郭建龍，熊 山，李曉瑩，祁彥威，吳澄凱

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司培訓與評價中心，廣東 廣州 510520; 2.廣東電網(wǎng)有限責任公司韶關供電局，廣東 韶關 512026;3.廣州保麗高網(wǎng)絡科技有限公司，廣東 廣州 510665)

0 引 言

采用虛擬現(xiàn)實技術可通過三維圖像和視景仿真方法構建虛擬場景，在虛擬場景中結合邊界體(Bounding Volume)模型渲染方法設計虛擬視景模型，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實培訓。采用虛擬視景仿真技術進行起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓，可以提高火災的滅火訓練能力[1]。相關的主變起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓方法研究受到人們的極大關注[2]。

傳統(tǒng)方法中，對應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)設計采用視點篩選控制方法和嵌入式控制方法，這些方法均需將所有必備的數(shù)據(jù)信息儲存為場景圖(Scene Graph)，根據(jù)起火應急演練虛擬視景模型進行優(yōu)化控制[3]，但上述方法的實用性較差。

針對上述問題，本文提出基于主變起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓方法。首先在3D虛擬現(xiàn)實視景模型下進行主變起火應急演練的圖像處理模型構建，然后結合主變起火應急演練模糊控制方法進行虛擬現(xiàn)實培訓的三維重構，實現(xiàn)主變起火應急演練虛擬現(xiàn)實培訓的控制，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中進行主變起火應急演練的視景重構，在視點位置中進行主變起火應急演練的3D虛擬現(xiàn)實模擬，實現(xiàn)基于主變起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓設計。最后進行仿真實驗分析，展示本文方法在提高起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓和3D視景仿真能力方面的優(yōu)越性能。

1 主變起火應急演練虛擬視景圖像分析和環(huán)境參數(shù)

為實現(xiàn)基于主變起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)設計，需分析圖像輸出模型，并計算起火應急演練虛擬視景的環(huán)境參數(shù)，為構建起火視景提供應急演練場所，以提高主變起火應急演練虛擬現(xiàn)實培訓的過程自適應性。

1.1 應急演練虛擬視景環(huán)境參數(shù)

為構建應急演練虛擬視景環(huán)境，需計算環(huán)境參數(shù)。虛擬視景環(huán)境設計需對虛擬視景環(huán)境圖像的單尺度特征進行計算并分解，將分解后的邊緣像素集特征信息進行融合。具體計算過程如下：

1)虛擬視景環(huán)境圖像的單尺度特征獲取。

采用分離面裁剪方法進行起火應急演練虛擬視景三維模擬設計過程中的單尺度特征提取[4]，特征提取函數(shù)為：

(1)

式中，fx和fy分別表示梯度方向上主變起火應急演練虛擬現(xiàn)實培訓模型；r表示特征閾值參數(shù)。

2)虛擬場景的特征分解。

對提取到的特征進行分解并篩選，在驅(qū)動配置程序中進行虛擬現(xiàn)實培訓的過程控制，得到起火應急演練虛擬視景三維模擬的單尺度特征分割模型描述為：

(2)

其中F(x,y)為起火應急演練虛擬視景三維模擬顏色特征匹配集，β為像素節(jié)點分布范圍，ml為子空間樣本集度，δl為局部方差。通過對起火應急演練虛擬視景三維模板匹配[5]，對起火應急演練虛擬視景進行層次化分解，得到特征分解方程為：

(3)

式中，Ji為最大特征值，Wi為噪聲子空間。

3)特征信息融合。

將分割后獲取到的有效特征信息進行融合，采用界面渲染和3D建模方法，對起火應急演練虛擬視景模型中的每個邊緣像素集進行圖像節(jié)點信息融合[6]，信息融合參數(shù)的計算公式為：

(4)

式中，gi表示常數(shù)矩陣，gj表示軟收縮函數(shù)。在紋理映射控制下得到起火應急演練虛擬視景模型設計的細節(jié)結構分量和顏色分量，結合特征重構方法，進行起火應急演練虛擬視景重構。

