姚又龍

摘要：由于傳統(tǒng)場(chǎng)景搭建技術(shù)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的還原度較低，文章針對(duì)三維高精度場(chǎng)景搭建技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)研發(fā)中的應(yīng)用展開分析。本研究采集真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，通過建模與渲染技術(shù)搭建三維高精度場(chǎng)景，基于語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)交互方式。通過本文所提技術(shù)搭建的虛擬手術(shù)室場(chǎng)景模擬手術(shù)過程，該場(chǎng)景下手術(shù)器械的移動(dòng)軌跡一直處于平滑穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)語(yǔ)音文件的音素識(shí)別錯(cuò)誤率為1.29%、詞匯識(shí)別錯(cuò)誤率為1.02%，驗(yàn)證三維高精度場(chǎng)景搭建技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)研發(fā)中具有較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：三維高精度場(chǎng)景；場(chǎng)景搭建技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)；交互設(shè)計(jì)；應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著社會(huì)信息化程度的加深，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獲得前所未有的進(jìn)步與發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁┱鎸?shí)且靈活的視覺效果，可將空間效果以虛擬可視化場(chǎng)景呈現(xiàn)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合，原始二維的視覺宣傳形式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S可視性的形式，虛擬的三維場(chǎng)景與用戶之間具有更高的互動(dòng)性，從而提升行業(yè)之間的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵在于如何協(xié)調(diào)虛擬環(huán)境與用戶之間的交互難題，確保真實(shí)場(chǎng)景的三維動(dòng)態(tài)可視化呈現(xiàn)更好效果^［1］。國(guó)內(nèi)有多位專家針對(duì)虛擬場(chǎng)景中的交互方式進(jìn)行研究，但在進(jìn)行場(chǎng)景搭建的過程中對(duì)場(chǎng)景的還原度較低，虛擬環(huán)境與用戶之間的交互效果，難以滿足用戶在虛擬場(chǎng)景中對(duì)沉浸式人機(jī)交互行為的需求。因此，本文針對(duì)三維高精度場(chǎng)景搭建技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展開研究。

1 采集真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)

本文通過參考地圖來(lái)實(shí)時(shí)采集并更新真實(shí)場(chǎng)景的矢量數(shù)據(jù)，該方法更智能化，能夠自動(dòng)獲取真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)^［2］。數(shù)據(jù)源主要包含真實(shí)場(chǎng)景的地理、遙感影像以及拓?fù)溥@三類矢量數(shù)據(jù)。其中，地理矢量數(shù)據(jù)是真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)的核心，遙感影像矢量數(shù)據(jù)和拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)則便于在搭建三維場(chǎng)景^［3］過程中快速找到目標(biāo)區(qū)域。真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)源的采集過程如下式所示。

式中，S表示真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)源；S₁表示真實(shí)場(chǎng)景地理矢量數(shù)據(jù)；α₁表示包含真實(shí)場(chǎng)景地理特征的矢量數(shù)據(jù)；z（x₁，y₁）表示地理矢量數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；S₂表示真實(shí)場(chǎng)景的遙感影像矢量數(shù)據(jù)；α₂表示包含真實(shí)場(chǎng)景遙感影像特征的矢量數(shù)據(jù)；z（x₂，y₂）表示遙感影像矢量數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；S₃表示真實(shí)場(chǎng)景的拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)；α₃表示包含真實(shí)場(chǎng)景拓?fù)涮卣鞯氖噶繑?shù)據(jù)；z（x₃，y₃）表示拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；α₀表示無(wú)用數(shù)據(jù)。將采集的真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)源存儲(chǔ)至地圖服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)中，參考各類矢量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，為其配置相應(yīng)功能，作為三維高精度場(chǎng)景^［4］搭建的數(shù)據(jù)支撐。

2 預(yù)處理矢量數(shù)據(jù)

由于遙感影像矢量數(shù)據(jù)與地理矢量數(shù)據(jù)之間可能存在一定偏移誤差，為保障三維場(chǎng)景搭建的精度^［5］，本文通過對(duì)遙感影像矢量數(shù)據(jù)與地理矢量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)來(lái)剔除二者之間偏移誤差。根據(jù)同名控制點(diǎn)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的地理矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行切分，利用局部地理矢量數(shù)據(jù)與遙感影像矢量數(shù)據(jù)之間的映射函數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)二者的配準(zhǔn)。通過DBSCAN算法聚類獲得地理與遙感影像矢量數(shù)據(jù)同名點(diǎn)的偏移誤差中心點(diǎn)，并將該點(diǎn)當(dāng)作初始的離散點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)地理矢量數(shù)據(jù)的切分操作。DBSCAN算法利用數(shù)據(jù)點(diǎn)空間分布的緊密程度來(lái)獲得各聚類簇，假設(shè)真實(shí)場(chǎng)景的地理矢量數(shù)據(jù)控制點(diǎn)為D₁，遙感影像矢量數(shù)據(jù)控制點(diǎn)為D₂，那么二者之間的幾何誤差的表達(dá)式為：

