置，由灯具光度学信息文件(.ies)生成光源数据信息；
模拟结果可视化模块，将根据模拟计算点计算的光学物理量的模拟结果进行标准化处理，并生成对应的图例信息，按照相应图例信息对模拟工作面上的每个网格赋予颜色和材质；
模拟结果输出模块，使用python语言对光学物理量的模拟结果进行二次处理，同时从Unity平台读取灯具状态信息文件，生成包括灯具状态信息和模拟仿真结果的照明模拟报告，灯具状态指灯具的开闭状态。
进一步的，所述数据传输模块内传输的数据包括：GH内的灯具位置信息、Rhino内的几何元素；数据使用C#语言构建数据传输接口，基于Rhino.inside.Unity插件，实现Rhino、Grasshopper、Unity三个平台内的数据传输；数据传输模块能够保持三个平台之间的数据互通，实现动态交互，无需进行二次调整。
进一步的，所述交互应用模块基于Unity平台进行开发，通过控制操作手柄上的交互按钮实现交互功能；包括虚拟场景建立模块、场景漫游模块、灯具参数调节模块、方案输出模块；
所述虚拟场景建立模块用于实时展示照明设计方案的室内场景与可视化结果；在Unity平台对从数据传输模块实时获取的所述模型建立模块的几何信息进行渲染，建立沉浸式虚拟环境以辅助建筑师感知照明环境，评价照明方案。
从数据传输模块实时获取的所述仿真模拟模块的模拟结果，并在Unity内进行实例化生成，为建筑师对照明设计方案进行客观评价提供基础；
所述场景漫游模块通过监测操作手柄按钮触发时指定的位置，使建筑师在虚拟场景中瞬间移动至对应位置；
所述具参数调节模块通过灯具状态控制函数实现控制灯具启闭，通过位置信息转换函数实现调节灯具位置；
所述方案输出模块用于输出最终的照明模拟报告和调节好的Rhino模型，所述照明模拟报告包括：灯具信息状态文件、照明仿真结果；所述灯具信息状态文件包括灯具位置信息和光源数据(.ies)文件。
进一步的，所述方案推荐模块推荐的方案由基于标准粒子群算法的照明优化设计推荐算法生成；所述推荐算法的优化目标函数为模拟工作面照度值；决策变量包括：室内场景平面设计参数、灯具位置参数、模拟工作面位置参数；所述推荐算法输出结果为各灯具位置坐标。
进一步的，该系统基于VR环境开发，使用电脑搭载HTC虚拟现实头戴设备。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明借助虚拟现实技术，开发了一套照明辅助设计系统，辅助建筑师实现虚拟现实下的照明方案交互设计，将照明模拟引入方案前期设计阶段，最大程度上提升设计效果与效率。
2.本发明通过搭建Unity、Rhino、GH平台间的实时数据转换与传输接口，将不同软件的数据集成在同一平台，实现建筑场景与照明模拟结果的实时传输与数据可视化，确保设计流程方便流畅。
3.本发明将虚拟现实环境中对照明环境的主观感知与光环境模拟的客观性能指标相结合，提供了可以从主观空间感受与客观建筑性能表现等多个维度认知、推敲、优化现有照明方案的主客观结合的可实时交互的可视化照明设计方法。
4.本发明通过虚拟现实游戏引擎，搭建了沉浸感较为真实的虚拟环境，能够较为真实地反映照明设计方案的效果，使设计师有更好的交互体验，引导设计师关注方案设计细节，统筹考虑设计整体与局部的关系，避免产生眩光或照明死角，提高设计方案的照明效率。
5.本发明中还涉及一种基于标准粒子群算法的照明优化设计推荐算法，建筑师可以通过简单便捷的交互操作获得优化推荐方案，弥补建筑师的主观失误带来的设计缺陷或缺乏经验导致的设计困难，提升设计效率。
附图说明
图1是本发明照明辅助设计系统的功能模块组成示意图；
图2是本发明照明辅助设计系统的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，本申请的一种基于虚拟现实的照明辅助设计系统，包括建模仿真模块、数据转换模块、方案推荐模块、交互应用模块。
建模仿真模块基于Rhino-GH平台进行开发，包括基于Rhino平台的模型建立模块和基于GH平台的仿真模拟模块。
模型建立模块用于在Rhino中搭建场景模型与灯具模型或将建立好的模型导入Rhino。在本实施例中，模型建立之后的步骤还包括：适当简化模型，删除不必要的场景装饰细节；对模型进行优化，删除多余的点、线、面等几何要素；整理模型信息，根据建模逻辑调整各组件从属关系；检查模型材质信息，对其材质参数与贴图坐标进行调整；将整理好的模型导出为.Obj或.Fbx格式导出。