1.2 基于環(huán)境參數(shù)的圖像輸出模型

在3D虛擬現(xiàn)實視景仿真環(huán)境下進行主變起火應急演練虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)的圖像處理模型設計。采用區(qū)域分割方法，提取起火應急演練虛擬視景模型設計場景狀態(tài)信息Ψp與起火應急演練虛擬視景區(qū)域塊匹配的置信度Cp，結合自適應塊分割方法，得到起火應急演練虛擬視景仿真的紋理渲染中心特征量為x1,x2,…,xN，采用圖模型匹配方法，進行起火應急演練的虛擬視景三維模擬設計[7]。采用紋理特征分割方法，得到起火應急演練虛擬視景模型分割線，標記為Hp=-jω，其中ω表示場景數(shù)據(jù)庫中的關聯(lián)系數(shù)。在N×N塊區(qū)域內(nèi)，進行主變起火應急演練虛擬現(xiàn)實培訓環(huán)境圖像的特征關聯(lián)匹配，圖像特征關聯(lián)匹配函數(shù)為：

(5)

根據(jù)式(5)讀取匹配數(shù)據(jù)，結合視場控制方法，得到主變起火應急演練虛擬視景的圖像梯度信息：

(6)

式中，λ表示圖像像素梯度值。根據(jù)圖像梯度信息，結合圖像壓縮感知方法構建圖像輸出模型，模型表達式為：

(7)

其中，R表示環(huán)境光強。按照樣本模板尺寸匹配方法，對主變起火應急演練虛擬視景的圖像輸出模型進行參數(shù)設定，從而構建虛擬演練環(huán)境，提高應急演練虛擬現(xiàn)實仿真的人機交互性[8-9]。

2 主變起火應急虛擬演練環(huán)境設計

結合上文中的虛擬視景圖像分析和環(huán)境參數(shù)設計，對主變起火應急虛擬演練環(huán)境進行優(yōu)化設計，整體流程如圖1所示。

圖1 主變起火應急演練虛擬現(xiàn)實流程圖

2.1 虛擬現(xiàn)實培訓的三維重構

在3D虛擬現(xiàn)實視景模型下進行主變起火應急演練的圖像處理模型構建的基礎上，進行虛擬現(xiàn)實培訓優(yōu)化設計。結合主變起火應急演練模糊控制方法[10]進行虛擬現(xiàn)實培訓的三維重構，對原始起火應急演練虛擬視景三維模擬圖像[11-12]，通過信息增強處理[13-14]，得到虛擬現(xiàn)實技術下的起火應急演練虛擬視景輸出為：

(8)

其中，ux和uy為表示起火應急演練虛擬視景三維模擬的邊緣像素集，Ci表示起火應急演練虛擬視景三維模擬色差均衡系數(shù)。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中進行主變起火應急演練的視景重構，在視點位置中進行主變起火應急演練的3D虛擬現(xiàn)實模擬[15]，得到起火應急演練虛擬視景三維模擬設計的規(guī)則性基函數(shù)為：

(9)

式中，wnk是選定區(qū)域的每個起火應急演練虛擬視景模型的特征點，提取起火應急演練虛擬視景三維特征，并結合灰度特征分布集進行信息重構：

WSSIMHi=ωHLiWSSIMHLi+ωLHiWSSIMLHi+ωHHiWSSIMHHi

(10)

運用Radon尺度變換進行Haar-like特征重構，得到起火應急演練虛擬視景仿真模型為：

g(x,y)=f(x,y)+ε(x,y)

(11)

其中，f(x,y)、ε(x,y)分別代表鄰域內(nèi)在模糊度函數(shù)和隸屬度函數(shù)。基于Haar-like特征實現(xiàn)起火應急演練虛擬視景三維模擬，起火應急演練虛擬視景區(qū)域控制系數(shù)為：

(12)

以MLL為控制變量，使用OpenFlight的建模方法進行虛擬現(xiàn)實培訓的三維重構，構建結果如圖2所示。

圖2 主變起火應急環(huán)境模擬

通過上述構建主變起火應急環(huán)境模擬，用于虛擬現(xiàn)實培訓，但該方法的模擬結果較為模糊，為此，需對其進行優(yōu)化。

2.2 虛擬培訓模型優(yōu)化

結合主變起火應急演練模糊控制方法進行虛擬現(xiàn)實培訓的三維重構，實現(xiàn)主變起火應急演練虛擬現(xiàn)實培訓的控制[16]，把S幀圖像歸納為R個種類，進行起火應急演練虛擬視景三維模擬設計圖像局部特征分解，表示為：

(13)

