秦俊暉

摘? 要： 針對傳統(tǒng)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)場景切換時(shí)間慢的情況，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建中。在分析環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)特征的基礎(chǔ)上，構(gòu)建硬件系統(tǒng)框架，主要設(shè)計(jì)了采集器、控制器、處理器和數(shù)據(jù)接口。在此基礎(chǔ)上，采用Matlab運(yùn)算軟件對系統(tǒng)中的不同數(shù)據(jù)進(jìn)行格式變換，采用二值轉(zhuǎn)換算法獲取到格式后的環(huán)境數(shù)據(jù)，完成基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果表明，此次構(gòu)建的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的場景切換時(shí)間快，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)場景的切換，具備極大優(yōu)勢，證明了該系統(tǒng)具備有效性。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 環(huán)境藝術(shù); 設(shè)計(jì)系統(tǒng); 切換時(shí)間; 場景切換; 運(yùn)行效率

中圖分類號： TN99?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）13?0092?03

Study on environmental art design system based on virtual reality technology

QIN Junhui

（Institute of Information Technology of GUET， Guilin 541001， China）

Abstract： In view of the slow scene switch of the traditional environmental art design system， the virtual reality technology is applied to construct the environmental art design system. The framework of the system hardware is constructed on the basis of the characteristic analysis of the environmental art design. The system hardware is the core of the system， which consists of collector， controller， processor and data interface. On this basis， the different data formats in the system are transformed by Matlab operation software， and the binary conversion algorithm is adopted to obtain the formatted environmental data to complete the design of environmental art system based on the virtual reality technology. The results of contrastive experiments show that the environmental art design system based on the virtual reality technology can switch faster than the traditional system， and can complete the scene switch in a short time. Therefore， it has great advantages and proves the system effectiveness.

Keywords： virtual reality technology; environmental art; design system; switch time; scene switch; operational efficiency

0? 引? 言

環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)受到多種因素影響，如果環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中存在一定的問題，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)成果達(dá)不到預(yù)期，同時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)表現(xiàn)力差，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)藝術(shù)理念出現(xiàn)偏差和設(shè)計(jì)方向錯(cuò)誤。因此，構(gòu)建一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)來解決目前存在的問題。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具備的特性，其應(yīng)用范圍也非常廣，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等都得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種具備交互特征的虛擬世界為中心的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算力生成可交互、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體，給用戶帶來一種沉浸式體驗(yàn)。通過將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境藝術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能夠提高環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的逼真性和快速性，促使環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)走向更高的層次。

通過分析目前環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的基本要求，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)硬件中包括環(huán)境模塊和全局控制模塊，軟件主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理以及存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)場景切換的響應(yīng)時(shí)間短。在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠創(chuàng)造出良好的三維虛擬環(huán)境，使用戶對設(shè)計(jì)方案有更多的認(rèn)識，加快環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展。

1? 環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件以提高系統(tǒng)運(yùn)行速度作為目標(biāo)，主要對系統(tǒng)中的各個(gè)功能進(jìn)行管控，硬件框架如圖1所示。

圖1中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用的采集器為TDAD8585型號采集器[1]，該采集器主要對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)場景的仿真效果。采用ARM Cortex?A8處理器，該處理器效率高，處理器速率能夠在600 MHz到超過1 GHz的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，滿足系統(tǒng)功耗的需求。結(jié)合1個(gè)63位DSP處理單元[2]，對串流應(yīng)用有較高的加速能力，適用于環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

同時(shí)，為保證該系統(tǒng)的場景切換速度，設(shè)計(jì)控制器對系統(tǒng)各個(gè)場景切換進(jìn)行控制，該控制器中采用型號為TK?08A0的控制電路板[3]，該電路板支持AM3接口的AMD系列處理器，并與內(nèi)存插槽[4]相結(jié)合，提高了系統(tǒng)擴(kuò)展能力，控制器如圖2所示。

該控制電路板中配置1～4個(gè)處理器，保證在頻率不變的情況下，提高控制器的性能。在實(shí)際使用時(shí)，采用總線接入系統(tǒng)的方式，并且在該控制電路板外圍具有多個(gè)分線，將其與系統(tǒng)進(jìn)行連接，接入到CPU[5]中。在控制電路板開啟時(shí)，操作系統(tǒng)內(nèi)的音效、音樂、場景起始、場景切換等，系統(tǒng)中的各個(gè)場景切換通過該控制器完成，并添加腳本，實(shí)現(xiàn)各個(gè)場景之間的數(shù)據(jù)交換。在此基礎(chǔ)上，將OSG接口與控制器結(jié)合，當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，控制器將與OSG系統(tǒng)相連接，使用該接口省去插件環(huán)節(jié)，并且該接口中存儲(chǔ)各種場景，底層框架優(yōu)秀，在具體使用時(shí)只需要在平臺上重新編譯。將場景控制轉(zhuǎn)換要求發(fā)送到調(diào)試設(shè)備上，通過該控制器對系統(tǒng)進(jìn)行控制，滿足系統(tǒng)場景切換的速度要求。