式中，（W·x，W·y）表示真實(shí)場(chǎng)景地理矢量數(shù)據(jù)與遙感影像矢量數(shù)據(jù)之間的同名控制點(diǎn)。通過DBSCAN聚類獲得各局部矢量數(shù)據(jù)的誤差區(qū)域，然后結(jié)合矢量數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間分布情況，將偏移誤差較大的數(shù)據(jù)同名點(diǎn)剔除，再通過剩下的同名點(diǎn)來(lái)構(gòu)建泰森多邊形，即可實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景地理矢量數(shù)據(jù)的切分^［6］。

切分后的真實(shí)場(chǎng)景局部地理矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正后，會(huì)造成連接線斷裂，所以本文通過仿射變換對(duì)局部數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。設(shè)置一個(gè)合適的閾值，根據(jù)該閾值將處于分割線相交的矢量數(shù)據(jù)篩選出來(lái)；利用式（3）對(duì)局部矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)操作：

式中，（X¹_n，Y¹_n）表示配準(zhǔn)前的真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)中第n個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；（X²_n，Y²_n）表示配準(zhǔn)后的真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)中第n個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；（X_n，Y_n）表示配準(zhǔn)后并進(jìn)行光滑處理的真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)中第n個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；m表示真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。根據(jù)式（3）對(duì)真實(shí)場(chǎng)景^［7］局部地理矢量數(shù)據(jù)與影像矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，再將配準(zhǔn)結(jié)果拼接，即可實(shí)現(xiàn)整體真實(shí)場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。

3 搭建三維高精度場(chǎng)景

三維高精度場(chǎng)景的搭建過程主要分為構(gòu)建模型與渲染場(chǎng)景兩個(gè)步驟^［8］，在確保模型層次細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上選取Solidworks軟件作為建模工具。該軟件功能強(qiáng)大，可在實(shí)現(xiàn)精細(xì)化建模的同時(shí)，最大程度降低三維模型復(fù)雜度，節(jié)約占用資源^［9］。場(chǎng)景渲染可為三維模型添加紋理、燈光及陰影等效果，提升虛擬現(xiàn)實(shí)交互的真實(shí)感^［10］。當(dāng)虛擬設(shè)備中輸入變換的場(chǎng)景數(shù)據(jù)，需要利用變換矩陣將場(chǎng)景中Camera的視角進(jìn)行更新^［11］，那么Camera自身位置的計(jì)算公式為：

式中，C表示三維場(chǎng)景中Camera位置；L表示三維場(chǎng)景中Camera位置C與目標(biāo)物體位置C₁之間的距離；C₀表示整個(gè)虛擬場(chǎng)景的視角位置；J表示變換矩陣。通過控制Camera的方式即可實(shí)現(xiàn)三維高精度場(chǎng)景的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，在后續(xù)虛擬現(xiàn)實(shí)交互過程中也需利用Camera位置的更新來(lái)實(shí)現(xiàn)視角的轉(zhuǎn)換。

4 設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)交互方式

語(yǔ)音交互是用戶通過語(yǔ)音指令來(lái)啟動(dòng)并控制虛擬的三維場(chǎng)景^［12］，而三維場(chǎng)景需具備高效的語(yǔ)音識(shí)別功能，才能對(duì)用戶的語(yǔ)音指令進(jìn)行精準(zhǔn)判斷^［13］。此方式對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與提取，提取出的數(shù)字化語(yǔ)音信號(hào)穩(wěn)定性較差，需將信號(hào)相關(guān)的聲學(xué)特征進(jìn)行提取。聲學(xué)特征可呈現(xiàn)用戶語(yǔ)音的音質(zhì)、音準(zhǔn)等特征，是三維虛擬場(chǎng)景^［14］識(shí)別用戶語(yǔ)音的關(guān)鍵指標(biāo)，提取出的語(yǔ)音信號(hào)MFCC特征可呈現(xiàn)出用戶語(yǔ)音指令的動(dòng)態(tài)特征，根據(jù)該特征進(jìn)行識(shí)別，即可達(dá)到預(yù)期的虛擬場(chǎng)景交互效果。

依據(jù)失真度最小原則，通過輸入語(yǔ)音信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)模板中信號(hào)的逐一比對(duì)，獲取最接近模板的識(shí)別結(jié)果^［15］，通過虛擬設(shè)備來(lái)應(yīng)答反饋用戶指令，從而達(dá)到人機(jī)交互目的。

