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        基于三維視覺的室內環(huán)境感官設計建模研究

        2021-10-11 09:37:14高婧泉
        魅力中國 2021年32期
        關鍵詞:關鍵幀觸覺室內環(huán)境

        高婧泉

        (遼寧城市建設職業(yè)技術學院,遼寧 沈陽 110122)

        通常進行室內環(huán)境設計時,需對環(huán)境進行一系列標準化模擬,使用虛擬技術來模擬環(huán)境空間,由于利用該技術對室內環(huán)境進行視覺數(shù)據(jù)采集時過程十分復雜,導致數(shù)據(jù)采集精準度較低,因此,通過視覺感官技術可彌補上述不足。感官體驗模塊包括視覺模塊、聽覺模塊、觸覺模塊、味覺模塊和嗅覺模塊,其中視覺模塊是通過人眼所看到的視頻、色彩和形狀;聽覺模塊是通過耳朵聽到的聲音;觸覺模塊是通過身體接觸來感知;味覺模塊是通過嘗試不同菜品和飲料來獲取味道;嗅覺模塊是通過鼻子聞到的氣味,這五種感官共同構成綜合體驗。我國當前室內環(huán)境設計離不開感官體驗配合,為增加真實感,需建立感官體驗模型。傳統(tǒng)建模方法僅針對某一個感官模塊進行建模分析,受到其他干擾因素影響,導致用戶體驗效果較差,無法保證用戶能夠真實感受實際環(huán)境。因此,提出了一種視覺欣賞下小型室內環(huán)境感官體驗建模研究,并進行實驗分析。

        一、建模原理

        在視覺欣賞下實現(xiàn)小型室內環(huán)境感官體驗建模,需結合多個科學交叉性質,使人們能夠在模擬世界中真實體驗到現(xiàn)實設計結果,該過程具備一種交互性和想象性。在模擬世界中室內環(huán)境設計能夠通過感官體驗給用戶帶來真實感覺,而用戶也可通過視覺、聽覺和觸覺對虛擬環(huán)境進行交互。將具備一種傳輸功能傳感裝置作為用戶與虛擬環(huán)境之間紐帶,利用計算機構建虛擬空間,分別從視覺、聽覺和觸覺三方面進行建模分析,可實現(xiàn)虛擬環(huán)境場與交互方式相融合感官體驗。

        二、室內環(huán)境感官模型

        完成室內環(huán)境三維視覺空間點的匹配后,使用ElasticFusion 算法構建室內環(huán)境感官模型。建模流程如下:首先,使用ElasticFusion 算法直接優(yōu)化空間點,再使用直接法提高位姿估計精度。相關文獻表明,ElasticFusion 算法構建的三維視覺模型精度較高,尤其是在匹配過程中,可以有效剔除長時間不穩(wěn)定的點。其次,初始化圖像,依據(jù)基礎矩陣F 恢復相機運動,獲取相機的初始位姿信息,再使用歐氏算法優(yōu)化獲取結果,如圖1 所示。

        需要注意的是,在初始化時所有關鍵幀除了第1 幀外都要參與優(yōu)化。獲取關鍵幀后,使用ElasticFusion 算法求取關鍵幀相對位姿,并根據(jù)局部優(yōu)化結果優(yōu)化關鍵幀位姿估計。由圖1b)所示:假設要優(yōu)化POS3,就需要同時優(yōu)化相鄰的關鍵幀POS2。在回環(huán)監(jiān)測時,要根據(jù)誤匹配的數(shù)量進行優(yōu)化,否則會影響模型精度?;谌S視覺的室內環(huán)境感官設計模型流程如圖2 所示。

        完成所有三維視覺關鍵幀優(yōu)化后,借助最終優(yōu)化的關鍵幀數(shù)據(jù),重建室內環(huán)境空間點。最后得到的空間點是稀疏的,若出現(xiàn)此現(xiàn)象,可以不重建空間點,但是要重建所有關鍵幀的像素點,這樣才能獲得室內環(huán)境三維圖像。具體流程:先創(chuàng)建新線程,用于判定插入的關鍵幀,若獲取的關鍵幀為RGB 圖像,要根據(jù)對應的時間戳索引獲取深度圖像幀,最后融合RGB圖像與深度圖像。將得到的感知信息進行回環(huán)監(jiān)測,由此得到三維視覺圖像的關鍵幀位姿變換矩陣,運用式求取完整的室內環(huán)境三維圖像。

        由此完成基于三維視覺室內環(huán)境感官設計模型的研究。

        三、信號采集

        通過外設傳感裝置采集輸入信號,利用該信號對虛擬環(huán)境進行控制,為提高感官體驗真實感,研制觸摸裝置用于采集用戶基本行為動作。虛擬環(huán)境空間中物體運動自由度可分為兩大類,共6種,其中第一類為順著X軸、Y 軸和Z 軸水平運動;第二類為沿著X 軸、Y 軸和Z 軸旋轉運動。通過控制兩類自由度即可實現(xiàn)對室內環(huán)境與虛擬空間的交互處理,如果用戶輸入行為信號分別與這6 種自由度相對應,那么就會給用戶帶來真實感官體驗。從用戶感官角度進行信號采集,其中主要采集內容有:1.視覺信號采集:通過計算機技術構建虛擬空間,在該空間中的影像與物體會隨著用戶視角變化而發(fā)生改變,因此,可從輸出鏡頭可視區(qū)域進行視覺信號采集;2.聽覺信號采集:對產(chǎn)生聲音進行播放,要求聲音具有一定方向感,因此,可通過立體聲音方位、距離進行聽覺信號采集;3.觸覺信號采集:用戶進行一系列行觸覺信號采集。

        四、觸覺設計

        觸覺是感知器官中相對直接地感受與反饋外在的事物的、感性與主觀因素的綜合載體。放松肌體、認識事物、培養(yǎng)情感是觸覺的三大基本作用。觸覺可以幫助人們更好地表達情感、傳遞信息,可以使我們清晰感受到自身周圍的事物,因此觸覺感受在設計思考中的地位不言而喻。使用者通過自身的肢體接觸,自我反饋身心感受這一過程稱為觸覺體驗,通過分析研究用戶的觸覺體驗而進行的設計即為觸覺設計。由于觸覺的直接性能夠將最真實的感受傳遞給使用者,因此將觸覺設計融入室內設計中,運用獨特的材質、不同的色彩以及特殊的造型,使體驗者在生理和心理上有所感受。

        五、聽覺體驗建模

        通過三維聲音建模工具建立聽覺感官體驗模型,具體內容如下所示:在對環(huán)境中的物體進行建模時,需先提取幾何信息,通過用戶具體行為確定動作開始與停止的聲音數(shù)值,將該數(shù)值與幾何信息進行匹配,利用碰撞檢測區(qū)分不同物體的碰撞聲音。通過攝像頭捕捉用戶在虛擬空間移動的位置信息,根據(jù)位置信息分析聲學的聲像關系,使用Fmod 聲音渲染引擎,使系統(tǒng)能實時產(chǎn)生渲染的三維立體聲音,為充實用戶聲音體驗感知交互增添內容。

        結語:通過研究基于機器視覺的室內環(huán)境感官設計模型存在的問題,提出一種新的基于三維視覺的室內環(huán)境感官設計模型,該模型適合用于室內環(huán)境建圖,可以匹配多個空間點,限制遠距離空間點之間的矛盾。文章的創(chuàng)新之處在于,在實驗中,提出一種評價方法,對空間點深度值進行評價,檢測兩個模型剔除空間點的準確率。實驗結果表明,所提模型可以有效提高配準精度。

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