李東航

摘? 要： 針對(duì)原有平面交互系統(tǒng)圖像識(shí)別效果較差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的平面圖像交互系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)硬件框架，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)控制器實(shí)現(xiàn)原始平面圖像采集，采用Kinect傳感器完成自然用戶界面設(shè)計(jì)，結(jié)合原有VR設(shè)備，組成平面交互硬件;再基于系統(tǒng)硬件，進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。采用樸素貝葉斯分類算法對(duì)平面特征向量進(jìn)行確定，通過(guò)確定后的特征向量進(jìn)行圖像物理模型構(gòu)建，以模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行腳本編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的平面交互。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與原有系統(tǒng)相比，系統(tǒng)圖像識(shí)別結(jié)果較為清晰。

關(guān)鍵詞： 平面交互系統(tǒng); 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 圖像建模; 圖像處理; 對(duì)比驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN911?34; TP331.25? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）08?0158?03

Design of plane image interactive system based on virtual reality technology

LI Donghang

（Wuhan College， Wuhan 430212， China）

Abstract： In allusion to the poor image recognition effect of the original plane interactive system， a plane interactive system based on virtual reality technology is designed. The computer vision controller is designed on the basis of the hardware design framework of the system to collect the original plane images. The natural user interface design is completed with the Kinect sensor， with which the original VR equipment is combined to form the plane interactive hardware. Based on the system hardware， the system software is designed. The plane feature vector is determined by means of the naive Bayesian classification algorithm， the image physical model is built by the determined feature vector， and the script is written based on the model to realize the plane interaction based on virtual reality technology. The experimental results show that the image recognition of this system is more clear and complete when compared with the original system. It can be seen that this system is more superior and should be promoted.

Keywords： plane interactive system; virtual reality technology; system design; image modeling; image processing; comparison validation

0? 引? 言

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，人們?cè)谌粘＿M(jìn)行圖像設(shè)計(jì)中所采用的技術(shù)也在不斷革新。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其便利的可視化模擬與感官體驗(yàn)，成為工程設(shè)計(jì)與圖像仿真的首要選擇[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種新興的實(shí)用技術(shù)，其將計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)融為一體，將人體感覺(jué)不到的平面圖像通過(guò)三維模型體現(xiàn)出來(lái)[2]。在多項(xiàng)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)平面圖像進(jìn)行交互，但在原有的平面圖像交互系統(tǒng)的處理下，圖像交互效果較差，無(wú)法達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

為解決原有系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的效果問(wèn)題，本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)平面圖像交互系統(tǒng)。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提升平面交互效果。在原有平面交互系統(tǒng)上，對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改良，采用新型儀器提升圖像識(shí)別分辨率。對(duì)系統(tǒng)軟件功能進(jìn)行革新，解決由于算法計(jì)算結(jié)果不精準(zhǔn)帶來(lái)的圖像識(shí)別效果較差的問(wèn)題。

1? 平面圖像交互系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于過(guò)往虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的平面圖像交互系統(tǒng)硬件，構(gòu)建整體硬件框架，具體如圖1所示。

在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，主要以原有的VR設(shè)備為參考，并增加相關(guān)新型設(shè)備。為使系統(tǒng)硬件具有可連接性，選擇具有相同電壓的設(shè)定進(jìn)行串聯(lián)，完成硬件設(shè)計(jì)[3]。為對(duì)計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別進(jìn)行有效控制，對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)備圖像如圖2所示。

本文控制器內(nèi)部設(shè)置了2個(gè)高像素快速攝像頭和5個(gè)紅外線發(fā)射裝置。通過(guò)這種設(shè)計(jì)降低夜晚光線過(guò)暗或是光線過(guò)于充足造成的不良影響[4]。在圖像識(shí)別與控制的過(guò)程中，對(duì)中央處理器與圖像處理器進(jìn)行設(shè)定。在中央處理器與圖像處理器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇高像素高速雙核處理器，提高處理效率，為接下來(lái)的圖像處理提供基礎(chǔ)。上述控制器提供兩種應(yīng)用程序編程接口：一個(gè)用來(lái)獲取圖像信息;另一個(gè)為本地信息接口，采用C語(yǔ)言進(jìn)行控制。

