《數字處理技術和圖像處理技術的室內設計系統研究》論文發表期刊：《現代電子技術》；發表周期：2021年09期

《數字處理技術和圖像處理技術的室內設計系統研究》論文作者信息：樊靈燕（1982—），女，上海人，碩士研究生，副教授，研究方向為室內設計。

　　摘要：為解決室內設計系統中圖像去噪及渲染效果較差的問題，提出數字處理技術和圖像處理技術相融合的室內設計系統，該系統的數據層將待處理圖像傳輸到邏輯層，由數字處理模塊使用新闊值函數的去噪算法對圖像能量的分布特點加以考慮，各小波系數與自身大小相同的降噪因子相乘，實現圖像去噪;圖像處理模塊使用雙向反射分布函數模型模擬物體漫反射，結合Torrance-Sparrow微面元模型模擬物體高光反射，實現圖像的渲染。邏輯層將處理完成的室內設計圖像傳輸到應用層，通過PC端或瀏覽器界面展示室內設計結果。該系統去噪后圖像平滑、清晰，邊緣分割明顯，圖像渲染后反射效果和光線效果良好，且圖像處理時間短，具有良好的室內設計效果。

　　關鍵詞：室內設計;數字處理;圖像處理;小波變換;渲染;融合;去噪;漫反射

　　Abstract: An interior design system which integrates digital processing technology and image processing technology is proposed to improve the image denoising and rendering effect in such systems. In the data layer of the system, the image underprocessing is transferred to the logical layer. The denoising algorithm based on new threshold function is used by the digital processing module to take account of the distribution characteristics of the image energy. Each of the wavelet coefficients are multiplied by the denoising factors with the same size of the corresponding wavelet coefficients to achieve the denoising of the image. The bidirectional reflectance distribution function (BRDF) model is used by the image processing module to simulate the diffuse reflection of the object and also simulate the highlight reflection of the object in combination with the Torrance-Sparrow microplane metamodel, so as to realize the rendering of the image. The processed interior design image is transmitted to the application layer by the logic layer. The interior design results is displayed by PC or browser interface. After the application of the designed system, the image after denoising has smooth image, clear edge and distinct segmentation, and the reflection effect and light effect after image rendering are good. In addition, the system can spend short time to complete image processing.Therefore, it has a good interior design effect

　　Keywords: interior design; digital processing; image processing; wavelet transform; rendering; fusion; denoising; diffuse reflection

　　0 引言

　　近年來人們的購房熱情日益高漲，房屋購買率的增加帶動室內設計產業的發展，具有便捷、高效特點的室內設計系統成為需求的主體[1]。傳統的室內設計系統需要傳輸大量信息才能實現相關場景的設計，使用者在聯網使用系統時存在卡頓、響應時間長等缺點，沒有給使用者帶來良好的使用體驗。目急需一款較信息量傳輸，能夠實現網頁瀏覽的室內設計系統，并且在圖像處理及數字處理方面具有良好的處理效果2-0目前的室內設計系統研究中，側重于智能語音使用的室內設計系統1，在數字處理技術和圖像處理方面存在極大缺陷;而使用多變限定作為基礎的室內設計系統0，雖然在渲染和去噪方面取得了一定的研究成果，但是圖像處理效果并不理想。

　　在室內設計系統中，調用和顯示圖像數據時會發生圖像數據傳輸，無論何種尺寸、何種像素的圖像，在傳輸過程中都會出現噪聲干擾的現象，影響圖像質量。對于室內設計系統來說，如果圖像信息不夠清楚，無法獲得良好的室內設計效果。為了改善圖像質量，一般會使用數字處理技術去除圖像中的噪聲，提高圖像信嗓比，實現突出圖像特征的目的"。在對圖像進行數字處理時，需要在去除噪聲的同時保證圖像邊緣細節信息保留明顯特征。常見的數字處理技術一般具備頻域和空間域局部分析能力，雖然能夠抑制噪聲干擾卻損失了邊緣信息，增加了圖像的模糊程度。小波變換局部化特性良好，保證去除噪聲后的圖像能夠在不同分辨率上表現紋理和結構，能夠準確檢驗圖像邊緣，降低噪聲干擾的同時保留圖像邊緣信息，使圖像質量得到提升，便于系統開展后續室內設計工作。