仿真模拟模块用于通过Ladybug&Honeybee插件调用Radiance软件对建立的模型进行室内光环境模拟。包括材质参数设置模块、模拟工作面选取择块、灯具模型生成模块、灯具参数设置模块、模拟结果可视化模块和模拟结果输出模块。
材质参数设置模块用于对模型各部分材质光学参数进行设置。在本实施例选取的公共建筑案例中，各结构构件光学参数参考《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)中关于“人员长期停留房间内表面可见光反射比”的规定。
模拟工作面选择模块提供室内工作面所在平面和房间内表面两种可供选择的室内平面，并按照用户设置的划分密度进行网格划分。通过切分拾取的室内平面，获得基于当前形体的模拟工作面的网格，各网格中心作为模拟计算点；
灯具模型生成模块通过两个Grasshopper内的灯具位置控制Slider控制灯具在X、Y方向的移动。
灯具参数设置模块通过获取用户输入的.ies文件生成光源数据信息。
模拟结果可视化模块模拟数据映射至[1，50]区间，生成相对应的图例信息，并对其进行可视化处理。
在本实施例中，设置天空场景为纯黑天，选取照度值作为性能评价指标。模拟之前的步骤还包括：将Rhino几何模型转换为模拟程序所支持HBSurface格式。模拟之后的步骤还包括：将模拟结果传输至数据传输模块。
本实施例中数据传输模块使用C#语言构建数据传输接口，基于Rhino.inside.Unity插件实现Rhino-GH和Unity平台间的实时数据转换。传输的数据包括：GH内的电池元素，用于在不同平台内实时调整灯具位置，控制模拟运行，实现动态交互。Rhino内的几何元素，用于实现不同平台内几何数据形状、位置、颜色等要素的统一。
交互应用模块用于通过控制操作手柄上的交互按钮实现交互功能，实现建筑师在虚拟现实下的基于主客观评价相结合的照明方案交互设计。包括虚拟场景搭建模块、场景漫游模块、灯具参数调节模块、方案输出模块。
虚拟场景搭建模块从数据传输模块实时获取模型建立模块的几何信息，在Unity平台对进行渲染，建立沉浸式虚拟环境以辅助建筑师感知照明环境，用户基于所述环境对照明方案进行主观评价。从数据传输模块实时获取所述仿真模拟模块的模拟结果，并在Unity内进行实例化生成，用户基于所述可视化结果进行客观评价。
场景漫游模块通过获取用户触发手柄交互按钮时手柄射线与地面的交点位置，将使用者瞬间移动至该交点所在位置。
灯具参数调节模块获取用户对手柄交互按键的操作，通过灯具状态控制函数实现控制灯具启闭，通过位置信息转换函数实现调节灯具位置，使用户完成对照明方案的设计与调整。
用户对照明设计方案的主客观评价均满意后，通过手柄交互按钮控制方案输出模块，输出照明报告和优化后的Rhino模型。
方案推荐模块，用于生成优化设计方案，辅助建筑师进行照明方案设计。方案推荐模块通过获取用户输入的变量，包括：场景平面区域的长宽值、灯具高度、灯具数量、模拟工作面高度，输出各灯具位置坐标。所述优化设计方案由基于粒子群算法的智能照明优化设计推荐算法生成，通过所述交互应用模块的手柄上的交互按钮获取。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于虚拟现实的照明辅助设计系统，其特征在于，包括：
建模仿真模块，用于对场景信息和灯具信息进行建模、整理和优化，并根据所建模型进行室内光环境仿真模拟；
数据传输模块，用于实现Unity、Rhino、GH平台间的实时数据转换与传输；
交互应用模块，用于实现建筑师在虚拟现实下的建筑师主观评价和建筑光学性能模拟结果相结合的照明方案交互设计；
方案推荐模块，用于生成初步的优化设计方案，辅助建筑师进行照明方案设计。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的照明辅助设计系统，其特征在于，所述建模仿真模块基于Rhino-GH平台进行开发，包括基于Rhino平台的模型建立模块，和基于GH平台的仿真模拟模块。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的照明辅助设计系统，其特征在于，所述模型建立模块能够按照使用需求搭建模型，并对模型进行整理与优化后导出为.Obj或.Fbx格式。
