三維虛擬視覺的室內(nèi)設(shè)計平臺建構(gòu)

三維虛擬視覺的室內(nèi)設(shè)計平臺建構(gòu) 摘要：傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計系統(tǒng)無法解決復(fù)雜場景的三維構(gòu)建和可視化問題，更無法滿足用戶沉浸感和動態(tài)交互的需求。因此，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，以自然直觀的人機(jī)交互和逼真的虛擬環(huán)境體驗為目標(biāo)，設(shè)計基于三維虛擬視覺及手勢交互設(shè)計的室內(nèi)設(shè)計平臺。根據(jù)實際的功能需求分析，完成了平臺功能并給出基于雙目視覺技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互的總體結(jié)構(gòu)。利用攝像機(jī)設(shè)計交互功能中的虛擬手形識別算法，降低了應(yīng)用成本，提高了識別的效率。室內(nèi)設(shè)計環(huán)境的仿真測試結(jié)果表明，提出的室內(nèi)設(shè)計平臺能夠有效進(jìn)行直觀的室內(nèi)三維場景可視化，且具有較好的準(zhǔn)確性和交互性。關(guān)鍵詞：3D虛擬視覺；人機(jī)交互；攝像機(jī)模型；雙目視覺技術(shù)；室內(nèi)場景；三維環(huán)境0引言隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，人們逐步體驗到了高性能計算機(jī)和高速帶寬帶來的全新體驗。在線購物、網(wǎng)絡(luò)社交、虛擬旅游和大型3D游戲已經(jīng)被現(xiàn)代社會所接受。室內(nèi)環(huán)境作為人們最熟悉的生活和工作場所，其傳統(tǒng)的二維界面管理或者設(shè)計系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足人們逼真沉浸感的需求1?，F(xiàn)代人需要的是更加形象、更加真實、更加便于交互的三維虛擬仿真環(huán)境2。因此，如何利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)沉浸式虛擬環(huán)境的搭建和交互，成為當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)研究的熱點3。文獻(xiàn)4提出了一種基于三維視覺的室內(nèi)設(shè)計虛擬現(xiàn)實方法，通過三維場景點云數(shù)據(jù)集和高斯混合模型擬合，達(dá)到了較好的三維場景重構(gòu)效率和精度。文獻(xiàn)5提出了一種基于三維平臺的虛擬圖書館室內(nèi)設(shè)計與構(gòu)建方法，實現(xiàn)了便于在線工作的三維虛擬設(shè)計與展示系統(tǒng)。但是，現(xiàn)有提出的三維虛擬室內(nèi)設(shè)計平臺存在交互體驗差（人機(jī)交互準(zhǔn)確率低）或者成本高昂的問題。因此，為了提高人機(jī)交互的準(zhǔn)確性、降低實現(xiàn)成本，本文設(shè)計了基于三維虛擬視覺及手勢交互的室內(nèi)設(shè)計平臺，從而為用戶提供全新的逼真虛擬場景體驗。1室內(nèi)三維虛擬交互的功能需求分析傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計系統(tǒng)無法解決復(fù)雜場景的三維構(gòu)建和可視化問題，此外，更無法滿足用戶沉浸感和動態(tài)交互的需求。而虛擬仿真的出現(xiàn)，可以有效解決上述問題，能夠帶給用戶豐富而全方位的體驗3，5。本文以室內(nèi)環(huán)境為主要研究對象，構(gòu)建具有良好人機(jī)交互功能體驗的虛擬設(shè)計平臺，其功能需求主要包括：1）室內(nèi)三維實體組件模塊的管理，包括室內(nèi)物品、材料的導(dǎo)入和展示等。2）室內(nèi)場景下的交互操作功能，包括視角切換、場景漫游、輸入響應(yīng)等人機(jī)交互的各種操作。3）數(shù)據(jù)庫管理和顯示功能，包括自定義顯示信息、屬性定義等。4）人員管理常用功能，包括地圖導(dǎo)航、查詢位置定位等。2基于三維虛擬視覺及交互設(shè)計的室內(nèi)設(shè)計平臺建構(gòu)2.1平臺功能設(shè)計通過上述室內(nèi)三維虛擬交互的功能需求分析，對平臺所需的功能進(jìn)行設(shè)計。