摘要：藝術(shù)作品三維數(shù)據(jù)在獲取過(guò)程中由于受到環(huán)境等因素干擾，邊緣信息不完整，嚴(yán)重影響其三維展示效果。為解決這一問(wèn)題，文章提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）的藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。該方法首先使用VR頭盔和圖形處理單元渲染VR場(chǎng)景并實(shí)現(xiàn)交互；然后通過(guò)三維高斯濾波器平滑原始圖像并融合局部邊緣；最后利用灰度共生矩陣提取紋理特征，結(jié)合增強(qiáng)函數(shù)優(yōu)化視覺(jué)，融合紋理特征圖，輸出藝術(shù)作品的三維立體展示。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)采用該系統(tǒng)對(duì)藝術(shù)作品進(jìn)行三維展示時(shí)，系統(tǒng)分辨率較高，具備較高的視覺(jué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；藝術(shù)作品；三維展示；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；分辨率

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在文化藝術(shù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)藝術(shù)作品的展示方式，如繪畫(huà)、雕塑、攝影等，雖然能夠呈現(xiàn)藝術(shù)的魅力，但是受限于物理空間和時(shí)間，展示效果和受眾的參與度通常受到限制。因此，探索藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)非常重要，不僅能夠突破傳統(tǒng)展示方式的局限，還能夠?yàn)橛^眾帶來(lái)沉浸式的藝術(shù)體驗(yàn)［1］。近年來(lái)，研究者們不斷探索和優(yōu)化虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，但其應(yīng)用效果不佳［2］。在該背景下，文章提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)。

1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)在硬件方面主要以展示層的VR頭盔為主，配備高性能圖形處理單元實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的渲染以及交互等操作。在藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，展示層是用戶(hù)與系統(tǒng)進(jìn)行交互的直接界面，其核心設(shè)備為VR頭盔顯示器［3］。本文選用當(dāng)前市面上較為成熟的VR頭盔，型號(hào)為HTC Vive Pro 2，通過(guò)采用該設(shè)備的精準(zhǔn)頭部跟蹤功能，為用戶(hù)提供沉浸式的虛擬體驗(yàn)。服務(wù)層負(fù)責(zé)處理虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的渲染、交互等任務(wù)，主要包括高性能圖形處理單元和中央處理單元。對(duì)此，本文選用AMD的Radeon RX系列的CPU作為主要處理單元并配備AMD的Ryzen 7高性能處理器，以確保系統(tǒng)的流暢運(yùn)行［4］。此外，為優(yōu)化用戶(hù)的虛擬體驗(yàn)效果，本文在服務(wù)層配置了虛擬現(xiàn)實(shí)定位追蹤模塊，將其連接到Lighthouse基站，從而對(duì)用戶(hù)的頭部以及手部動(dòng)作進(jìn)行追蹤。工具層以Dell Precision和HP Z系列的臺(tái)式機(jī)作為主要硬件支撐，用于執(zhí)行系統(tǒng)的復(fù)雜3D建模以及紋理貼圖等任務(wù)。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)作品的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括三維模型、紋理貼圖、音頻文件等。文章選擇存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Storage Area Network，SAN）存儲(chǔ)設(shè)備以及Synology的DS系列網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)硬盤(pán)作為主要設(shè)備，確保藝術(shù)作品相關(guān)數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)和備份。在連接方式方面，展示層與服務(wù)層之間通過(guò)DisplayPort等高清視頻接口連接，服務(wù)層與工具層之間通過(guò)高速以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和共享。數(shù)據(jù)層則通過(guò)以太網(wǎng)或光纖等高速網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)層和工具層，提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)服務(wù)。綜上，本文完成所提系統(tǒng)的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 藝術(shù)作品三維虛擬視覺(jué)圖像信息局部邊緣融合處理