2? 環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析真實(shí)環(huán)境圖數(shù)據(jù)格式能力較低，對環(huán)境模型塑造不完全，所以將初始圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的各個(gè)數(shù)據(jù)雜亂無章，所以對初始圖數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到相同區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)據(jù)[6]，對環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中的不確定點(diǎn)數(shù)值實(shí)時(shí)預(yù)測，通過臨近的已知點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：[di]為加權(quán)函數(shù);[c]為已知環(huán)境的數(shù)量;[vi]為環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的不相鄰場景間的距離。在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，各個(gè)場景間的分布情況不同，會(huì)對數(shù)據(jù)產(chǎn)生不同干擾作用[7]，因此對環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖如圖3所示。

采用Matlab運(yùn)算軟件[8]對系統(tǒng)中的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)施數(shù)據(jù)格式變換，首先將系統(tǒng)中的環(huán)境數(shù)據(jù)存到BIN文件[9]中，采用二值轉(zhuǎn)換算法[10]獲取到格式后的環(huán)境數(shù)據(jù)，計(jì)算公式為：

在上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成的基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)除基本環(huán)境數(shù)據(jù)外，需要包括環(huán)境的地理信息和屬性信息的特征數(shù)據(jù)，以此塑造環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)庫，確保創(chuàng)建的虛擬環(huán)境逼近真實(shí)環(huán)境，其中涵蓋地理紋理特征。

數(shù)據(jù)庫構(gòu)建流程如圖4所示，對環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫實(shí)施管理，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行層次操作[12]，對場景的應(yīng)用程序進(jìn)行高層次調(diào)控。通過該數(shù)據(jù)庫，為環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)過程提供場景規(guī)劃依據(jù)，并將所有的場景進(jìn)行科學(xué)分配，提高各個(gè)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)性。避免在系統(tǒng)視景元素的位置產(chǎn)生間斷問題，發(fā)生抖動(dòng)或者場景跳變問題。因此，為了保證場景數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫原點(diǎn)實(shí)施重置[13]，準(zhǔn)確描述各個(gè)場景位置[14]，并控制區(qū)域列表，對系統(tǒng)中的環(huán)境元素進(jìn)行組織和匯總管理，使數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)元素在場景中實(shí)現(xiàn)觀測，保證系統(tǒng)在篩選和渲染前過濾掉不顯示的元素[15]，以提高環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3? 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1? 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)

為證明基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際效果，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。選擇傳統(tǒng)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行對比測試。主要對比兩個(gè)系統(tǒng)的場景切換響應(yīng)時(shí)間，為使實(shí)驗(yàn)更具真實(shí)性，對實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，該測試環(huán)境中包含測試過程中的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，測試環(huán)境如表1所示。

3.2? 場景切換時(shí)間對比

在上述設(shè)計(jì)的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對比兩個(gè)系統(tǒng)的場景切換響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn)，將每次實(shí)驗(yàn)間隔控制在2 h，保證在下次實(shí)驗(yàn)時(shí)不會(huì)對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

通過圖5能夠看出：在第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)場景頁面響應(yīng)時(shí)間為25 s，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為4 s，較傳統(tǒng)系統(tǒng)低21 s;第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為18 s，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)為5 s，比傳統(tǒng)系統(tǒng)低13 s;第三次實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)系統(tǒng)場景切換響應(yīng)時(shí)間約為31 s，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為3 s，較傳統(tǒng)系統(tǒng)低28 s;第四次實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)系統(tǒng)的場景切換時(shí)間高達(dá)35 s，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)約為8 s，較傳統(tǒng)系統(tǒng)降低27 s。

通過上述對比實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明，本文設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)場景切換響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間少，而傳統(tǒng)的場景切換時(shí)間過長，降低了用戶使用系統(tǒng)的好感度，限制了系統(tǒng)的發(fā)展。

通過上述實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩闯?，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)就能夠完成各個(gè)場景之間的切換，實(shí)用性能強(qiáng)。

4? 結(jié)? 語

本文構(gòu)建了一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的硬件與軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的控制，加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度，軟件主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)整合，減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，增強(qiáng)與各個(gè)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)性。通過實(shí)驗(yàn)證明，本文系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)的場景響應(yīng)時(shí)間短，大大減少了各個(gè)場景之間的切換時(shí)間。通過該系統(tǒng)能夠營造出更加逼真、生動(dòng)的虛擬環(huán)境，使用戶在觸覺、視覺、聽覺上都得到體驗(yàn)，加深用戶記憶，增強(qiáng)虛擬環(huán)境的畫面感。同時(shí)，能夠幫助設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的作品，滿足人們的實(shí)際需求，并且能夠準(zhǔn)確預(yù)算設(shè)計(jì)所需資料，控制施工成本。

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