2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)有的三維虛擬室內(nèi)設(shè)計平臺采用的交互功能存在諸多問題，主要原因是其虛擬顯示交互系統(tǒng)采用的輸入設(shè)備68：1）對于輸入設(shè)備是三維鼠標(biāo)和三維游戲桿的系統(tǒng)來說，其存在工作效率不高、用戶的人機(jī)交互體驗較差的問題；2）而對于輸入設(shè)備為頭部跟蹤設(shè)備和手勢跟蹤設(shè)備的系統(tǒng)來說，用戶可以得到更加自然、逼真的沉浸感。輸出設(shè)備均為VR眼睛。其中，利用數(shù)據(jù)手套作為輸入設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互，會導(dǎo)致系統(tǒng)的成本大幅提高，影響了系統(tǒng)的普及和推廣應(yīng)用。由于使用數(shù)據(jù)手套實現(xiàn)現(xiàn)實中的人手與計算機(jī)交互，可以大大提高虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的可操作性。但是它價格昂貴、需要校準(zhǔn)，導(dǎo)致實現(xiàn)成本高昂、使用不方便。而采用攝像機(jī)拍攝的方法來獲取手的運動，無需數(shù)據(jù)手套就能夠捕捉和識別手勢的動作，因此，本文采用基于計算機(jī)視覺的虛擬手交互來完成三維虛擬交互室內(nèi)設(shè)計平臺的交互模塊功能，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。室內(nèi)虛擬環(huán)境的搭建和生成采用Unity3D引擎渲染，技術(shù)已經(jīng)較為成熟，因此不做過多介紹和分析，接下來將對平臺的重點-交互設(shè)計進(jìn)行重點分析。3基于虛擬手形識別算法的人機(jī)交互設(shè)計3.1攝像機(jī)模型三維虛擬環(huán)境下的手勢識別必須采用立體視覺系統(tǒng)，而雙目視覺應(yīng)該是常見的立體視覺系統(tǒng)。需要對兩臺攝像機(jī)在工作區(qū)中的位置和朝向進(jìn)行分析。3.2基于雙目視覺技術(shù)的手勢識別本文實驗將采集到的RGB值轉(zhuǎn)化成HSV值。本文采用基于運動學(xué)反解的仿真算法11實現(xiàn)手形繪制，并默認(rèn)滿足手的運動約束關(guān)系。4實驗結(jié)果與分析4.1實驗硬件和軟件環(huán)境為了驗證提出的三維虛擬交互室內(nèi)設(shè)計平臺的性能，本文以家居室內(nèi)應(yīng)用為例進(jìn)行了開發(fā)和實例驗證。使用雙目立體視覺和Kinect深度攝像機(jī)進(jìn)行室內(nèi)場景三維重建。借助虛擬建模軟件3dsMax搭建室內(nèi)實體及其三維場景，并結(jié)合Unity3D引擎作為虛擬驅(qū)動平臺重構(gòu)。操縱系統(tǒng)為Windows7。實驗的硬件設(shè)置和配置情況見表1。從表1可以看出，該平臺無需數(shù)字手套輸入設(shè)備，因此成本較低。4.2效果分析在切換到室內(nèi)場景設(shè)計的界面時，室內(nèi)三維虛擬交互的效果如圖4所示，用戶自由交互式漫游效果良好，通過雙目立體視覺和Kinect攝像機(jī)實時檢測用戶手形和輪廓，從而實現(xiàn)人機(jī)交互輸入，得到了自然直觀的用戶體驗效果。4.3實時性和準(zhǔn)確性分析表2為基于雙目視覺技術(shù)的手勢識別的檢測率結(jié)果，可以看出，實際發(fā)生的幀數(shù)和檢測出的發(fā)生幀數(shù)之間差距較小，也就是說，能夠在相當(dāng)短的時間內(nèi)檢測到手勢的變化，實現(xiàn)了快速的輸入響應(yīng)。5結(jié)語本文設(shè)計了一種基于三維虛擬視覺及手勢交互的室內(nèi)設(shè)計平臺，提高了人機(jī)交互的準(zhǔn)確性、降低實現(xiàn)成本，并為用戶提供了全新的逼真虛擬場景體驗。實際室內(nèi)應(yīng)用的實例運行結(jié)果驗證了提出平臺設(shè)計的可行性和實時性。此外，相比基于OpenCV、單目視覺的手勢識別方法，本文提出的雙目視覺技術(shù)手勢識別表現(xiàn)出更高的準(zhǔn)確性。但是，對于復(fù)雜的手勢運動，平臺交互識別效果不夠穩(wěn)定，魯棒性不高，且受到光線強(qiáng)度的影響較大，后續(xù)將對此開展進(jìn)一步研究。