考慮在藝術(shù)作品的三維展示中，局部邊緣的不連續(xù)或突?，F(xiàn)象可能會(huì)破壞虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)的沉浸式體驗(yàn)，為了對(duì)這些干擾因素進(jìn)行消除，本文針對(duì)藝術(shù)作品三維虛擬視覺(jué)圖像信息進(jìn)行局部邊緣融合處理。本文選擇結(jié)合深度信息以及圖像三維特性，對(duì)圖像邊緣檢測(cè)進(jìn)行指導(dǎo)［5］。首先本文采用平滑濾波器對(duì)三維圖像深度信息進(jìn)行平滑處理，假設(shè)D（x，y，z）代表原始藝術(shù)作品三維虛擬視覺(jué)圖像，則圖像平滑表達(dá)式為：

Dsmooth（x，y，z）=D（x，y，z）G（x，y，z）（1）

其中，G（x，y，z）代表三維高斯濾波器，代表卷積操作，Dsmooth（x，y，z）代表濾波后的三維虛擬視覺(jué)圖像。然后，本文通過(guò)將深度梯度和顏色/紋理梯度進(jìn)行加權(quán)組合，從而計(jì)算邊緣強(qiáng)度，具體計(jì)算公式為：

E（x，y）=αGcolor（x，y）+β（G2x+G2y）（2）

其中，Gcolor（x，y）代表顏色/紋理強(qiáng)度，α、β代表權(quán)重因子，主要用于平衡顏色/紋理梯度和深度梯度對(duì)邊緣強(qiáng)度的影響，Gx和Gy分別代表藝術(shù)作品三維虛擬視覺(jué)圖像在x和y方向上的梯度分量。在完成邊緣強(qiáng)度的計(jì)算后，本文設(shè)定2個(gè)閾值，完成圖像邊緣提取［6］。接下來(lái)，對(duì)于一組相鄰的邊緣，本文使用加權(quán)平均值來(lái)計(jì)算融合后的邊緣位置，則融合后的邊緣位置（xi′，yi′，zi′）表達(dá)式為：

（xi′，yi′，zi′）=∑i∈Niwi·（xi，yi，zi）∑i∈Niwi（3）

其中，Ni代表與主導(dǎo)邊緣相鄰的邊緣集合，wi代表每個(gè)相鄰邊緣的權(quán)重。通過(guò)上述步驟即可完成三維虛擬視覺(jué)圖像信息的局部邊緣融合處理。

1.2.2 藝術(shù)作品三維立體展示優(yōu)化與輸出

在完成三維圖像的局部邊緣融合處理后，本文采用統(tǒng)計(jì)方法中的灰度共生矩陣對(duì)三維虛擬視覺(jué)圖像中的紋理特征進(jìn)行提取，結(jié)合虛擬視覺(jué)增強(qiáng)函數(shù)，對(duì)藝術(shù)作品的三維立體展示進(jìn)行優(yōu)化以及輸出。首先，采用固定間隔的方式，從三維視覺(jué)圖像中選擇一系列具有代表性的二維切片。然后，對(duì)于每個(gè)灰度化的二維切片，應(yīng)用灰度共生矩陣（Gray-level Co-occurrence Matrix，GLCM）來(lái)提取紋理特征。在該矩陣中，每個(gè)元素（i，j）表示在特定的方向和距離上其灰度級(jí)i與灰度級(jí)j相鄰的距離。對(duì)此，本文選擇對(duì)比度作為紋理特征指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算GLCM矩陣中的特定統(tǒng)計(jì)量，對(duì)其進(jìn)行紋理特征提取，其公式如式（4）所示。

Cij=∑i，j（i-j）2·P（i，j）（4）

其中，P（i，j）代表GLCM中位于（i，j）處的值，Cij代表三維虛擬視覺(jué)圖像中的紋理特征值。在完成三維視覺(jué)圖像的紋理特征提取后，通過(guò)結(jié)合虛擬視覺(jué)增強(qiáng)函數(shù)，將圖像的灰度值映射到一個(gè)新的范圍，具體函數(shù)表達(dá)式如式（5）所示。