4.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的照明辅助设计系统，其特征在于，所述仿真模拟模块通过Ladybug&Honeybee插件调用Radiance软件进行室内光环境模拟。
5.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的照明辅助设计系统，其特征在于，所述仿真模拟模块包括：
材质参数设置模块，对模型的顶棚、墙面、地面、窗的材质的光学参数进行设置；
模拟工作面选择模块，提供室内工作面所在平面和房间内壁表面两种可选的室内平面，输入网格切分的精度来获取基于当前室内平面的模拟工作面，同时得到细分后的各网格中心点作为模拟计算点；
灯具模型生成模块，根据输入的灯具行数与列数对屋顶平面进行等比例划分，等比例划分后的网格点即为灯具生成的中心点；
灯具参数设置模块，根据已生成的灯具中心点坐标布置光源位置，由灯具光度学信息文件(.ies)生成光源数据信息；
模拟结果可视化模块，将根据模拟计算点计算的光学物理量的模拟结果进行标准化处理，并生成对应的图例信息，按照相应图例信息对模拟工作面上的每个网格赋予颜色和材质；
模拟结果输出模块，使用python语言对光学物理量的模拟结果进行二次处理，同时从Unity平台读取灯具状态信息文件，生成包括灯具状态信息和模拟仿真结果的照明模拟报告，灯具状态指灯具的开闭状态。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟现实的照明辅助设计系统，其特征在于，所述室内工作面指包括有桌面、台面进行视觉作业的平面，在建筑规范中作为光度测量的约定平面；房间内壁表面是指室内的建筑结构表面，包括墙面、地面、天花板。
7.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的照明辅助设计系统，其特征在于，所述数据传输模块内传输的数据包括：GH内的灯具位置信息、Rhino内的几何元素；数据使用C#语言构建数据传输接口，基于Rhino.inside.Unity插件，实现Rhino、Grasshopper、Unity三个平台内的数据传输；数据传输模块能够保持三个平台之间的数据互通，实现动态交互，无需进行二次调整。
8.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的照明辅助设计系统，其特征在于，所述交互应用模块基于Unity平台进行开发，通过控制操作手柄上的交互按钮实现交互功能；包括虚拟场景建立模块、场景漫游模块、灯具参数调节模块、方案输出模块；
所述虚拟场景建立模块用于实时展示照明设计方案的室内场景与可视化结果；在Unity平台对从数据传输模块实时获取的所述模型建立模块的几何信息进行渲染，建立沉浸式虚拟环境以辅助建筑师感知照明环境，评价照明方案。
从数据传输模块实时获取的所述仿真模拟模块的模拟结果，并在Unity内进行实例化生成，为建筑师对照明设计方案进行客观评价提供基础；
所述场景漫游模块通过监测操作手柄按钮触发时指定的位置，使建筑师在虚拟场景中瞬间移动至对应位置；
所述具参数调节模块通过灯具状态控制函数实现控制灯具启闭，通过位置信息转换函数实现调节灯具位置；
所述方案输出模块用于输出最终的照明模拟报告和调节好的Rhino模型，所述照明模拟报告包括：灯具信息状态文件、照明仿真结果；所述灯具信息状态文件包括灯具位置信息和光源数据(.ies)文件。
9.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的照明辅助设计系统，其特征在于，所述方案推荐模块推荐的方案由基于标准粒子群算法的照明优化设计推荐算法生成；所述推荐算法的优化目标函数为模拟工作面照度值；决策变量包括：室内场景平面设计参数、灯具位置参数、模拟工作面位置参数；所述推荐算法输出结果为各灯具位置坐标。
10.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的照明辅助设计系统，其特征在于，该系统基于VR环境开发，使用电脑搭载HTC虚拟现实头戴设备。
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