5 實(shí)例應(yīng)用

選取基于草繪圖的三維場(chǎng)景搭建技術(shù)與基于OSGEarth的三維場(chǎng)景搭建技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，分別使用這3種技術(shù)搭建一個(gè)相同的虛擬手術(shù)室場(chǎng)景，讓實(shí)驗(yàn)員于虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行模擬手術(shù)，在整個(gè)手術(shù)過程中，實(shí)驗(yàn)員先操作手術(shù)器械與軟組織進(jìn)行交互操作，再與較硬的骨頭進(jìn)行交互操作，最后回到軟組織。根據(jù)各場(chǎng)景下手術(shù)器械移動(dòng)軌跡來(lái)比較其穩(wěn)定性，獲得結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在利用草繪圖技術(shù)搭建的三維手術(shù)室場(chǎng)景中，手術(shù)器械的移動(dòng)軌跡穩(wěn)定較差，難以按照期望的軌跡進(jìn)行平滑移動(dòng)。在利用OSGEarth技術(shù)搭建的三維手術(shù)室場(chǎng)景中，在與軟組織進(jìn)行交互操作時(shí)，手術(shù)器械可以按照預(yù)定軌跡平滑移動(dòng)，當(dāng)遇到硬度較大的骨頭時(shí)，手術(shù)器械的移動(dòng)軌跡出現(xiàn)波動(dòng)，三維虛擬場(chǎng)景難以維持交互穩(wěn)定性。在本文所提技術(shù)搭建的三維手術(shù)室場(chǎng)景中，無(wú)論是與軟組織還是硬度較大的骨頭進(jìn)行交互操作，手術(shù)器械的移動(dòng)軌跡均保持平滑穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明本文在虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)研發(fā)中搭建的三維高精度場(chǎng)景具有良好的穩(wěn)定性，可以有效支撐用戶與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行交互。

為進(jìn)一步判斷三維高精度場(chǎng)景搭建技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)研發(fā)中的應(yīng)用效果，隨機(jī)錄制并制作3個(gè)語(yǔ)音文件，將其分別輸入文中上述3個(gè)虛擬手術(shù)室場(chǎng)景中，進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別實(shí)驗(yàn)，獲得識(shí)別結(jié)果如表1所示。

由表1可知，本文所提技術(shù)搭建的三維高精度場(chǎng)景對(duì)語(yǔ)音文件的音素識(shí)別錯(cuò)誤率平均為1.29%，較對(duì)照組降低2.31%，5.44%，詞匯識(shí)別錯(cuò)誤率平均為1.02%，較對(duì)照組降低3.7%，7.68%，說(shuō)明本文所提技術(shù)具有更高精度的語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確率，該虛擬場(chǎng)景下的人機(jī)交互性能更優(yōu)越。綜上所述，三維高精度場(chǎng)景搭建技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)研發(fā)中的應(yīng)用效果良好，可為用戶提供一個(gè)穩(wěn)定且真實(shí)的虛擬體驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

為提高三維場(chǎng)景中對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的還原度，本文對(duì)三維高精度場(chǎng)景的搭建技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，將其應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)研發(fā)中，并應(yīng)用本文所提技術(shù)搭建虛擬手術(shù)室場(chǎng)景，模擬手術(shù)過程，對(duì)三維手術(shù)室場(chǎng)景進(jìn)行了高精度還原。此技術(shù)對(duì)語(yǔ)音文件的音素和詞匯識(shí)別錯(cuò)誤率較低，有效實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)交互，證明應(yīng)用本文技術(shù)搭建的三維高精度場(chǎng)景具有良好的穩(wěn)定性，可為用戶呈現(xiàn)出具有真實(shí)感的視覺三維的動(dòng)態(tài)體驗(yàn)。

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（編輯 王永超）

Application analysis of 3D high-precision scene construction technology in virtual reality interaction design and development

Yao Youlong

（Jinan Vocational College， Jinan 250103， China）

Abstract： Due to the low reduction degree of traditional scene construction technology to real scenes， the application of three-dimensional high-precision scene construction technology in the research and development of virtual reality interaction design is analyzed. In this study， the vector data of the real scene was collected and preprocessed， and the 3D high-precision scene was built through modeling and rendering technology， and the design of virtual reality interaction mode was realized based on speech recognition technology. Through the proposed technology in this paper to build a virtual operating room scene simulation operation process， the scene of surgical instruments moving trajectory has been in a smooth and stable state， the voice file phoneme recognition error rate is 1.29%， vocabulary recognition error rate is 1.02%， and verify 3D high precision scene building technology in virtual reality interaction design development has a good application effect.

Key words： three-dimensional high-precision scene; scene building technology; virtual reality; interaction design; application analysis