郭巍，武平，蘇穎，晉春杰，徐武

（云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南昆明650000）

傳統(tǒng)生態(tài)環(huán)境修復(fù)成本高、成效不穩(wěn)定，若修復(fù)方案出現(xiàn)差錯，還會對環(huán)境造成更多破壞。通過虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)，利用建模軟件建立場景，加入地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的信息，將生態(tài)格局作為城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)的重要因素[1]。利用實時貼圖模擬修復(fù)過程中生態(tài)環(huán)境的變化，隨后進行可視化展示與多維交互[2]，為生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供輔助信息與技術(shù)支持。

1 環(huán)境修復(fù)總體框架設(shè)計

1.1 灰盒集成模式的運用

分析歸納現(xiàn)有的“白盒”、“黑盒”兩種GIS和VR集成方式，并引出“灰盒”模式[3]。其特點與優(yōu)勢如表1所示。

表1 集成模式對比

“灰盒”模式兼顧程序運行時的外部狀況與內(nèi)部邏輯[4]，最大化保證GIS系統(tǒng)與VR系統(tǒng)的功能完整性，可以為環(huán)境修復(fù)提供充分的技術(shù)支持。

1.2 可擴展標記語言傳輸數(shù)據(jù)

為使GIS系統(tǒng)與VR系統(tǒng)之間能夠相互傳遞數(shù)據(jù)，可引入可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）。XML技術(shù)可以對數(shù)據(jù)進行標記，對數(shù)據(jù)的類型進行定義和歸類[5]，處理后的數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)化、獨立于應(yīng)用程序的特點，且XML的標準性和可擴展性也滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨?。由此建立的互操作模型如圖1所示。

圖1 基于XML技術(shù)的GIS-VR互操作模型

客戶端利用瀏覽器插件實現(xiàn)場景的顯示；網(wǎng)絡(luò)端用于響應(yīng)請求及通訊；數(shù)據(jù)信息端使用數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，并形成虛擬城市用以網(wǎng)絡(luò)端進行調(diào)用。

1.3 建立城市模型與數(shù)據(jù)庫

城市包含道路、綠化區(qū)等不同類型、形狀各異的基本單元，為直觀、清晰立體地展現(xiàn)，可使用3DMAX建模軟件?？梢暬膱D形建模與高效的渲染與紋理效果完全滿足復(fù)雜城市模型的構(gòu)建[6]。3DMAX輸出文件格式為wrl，使用Inline節(jié)點內(nèi)嵌至X3D文件中，再利用X3D-Edit編輯器完成場景的后續(xù)制作。3DMAX與X3D軟件都支持XML編碼，滿足數(shù)據(jù)傳輸與共享的需求。

城市環(huán)境信息可通過采樣分析獲得，進行標準化歸類[7]，建立生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫。通過對環(huán)境信息的分析，為決策者提供輔助信息，使生態(tài)環(huán)境修復(fù)過程直觀、高效[8]。

2 環(huán)境修復(fù)的實現(xiàn)

城市是一種復(fù)合生態(tài)體系，進行生態(tài)環(huán)境修復(fù)要綜合考慮空間合理、環(huán)境匹配等要素[9]，從而確定修復(fù)方案。針對具體的修復(fù)內(nèi)容及技術(shù)實現(xiàn)，下文以生態(tài)環(huán)境修復(fù)中的綠化問題為切入點，從樹木構(gòu)建，類型選擇與切換進行闡述。

2.1 修復(fù)方案的確立

不同城市、不同污染狀況，需建立不同的三維虛擬現(xiàn)實場景，使用不同的修復(fù)方案。修復(fù)方案的編制、實施、效果反饋及優(yōu)化改進是一個完整的過程，如圖2所示。

圖2 城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)流程圖

2.2 樹木構(gòu)建

綠化是環(huán)境修復(fù)過程的重要一環(huán)，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，首先解決樹木構(gòu)建的問題。對于樹木模型，若直接使用三維立體模型展示樹木的枝干、葉片等信息，雖然信息表達全面，但過多的細節(jié)描述代碼會占用大量內(nèi)存空間，且調(diào)用緩慢，展現(xiàn)效果不理想。鑒于此，利用“降維”的思路，首先構(gòu)建樹木的二維平面模型，然后利用垂直交叉的方式模擬三維立體狀態(tài)。這樣既能保證立體性與真實性，又能優(yōu)化內(nèi)存的使用。相關(guān)代碼如下（因部分代碼過長，用“**”簡略表示）：

1）建立樹木的正面二維平面模型：

2.3 實時貼圖完成樹木選擇

針對不同的土壤、地形、場景，選擇不同種類的樹木。對每一種樹木使用貼圖的方式進行展示，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率[10]。部分核心代碼如下：

1）利用接觸傳感器節(jié)點建立選擇按鈕：

通過點擊按鈕，觸發(fā)“TREE1”和“TREE2”事件，通過MFString節(jié)點解析出路徑為“map/1.png”的貼圖地址，之后將其賦值給ImageTexture節(jié)點“tu_1”的url屬性[11]。從而實現(xiàn)鼠標選擇不同樹木，場景實時更新展示。本系統(tǒng)內(nèi)置了5種不同類型的樹木，展示效果如圖3所示。