I′（x，y）=I（x，y）-min（I）max（I）-min（I）×（Inew-max-Inew-min）（5）

其中，I（x，y）代表原始三維視覺(jué)圖像中的灰度值，max（I）和min（I）分別代表灰度值的極大值和極小值，（Inew-min，Inew-max）代表新的灰度值映射范圍。在邊緣融合處理完成后，本文通過(guò)將提取的紋理特征與虛擬視覺(jué)增強(qiáng)函數(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)藝術(shù)作品的三維立體展示輸出。假設(shè)紋理特征圖為Fmap（x，y），如果該圖像與虛擬視覺(jué)增強(qiáng)函數(shù)增強(qiáng)后的圖像I′（x，y）均具有相同的尺寸，那么通過(guò)采用加權(quán)的方式，可以對(duì)融合后的輸出圖像進(jìn)行計(jì)算，具體表達(dá)式如式（6）所示。

Ifused（x，y）=ω·Fmap（x，y）+（1-ω）·I′（x，y）（6）

其中，I′（x，y）代表虛擬視覺(jué)增強(qiáng)函數(shù)增強(qiáng)后的圖像，ω代表融合權(quán)重。通過(guò)上述過(guò)程即可完成對(duì)于藝術(shù)作品三維立體展示優(yōu)化與輸出。

2 實(shí)驗(yàn)論證

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證文章提出的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)在實(shí)際展示效果方面的優(yōu)越性，該實(shí)驗(yàn)選取基于語(yǔ)義點(diǎn)云的藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)以及基于Web技術(shù)的藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)作為對(duì)比方法，開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)所選取的藝術(shù)作品二維圖像數(shù)據(jù)集內(nèi)的圖像均為高分辨率圖像，以此數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)驗(yàn)證3種方法性能。

2.2 視覺(jué)質(zhì)量對(duì)比結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)以不同展示系統(tǒng)的視覺(jué)質(zhì)量作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，具體衡量指標(biāo)為不同藝術(shù)作品的分辨率，若分辨率越高，則系統(tǒng)對(duì)于作品的細(xì)節(jié)展示能力越高，其視覺(jué)質(zhì)量越好。具體實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

通過(guò)對(duì)比不同系統(tǒng)下的作品分辨率可以明顯看出，本文提出的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的藝術(shù)作品三維展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用在視覺(jué)質(zhì)量方面明顯高于2種常規(guī)的展示系統(tǒng)，作品展示結(jié)果的分辨率更高。

3 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)藝術(shù)作品的三維展示方式進(jìn)行了具體優(yōu)化與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用所提方法進(jìn)行藝術(shù)作品的三維展示，其圖像分辨率遠(yuǎn)優(yōu)于2種對(duì)比方法。由此可證明，本文構(gòu)建的三維展示系統(tǒng)可以為用戶(hù)帶來(lái)更為豐富的藝術(shù)體驗(yàn)。觀眾可以在虛擬空間中與藝術(shù)作品進(jìn)行互動(dòng)，感受其背后的故事和情感狀態(tài)。這種全新的展示方式不僅拓寬了藝術(shù)作品的傳播渠道，還為觀眾提供了更加多元化、個(gè)性化的藝術(shù)欣賞選擇。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王雪芬編輯）

Design of 3D display system of art works based on virtual reality

WEI" Yanhong

（Liuzhou City Vocational College， Liuzhou 545001， China）

Abstract： The 3D data of art works is disturbed by environmental factors during the acquisition process， the edge information is incomplete， which seriously affects the 3D display effect. To solve this problem， this paper proposes the design and application of 3D display system based on virtual reality. This method firstly uses the VR headset and the graphics processing unit to render the virtual reality scenes and realize the interaction. Then， the original images are smoothed and the local edges are fused through a 3D Gaussian filter. Finally， the grayscale symbiosis matrix is used to extract the texture features， optimize the vision combined with the enhancement function， integrate the texture feature map， and output the 3D display of the art works. The test results show that the proposed system has a high resolution and a high visual quality when the proposed system is adopted to display the art works in 3D.

Key words： virtual reality; art works; 3D display;system design;resolution