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1、三維虛擬視覺(jué)的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)建構(gòu) 摘要：傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)無(wú)法解決復(fù)雜場(chǎng)景的三維構(gòu)建和可視化問(wèn)題，更無(wú)法滿足用戶沉浸感和動(dòng)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(yàn)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)基于三維虛擬視覺(jué)及手勢(shì)交互設(shè)計(jì)的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)。根據(jù)實(shí)際的功能需求分析，完成了平臺(tái)功能并給出基于雙目視覺(jué)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(jì)交互功能中的虛擬手形識(shí)別算法，降低了應(yīng)用成本，提高了識(shí)別的效率。室內(nèi)設(shè)計(jì)環(huán)境的仿真測(cè)試結(jié)果表明，提出的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠有效進(jìn)行直觀的室內(nèi)三維場(chǎng)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(jué)；人機(jī)交互；攝像機(jī)模型

2、；雙目視覺(jué)技術(shù)；室內(nèi)場(chǎng)景；三維環(huán)境 0引言 隨著計(jì)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(yàn)到了高性能計(jì)算機(jī)和高速帶寬帶來(lái)的全新體驗(yàn)。在線購(gòu)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(huì)所接受。室內(nèi)環(huán)境作為人們最熟悉的生活和工作場(chǎng)所，其傳統(tǒng)的二維界面管理或者設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)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(shí)、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(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)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(diǎn)[3]。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于三維視覺(jué)的室內(nèi)設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)方法，通過(guò)三維場(chǎng)景點(diǎn)云數(shù)據(jù)集和高斯混合模型擬合

3、，達(dá)到了較好的三維場(chǎng)景重構(gòu)效率和精度。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于三維平臺(tái)的虛擬圖書館室內(nèi)設(shè)計(jì)與構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)了便于在線工作的三維虛擬設(shè)計(jì)與展示系統(tǒng)。但是，現(xiàn)有提出的三維虛擬室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)存在交互體驗(yàn)差（人機(jī)交互準(zhǔn)確率低）或者成本高昂的問(wèn)題。因此，為了提高人機(jī)交互的準(zhǔn)確性、降低實(shí)現(xiàn)成本，本文設(shè)計(jì)了基于三維虛擬視覺(jué)及手勢(shì)交互的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)，從而為用戶提供全新的逼真虛擬場(chǎng)景體驗(yàn)。 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(jì)系統(tǒng)無(wú)法解決復(fù)雜場(chǎng)景的三維構(gòu)建和可視化問(wèn)題，此外，更無(wú)法滿足用戶沉浸感和動(dòng)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(wèn)題，能夠帶給用戶豐富而全方位的

4、體驗(yàn)[3，5]。本文以室內(nèi)環(huán)境為主要研究對(duì)象，構(gòu)建具有良好人機(jī)交互功能體驗(yàn)的虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，其功能需求主要包括：1）室內(nèi)三維實(shí)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(chǎng)景下的交互操作功能，包括視角切換、場(chǎng)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(kù)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(jué)及交互設(shè)計(jì)的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)建構(gòu) 2.1平臺(tái)功能設(shè)計(jì) 通過(guò)上述室內(nèi)三維虛擬交互的功能需求分析，對(duì)平臺(tái)所需的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 現(xiàn)有的三維虛

5、擬室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)采用的交互功能存在諸多問(wèn)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(duì)于輸入設(shè)備是三維鼠標(biāo)和三維游戲桿的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其存在工作效率不高、用戶的人機(jī)交互體驗(yàn)較差的問(wèn)題；2）而對(duì)于輸入設(shè)備為頭部跟蹤設(shè)備和手勢(shì)跟蹤設(shè)備的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(huì)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的人手與計(jì)算機(jī)交互，可以大大提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的可操作性。但是它價(jià)格昂貴、需要校準(zhǔn)，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)成本高昂、使用不方便。而采用攝像機(jī)拍攝的方法來(lái)獲取手的運(yùn)動(dòng)，無(wú)需數(shù)據(jù)手套就能

6、夠捕捉和識(shí)別手勢(shì)的動(dòng)作，因此，本文采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的虛擬手交互來(lái)完成三維虛擬交互室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)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(guò)多介紹和分析，接下來(lái)將對(duì)平臺(tái)的重點(diǎn)--交互設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)分析。 3基于虛擬手形識(shí)別算法的人機(jī)交互設(shè)計(jì) 3.1攝像機(jī)模型 三維虛擬環(huán)境下的手勢(shì)識(shí)別必須采用立體視覺(jué)系統(tǒng)，而雙目視覺(jué)應(yīng)該是常見(jiàn)的立體視覺(jué)系統(tǒng)。需要對(duì)兩臺(tái)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(jué)技術(shù)的手勢(shì)識(shí)別 本文實(shí)驗(yàn)將采集到的RGB值轉(zhuǎn)化成HSV

7、值。本文采用基于運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的仿真算法[11]實(shí)現(xiàn)手形繪制，并默認(rèn)滿足手的運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系。 4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 4.1實(shí)驗(yàn)硬件和軟件環(huán)境 為了驗(yàn)證提出的三維虛擬交互室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)的性能，本文以家居室內(nèi)應(yīng)用為例進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和實(shí)例驗(yàn)證。使用雙目立體視覺(jué)和Kinect深度攝像機(jī)進(jìn)行室內(nèi)場(chǎng)景三維重建。借助虛擬建模軟件3dsMax搭建室內(nèi)實(shí)體及其三維場(chǎng)景，并結(jié)合Unity3D引擎作為虛擬驅(qū)動(dòng)平臺(tái)重構(gòu)。操縱系統(tǒng)為Windows7。實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)置和配置情況見(jiàn)表1。從表1可以看出，該平臺(tái)無(wú)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(chǎng)景設(shè)計(jì)

8、的界面時(shí)，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(guò)雙目立體視覺(jué)和Kinect攝像機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶手形和輪廓，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互輸入，得到了自然直觀的用戶體驗(yàn)效果。 4.3實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性分析 表2為基于雙目視覺(jué)技術(shù)的手勢(shì)識(shí)別的檢測(cè)率結(jié)果，可以看出，實(shí)際發(fā)生的幀數(shù)和檢測(cè)出的發(fā)生幀數(shù)之間差距較小，也就是說(shuō)，能夠在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到手勢(shì)的變化，實(shí)現(xiàn)了快速的輸入響應(yīng)。 5結(jié)語(yǔ) 本文設(shè)計(jì)了一種基于三維虛擬視覺(jué)及手勢(shì)交互的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)，提高了人機(jī)交互的準(zhǔn)確性、降低實(shí)現(xiàn)成本，并為用戶提供了全新的逼真虛擬場(chǎng)景體驗(yàn)。實(shí)際室內(nèi)應(yīng)用的實(shí)例運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了提出平臺(tái)設(shè)計(jì)的可行性和實(shí)時(shí)性。此外，相比基于OpenCV、單目視覺(jué)的手勢(shì)識(shí)別方法，本文提出的雙目視覺(jué)技術(shù)手勢(shì)識(shí)別表現(xiàn)出更高的準(zhǔn)確性。但是，對(duì)于復(fù)雜的手勢(shì)運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)交互識(shí)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(duì)此開(kāi)展進(jìn)一步研究。