　　圖像處理技術能夠提升室內設計系統中圖像的視覺效果，完善系統性能。室內設計需要對圖案的色彩和紋樣進行設計，任何物體都能作為紋樣素材，而色彩提升則需要人為填充和處理。紋理屬于紋樣之一，針對紋理合成的相關設計技術是目前圖形處理、計算機視覺以及圖形學的主要研究熱點。紋理渲染能夠提升圖像表面細節，在實景效果中，能夠保證圖像的逼真效果。常用的視覺提升方法包括機器學習方面的圖像優化方法和圖像重構方法等m，但是渲染過程中經常出現偽色彩和單色渲染的情況。針對室內設計特性，使用物理作為基礎的渲染技術，使用光照算法并且開展優化處理，高度真實還原室內設計各元素的真實感，增強視覺傳達效果。

　　本文采用數字處理技術和圖像處理技術設計室內設計系統，獲得了良好的室內設計效果和視覺傳達效果。

　　1室內設計系統

　　1.1 系統整體框架

　　本文系統是一個混合式的架構系統，具體結構如圖1所示。該系統使用C#平臺和Net平臺，運用B/S

　　(Browser/Server，瀏覽器/服務器模式)與C/s(Client/Server，客戶機/服務器模式)結合的混合式架構，將web端作為統一的管理，為了實現設計協同和流程管理，先解決角色身份驗證和各參與方的權限集成。使用C/s結構模式滿足室內設計系統的高安全性、大數據傳輸、頻繁處理數據等要求，使用B/s結構模式滿足系統過于復雜的管理流程和過于廣泛的管理范圍0結合B/S結構模式與C/s結構模式的優點，實現室內設計系統的特點。該系統共包括三層，分別為數據層、邏輯層和應用層。數據層將圖像、權限等數據傳輸到邏輯層中，邏輯層的圖像處理、數字處理、權限管理等模塊對圖像等內容進行處理[11]，邏輯層完成相關內容處理后把設計結果傳輸到應用層，由 PC 端或者瀏覽器界面將室內設計結果顯示出來。

　　1.2 數字處理技術

　　使用數字處理技術降低系統中圖像的噪聲干擾。假設系統中存在某幅包含噪聲的圖像：

　　通過式(2)和式(3)可知，經計算得到的小波系數屬于原始圖像，逆變換小波獲得原始圖像。獲得原始圖像小波變化的核心如下：設置一個閾值 T，判斷小波系數的高頻域，如果小波系數大于該閾值，說明此小波系數較重要，需要保存;如果小波系數小于閾值 T，則將小波系數設置為 0。

　　式中：i的取值為 1, 2, 3，與 HL、HH、LH 三個子圖像(二維小波分解原始圖像后得到的子圖像，分別表示垂直高頻子圖像、對角高頻子圖像和水平高頻子圖像)對應;j = j0 , j1 , j2 ,⋯, J，J 代表小波分解層次;ci 與 σ 分別表示常數和圖像噪聲方差。

　　為降低去噪后圖像中包含的馬賽克，獲得良好的去噪效果，將存在差異的小波系數與小波系數關聯的降噪因子相乘，降噪因子值需要低于 1，同時，降噪因子與小波系數絕對值呈現反比例關系[12]。

　　在系統實際運行時，為防止卡頓，提升渲染的速度，需要假設所有方向上漫反射強度均相同[13]。為了真實模擬出室內各裝飾物的真實效果，需要調整 ro的值。

　　2)高光模擬�，F實生活中任何物體都存在高光反射，只不過強弱程度存在差異[14]。假設 n 與 mj 分別表示表面法線和微面元法線，微面元法線與表面法線并不完全相等，存在差異的微面元反射將相同的入射光線反射到不同的方向，假如微面元法線 mj達到觀察方向 v和入射方向 l的一半，可以將微面元法線 mj 作為高光參與到雙向反射分布函數模型計算中。實際計算時需要把各個微面元之間存在彼此遮擋的問題也考慮進去。