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用方面，本文采用Kinect進(jìn)行自然用戶界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[5]。自然用戶界面是人機(jī)交互的重要平臺(tái)。Kinect設(shè)備由多個(gè)傳感器構(gòu)成，其底部與電動(dòng)馬達(dá)相連接，設(shè)備的正面由紅外投影儀、彩色攝像機(jī)、深度攝像機(jī)、麥克風(fēng)、電動(dòng)馬達(dá)組成，采用USB 2.0線路連接，并在設(shè)備的一側(cè)設(shè)定供電口。通過(guò)傳感器捕捉用戶的動(dòng)作，并通過(guò)控制器對(duì)其進(jìn)行控制，用戶動(dòng)作數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)備坐標(biāo)系下的三維空間位置形式保存。

用戶使用部分硬件采用HCT VIVE設(shè)置?；谠邢到y(tǒng)硬件，本系統(tǒng)著重設(shè)計(jì)VIVE基站[6]。采用4個(gè)黑盒子構(gòu)建一個(gè)大小30英尺×30英尺的虛擬空間，基站以每秒100脈沖的形式定時(shí)發(fā)射，然后由控制器進(jìn)行提取，并采用一致性設(shè)計(jì)保證平面圖像交互系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性。

2? 平面圖像交互系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1? 確定平面圖像特征向量

為確定本文設(shè)計(jì)平面圖像交互系統(tǒng)的可行性，采用樸素貝葉斯分類算法對(duì)平面向量特征向量進(jìn)行確定[7]。設(shè)定圖形空間坐標(biāo)系為[xyz]，[θw]為圖形向量[w]與[y]軸的夾角，則[y]軸向量[Y]可以表示為[coswywy]。設(shè)定[xyz]的平面向量設(shè)定為[i]，[x]軸向量設(shè)定為[X]，圖像向量在圖形空間坐標(biāo)系的投影為[j]，則[j]與[x]軸的夾角計(jì)算公式為：

將獲取到的圖像向量角度信息設(shè)定為[θw]，[θxj]。上一幀的角度信息為[θxj1]，[θw1]。通過(guò)計(jì)算運(yùn)動(dòng)值，計(jì)算出平面圖像的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為：

將式（1）、式（2）提取到的特征向量，錄入訓(xùn)良好的分類模型中進(jìn)行分類，并進(jìn)行指令轉(zhuǎn)化，完成平面圖像特征向量的提取與確定[8]。

2.2? 建立平面圖像物理模型

運(yùn)用獲取的平面圖像特征向量進(jìn)行平面圖像的物理模型構(gòu)建。采用物理建?？梢允蛊矫鎴D像適應(yīng)動(dòng)態(tài)模型，通過(guò)物理模型使圖像可以根據(jù)外界的條件作出相應(yīng)的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)平面模型自我調(diào)節(jié)。采用分型技術(shù)進(jìn)行物理模型構(gòu)建，通過(guò)將一些復(fù)雜的不規(guī)則圖像進(jìn)行相似特征集合，通過(guò)分類后的圖像進(jìn)行物理模型構(gòu)建[9]。將整體模型構(gòu)建過(guò)程進(jìn)行設(shè)定具體流程如圖3所示。通過(guò)上述流程完成平面圖像的物理模型構(gòu)建，通過(guò)構(gòu)建結(jié)束的模型，集合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)編寫(xiě)程序腳本。