2.4 實際位置的確定

在虛擬場景中“種植”了樹木，就需要在現(xiàn)實場景中確定其真實位置。在模型建立過程中，可以獲得每個模型的虛擬坐標，即可推算出真實位置坐標。

（x0，y0，z0）為已知點位置，需確定位于（x1，y1，z1）坐標點樹木的位置。λ為比例系數(shù)，以建筑物實際可測距離（長度l、寬度w、高度h）與系統(tǒng)建模的對應(yīng)模型的參數(shù)（長度l0、寬度w0、高度h0）之比，即：

為方便建模，存在λ（l）≠λ（w）≠λ（h），則計算實際位置時，應(yīng)使用相對應(yīng)的比例系數(shù)，有：

2.5 修復(fù)結(jié)果的展示及應(yīng)用

修復(fù)完成的虛擬現(xiàn)實場景可通過BS_Contact軟件在客戶端展示。修復(fù)人員也可直接進行操作。該系統(tǒng)在大學(xué)團結(jié)廣場進行了試用，內(nèi)容包括樹木的選擇，廣場石磚的鋪設(shè)，路燈的安置等，修復(fù)后的現(xiàn)實效果如圖4所示。

圖4 廣場修復(fù)現(xiàn)實效果圖

通過與圖3虛擬修復(fù)場景對比可知，該系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)“復(fù)原”現(xiàn)實場景，并在虛擬場景中完成綠化等操作，可以為環(huán)境修復(fù)提供有效直觀的判斷，能起到輔助作用。

3 場景交互功能的實現(xiàn)

城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)的過程需要修復(fù)人員的實時參與，這就提出了對虛擬系統(tǒng)多維交互的要求。加入力觸覺可以使修復(fù)人員更直接的了解修復(fù)過程，從而建立其與虛擬環(huán)境更為密切的聯(lián)系[12]。

3.1 動態(tài)手勢的識別

手勢的運動形成運動軌跡，通過獲取手勢的位置坐標、運動速度以及手心偏轉(zhuǎn)角度來“定位”軌跡?？紤]到運動速度的獲取較為繁瑣，而直接使用位置坐標存在數(shù)據(jù)量大的缺陷，故使用更為簡便的手心偏轉(zhuǎn)角度作為特征值簡化分析。手勢運動的連續(xù)性使得角度變化的連續(xù)，θ可取值[0，2π]。假設(shè)從T時刻到T+t時刻手勢發(fā)生了運動，利用手心位置坐標的位移變化（ΔX，ΔY），計算θ=arctan（ΔX/ΔY）。將整個周期均勻切割12份，即每π/6量化為一個方向[13]，簡化特征值個數(shù)的同時并不會誤判手勢運動的軌跡，有利于動態(tài)手勢識別速度的提升。

3.2 基于Hu不變矩的手勢動作實現(xiàn)

定位點的檢測會因為觀察點的放置（距離、角度和位置的不同）而得到不同的三維動作圖像，這會嚴重影響手勢動作軌跡識別過程的準確度。為克服此不足，可使用Hu不變矩作為三維動作圖像的特征向量，實現(xiàn)動作識別及優(yōu)化。

首先計算手勢動作軌跡的不變矩，通過將三維動作圖像投影到3個相互正交的投影平面上，得到分別位于XY、YZ和ZX面的3個二維圖像[14]。這樣的投影處理可以簡化不變矩的計算過程，提高手勢動作軌跡的識別效果。對3個二維圖像分別計算，最終得到7個不變矩M1～M7，其具有平移不變性、旋轉(zhuǎn)不變形和縮放不變性3大特點。由于直接計算得到的不變矩絕對數(shù)值太小不便于比較，可以取絕對值并通過對數(shù)處理進行放大[15]：

分析放大處理后的不變矩Mk與標準手勢動作不變矩Hk的相似度Φ：

可知，當(dāng)Φ≈1時，表示對所檢測到的動作完成識別與匹配。

3.3 利用HMM算法優(yōu)化手勢識別

為了提高手勢識別的性能，可將HMM的動態(tài)手勢識別算法的功能模塊嵌入在交互系統(tǒng)中，以提高手勢識別的精確度。對于每一個手勢的HMM模型，尋找輸出概率最大的狀態(tài)路徑，即P（O|λ）最大[16]。手勢識別時，當(dāng)PA取值最大時沒有識別為手勢A，則需要將手勢A數(shù)據(jù)再次輸入至該HMM模型作，利用迭代訓(xùn)練優(yōu)化手勢A的模型參數(shù)[17]。

4 結(jié)束語

本文利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了對城市的仿真與環(huán)境的修復(fù)，利用實時貼圖與節(jié)點內(nèi)嵌調(diào)用的方式，提高了系統(tǒng)的運行效率，且圖形展示鮮明，效果流暢。同時通過多維交互，強化聽覺、視覺、觸覺感知，提高了系統(tǒng)的可操作性，加深了沉浸感。該系統(tǒng)在學(xué)校綠化建設(shè)上的試用，效果良好，確實可以提供技術(shù)支持，輔助環(huán)境修復(fù)。未來對系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化及專業(yè)領(lǐng)域的研究與開發(fā)，還可以運用于城市規(guī)劃、電力線路設(shè)計等方面，具有一定的推廣價值。