　　根據以上分析，運用 Torrance⁃Sparrow 微面元模型表示雙向反射分布函數模型的高光反射項

　　式中：D ( h )主要用來計算微面元占比多少能夠符合 mj，表示微面元法線分布函數;G ( l,v, h )計算微面元被遮擋部分的占比，也是陰影⁃遮掩函數;F ( l ⋅ h )表示入射光線中反射光線的占比，同時也代表剩余活躍微面元的Fresnel(菲涅爾)散射函數;4 ( n ⋅ l )( n ⋅ v ) 主要校正整體宏觀空間與微面元空間之間存在的表面數量差異[15]。 式(13)屬于比較高端的渲染方式，多用于電影動畫的渲染，能夠對非真實光照效果實行模擬，但是實際應用于本文系統中會導致系統運行過慢的問題，為提升系統運行速度，使用 GGX 模型作為基礎的高光反射公式模擬系統中物體的高光效果，運用 GGX 模型得到線分布函數 D ( h )為：

　　考慮實際物體的外觀情況，調節ro，取值為0.06時，高光效果更接近現實。

　　2室內設計系統的性能測試

　　為驗證本文系統性能，將某室內設計裝修公司作為研究對象，在該公司使用本文系統開展室內設計活動。為對比系統性能，將基于智能語音的室內設計系統和基于多變限定的室內設計系統同時應用到該公司的室內設計項目中，對比系統分別來自參考文獻[7]和參考文獻[8]。采集室內設計所需圖像樣本共1500個，像素值均為3264 x2 488，本文系統室內設計效果圖如圖2所示。從圖2中能夠看出，使用本文系統設計出的室內效果具有較清晰的視覺效果，光線效果接進現實環境中的光線效果，家具細節清晰明顯，效果圖中有箭頭標識，在系統中瀏覽效果圖時，可以通過點擊控制相應按鍵實現界面切換，如果需要打印則可以取消按鍵顯示，直接瀏覽效果圖。

　　將本文系統與兩個對比系統對所采集的素材圖像進行去噪處理，去噪效果如圖 3所示。

　　從圖 3 能夠看出，對比系統的去噪效果較差，去噪圖像存在較多毛刺和噪點，且邊緣劃分不明顯，出現部分邊緣缺失的情況;本文系統去噪后的圖像去除了噪點和毛刺，圖像平滑且邊緣劃分明顯，去噪后的圖像效果清晰，圖像細節信息保存良好，沒有出現馬賽克小格等不清晰情況。

　　在不同方差情況下，三種系統去噪結果如圖4所示。從圖4中可以看出，在不同噪聲方差下，本文系統的峰值信噪比最高，進一步說明本文系統具有更佳的圖像去噪效果。

　　對比不同系統渲染之后的效果，結果如圖 5所示。

　　由圖 5a)中能夠看出，該對比系統渲染圖像時出現圖像扭曲的情況，這主要是由于圖像的周圍遭受擠壓，中間部分被放大，圖像四周被拉伸而中間的采樣率高于原圖像。圖Sb)系統的渲染效果顏色偏暗且出現不規則光暈，主要是由于渲染率過大，失去圖像原有的真實效果。本文系統渲染后的圖像符合人眼習慣，減少了四周渲染率過大的情況，在透視分割之前合理修改裁剪空間，保證渲染效果，模擬出良好的光線效果和反射效果。

　　三種系統去噪和渲染所花費的時間對比見表1從表1中能夠看出，兩個對比系統在實時圖像去噪和圖像渲染時所花費的時間較長、效率較低，這主要是由于這兩個系統所使用的去噪和渲染方式計算時間較長，系統耗費時間較多。本文系統在實行渲染和去噪時花費時間較短，去噪時間保持在1.5s以下，渲染時間保持在2.7s以下，系統在數字處理和圖像處理方面效率較高。

　　3結語

　　本文從現代數字處理技術和圖像處理兩個方面設計了一種室內設計系統，該系統在實現圖像數據去噪和渲染方面具有良好的效果，去噪后的圖像平滑清晰、邊界明顯，經渲染后圖像上的物體具有良好的反射效果和高光效果，同時本文系統在進行渲染和去噪時所花費的時間較短，具有極高的運行效率，相比同類型系統具有極高的優勢，適合廣泛推廣。

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