其中x′=xcosφ+ysinφ,y′=-xsinφ+ycosφ，分別表示起火應急演練虛擬視景網(wǎng)格分塊的反射不變矩和中心距，結合場景模型元素分解方法[17]，得到起火應急演練虛擬視景模型設計的標準誤差為θ=tan-1(V/U)，初始化權重，當yi=1時，w1,i=1/2m，根據(jù)場景狀態(tài)信息和渲染指令進行起火應急演練虛擬視景三維模擬的渲染控制，得到渲染結果輸出為：

(14)

對集合層的圖像邊緣像素數(shù)據(jù)進行層次結構化設計[18]，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中進行主變起火應急演練的視景重構，在視點位置中進行主變起火應急演練的3D虛擬現(xiàn)實模擬[19]，得到起火應急演練虛擬視景控制優(yōu)化模型為：

(15)

gkv(zl)+ek≥1-β,ak=k

(16)

gkv(zl)+ek<-1+βl,m,ak≠k

(17)

通過式(15)，完成起火應急演練虛擬培訓模型優(yōu)化，優(yōu)化效果如圖3所示。

圖3 主變起火應急環(huán)境模擬優(yōu)化

綜上分析，經(jīng)過圖2到圖3的圖像邊緣像素數(shù)據(jù)設計，這種虛擬模擬現(xiàn)實的圖像優(yōu)化使得邊緣界限分明，對比度更加明顯，場景更加清晰，利于在視點位置中進行主變起火應急演練的3D虛擬現(xiàn)實模擬，通過Vega Prime進行應用程序加載，結合幀處理方法進行場景更新[20-22]，實現(xiàn)基于主變起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓設計。

3 仿真實驗與結果分析

為了測試本文方法進行起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓仿真中的應用性能，在Mutigen Creator和嵌入式開發(fā)環(huán)境下進行培訓系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實仿真實驗，采用Socket編程構建的主變起火應急演練虛擬現(xiàn)實培訓的串口接收控制，結合ActivityGroup軟件進行主變起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)分析，設定圖像虛擬視景成像的像素點數(shù)為20～120，搜索時間為1.25 ms，學習率設置為0.68，得到起火應急演練的3D虛擬仿真的主界面如圖4所示。

(a)救火視角

(b)逃生視角

在圖4的界面中，進行主變起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓，滅火場景如圖5所示。

圖5 滅火場景

在該視景重構下，分別對本文方法、視點篩選控制方法(DF)和嵌入式控制方法(MIL)測試幀跟蹤速率，得到結果見表1。

表1 幀渲染速度(幀/s)

視頻序列DFMIL本文算法救火場景9.651.7846.78逃生場景3.671.655.64滅火場景7.651.4659.67

分析表1得知，所在的視頻序列渲染速度的值中全部高于DF及MIL，說明采用本文方法進行主變起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓設計，視景畫面的幀渲染速率較高。

測試不同方法進行起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓的圖像配準率，得到對比結果見表2。

表2 特征配準率對比

迭代步長DFMIL本文算法200.6570.7110.843400.7860.7450.931600.8420.7540.945800.8930.8130.986

分析表2得知，視點篩選控制方法(DF)和嵌入式控制方法(MIL)測試幀跟蹤速率在不同的迭代步長下有不同的匹配率，本文提出的算法在表2的匹配率對比中皆高于前2項，說明采用本文方法進行主變起火應急演練的圖像特征配準率較高。

4 結束語

根據(jù)主變起火應急演練虛擬視景變化進行虛擬現(xiàn)實仿真設計，提高火災應急能力。本文提出基于主變起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓方法是在3D虛擬現(xiàn)實視景模型下進行主變起火應急演練的圖像處理模型構建。采用特征檢測方法進行主變起火應急演練場景環(huán)境參數(shù)計算，構建火災應急演練的圖形界面分析模型，結合演練模糊控制方法進行虛擬現(xiàn)實培訓的三維重構，實現(xiàn)主變起火應急演練虛擬現(xiàn)實培訓的控制，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中進行視景重構，在視點位置中進行主變起火應急演練的3D虛擬現(xiàn)實模擬，實現(xiàn)基于主變起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓設計。對比實驗結果得知，本文方法進行主變起火應急演練的虛擬現(xiàn)實培訓的圖像處理性能較好，配準率較高。