2.3? 進(jìn)行腳本編寫(xiě)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)腳本，同時(shí)設(shè)定腳本編輯器。選用MonoBehaviour進(jìn)行腳本編寫(xiě)，在該編輯器中具有多個(gè)函數(shù)接口，可以保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行[10]，采用Update（）函數(shù)編寫(xiě)程序。腳本編寫(xiě)采用New關(guān)鍵字，降低了計(jì)算機(jī)的資源的占用率。在正常程序編寫(xiě)中，增加觸發(fā)功能的編寫(xiě)，增強(qiáng)功能代碼的自我調(diào)控功能，以便及時(shí)進(jìn)行函數(shù)處理，提高代碼執(zhí)行能力。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的平面交互系統(tǒng)關(guān)鍵代碼編寫(xiě)內(nèi)容如下所示：

public class 平面圖像EventManager：MonoBehaviour{

public delegate void 交互形式（bool is END）

public static event

////方法初始化

void Start（）{

//控制不為空

if on 平面交互END！=NU！

{? on Game End（true）;

}

}

//調(diào)用更新方法

void Update {}

}

}

通過(guò)上述代碼，實(shí)現(xiàn)了平面圖像交互的設(shè)定。將代碼通過(guò)計(jì)算機(jī)傳輸至Kinect 傳感器，并利用傳感器控制整體硬件，完成平面交互。結(jié)合系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，完成基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的平面圖像交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3? 系統(tǒng)性能測(cè)試

為保證本文設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的平面圖像交互系統(tǒng)的科學(xué)性，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)對(duì)比原有系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的圖像辨識(shí)度來(lái)驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)越性。

3.1? 系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)備過(guò)程

為了保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境適合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，具體測(cè)試環(huán)境參數(shù)如表1所示。

在上述參數(shù)下進(jìn)行測(cè)試環(huán)境構(gòu)建，識(shí)別圖像完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)。設(shè)定測(cè)試樣本如圖4所示。

在上述參數(shù)進(jìn)行原始圖像的識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在測(cè)試的過(guò)程中，不計(jì)入外界因素的干擾與像素問(wèn)題，只分析圖像完整度。

3.2? 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出原有系統(tǒng)與本文系統(tǒng)圖像識(shí)別效果如圖5所示。

通過(guò)對(duì)交互系統(tǒng)的性能測(cè)試，得出相應(yīng)的圖像識(shí)別結(jié)果。從圖5可以看出，原有系統(tǒng)識(shí)別出的圖像模糊度較大，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果為邊緣模糊。采用本文系統(tǒng)進(jìn)行平面圖像交互，可以重建圖像，提高系統(tǒng)交互效果。原有模型圖像模糊部分較大，無(wú)法進(jìn)行圖像重建，影響平面交互效果。由此可知，本文設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的平面圖像交互系統(tǒng)更加具有優(yōu)越性。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù)，并迅速的應(yīng)用到各行各業(yè)之中，在不同的行業(yè)中都能體驗(yàn)的使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行平面交互的優(yōu)越性。通過(guò)使用平面交互成果，體驗(yàn)到沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的樂(lè)趣。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷成熟，變革了人與設(shè)備的交互手段，提升了平面交互效果。另一方面，隨著市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的平面圖像交互還有許多瓶頸需要突破，技術(shù)的成熟才可以推動(dòng)系統(tǒng)的推廣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究道路依舊漫長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李靜蓉，倪建龍，陳銳奇，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)交互的虛擬鍛造工藝實(shí)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（4）：87?89.

[2] 李晉，謝曉添，姬慶慶，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦與信息技術(shù)，2017，25（1）：35?37.

[3] 郭巍，武平，蘇穎，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)貼圖在環(huán)境修復(fù)的研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2018，26（14）：10?13.

[4] 魏育坤.基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（14）：59?60.

[5] 呂屏，楊鵬飛，李旭.基于VR技術(shù)的虛擬博物館交互設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2017，54（24）：137?141.

[6] 林煒詩(shī).VR技術(shù)在交互設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2018（11）：158?159.

[7] 吳文豪，周婕.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑室內(nèi)沉浸式漫游展示與交互設(shè)計(jì)[J].科技視界，2018（13）：26?27.

[8] 樊勝，張丹，陶鳳軒，等.機(jī)器人的視覺(jué)選擇交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2017，43（11）：67?69.

[9] 張青，任宏.智能人機(jī)交互通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（20）：183?186.

[10] 向文欣，李武，王宏旭.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維漫游校園系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（18）：38?41.