基于體感交互的公路真三維設(shè)計與系統(tǒng)架構(gòu)*

符鋅砂 龍立敦 李海峰 葛婷

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640;2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410007)

現(xiàn)行的公路幾何設(shè)計通常將公路空間線形拆分為平、縱兩個二維方向的投影，然后考慮平、縱組合形成公路的三維空間曲線，再進(jìn)行橫斷面設(shè)計［1］.這種方法實(shí)質(zhì)上是把公路這樣一個完整的三維空間構(gòu)造物分解為一些零散的片段進(jìn)行設(shè)計，確定各個線形要素后，再進(jìn)行組合的一種拼湊設(shè)計方法.現(xiàn)行方法忽視了公路線形“三維”自然本質(zhì)，很難滿足對公路三維空間實(shí)體的準(zhǔn)確表述，其后果是有可能使得建成的公路存在某些設(shè)計缺陷和疏漏，從而導(dǎo)致公路幾何特性與車輛行駛特性、駕駛?cè)颂匦匀咧g的不匹配，存在嚴(yán)重的安全隱患，這也是目前公路線形設(shè)計面臨的主要困境之一［2-3］.

要真正實(shí)現(xiàn)公路“真三維”設(shè)計，需要解決兩個關(guān)鍵科學(xué)問題:其一是在三維空間上進(jìn)行線形設(shè)計的人機(jī)交互問題，這是實(shí)現(xiàn)公路幾何“真三維”設(shè)計的先決條件;其二是公路平、縱空間曲線的三維統(tǒng)一描述及其空間曲線求解問題，即如何將公路二維的平面線形和縱斷面線形歸結(jié)到一個統(tǒng)一的三維空間曲線，構(gòu)建精確的三維空間公路線形模型，并快速求解出符合設(shè)計要求的空間曲線［4］，這是實(shí)現(xiàn)公路“真三維”設(shè)計的核心問題.

現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得空間三維交互設(shè)計成為可能［5-6］，現(xiàn)代計算機(jī)和三維圖形技術(shù)的發(fā)展，為公路三維線形解析、模擬和分析提供了條件［7］.文中著重對基于體感交互的公路真三維設(shè)計方法及系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行研究，提出了基于體感交互的公路真三維交互設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)，并通過系統(tǒng)原型的開發(fā)和實(shí)驗，驗證了基于體感交互的公路三維交互設(shè)計系統(tǒng)的可行性，為在三維空間進(jìn)行人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)公路真三維設(shè)計提供了有效的方法和手段.

1 基于體感交互的公路真三維設(shè)計方法

1.1 基于體感的三維人機(jī)交互

基于體感交互的公路真三維設(shè)計方法建立在公路三維空間曲線模型基礎(chǔ)上，通過手勢實(shí)現(xiàn)對三維虛擬空間的公路空間曲線模型和三維地形模型的人機(jī)交互，最終實(shí)現(xiàn)公路真三維設(shè)計.為此，采用Kinect傳感器，作為實(shí)現(xiàn)三維人機(jī)交互的工具.Kinect 是微軟公司于2010年11月發(fā)布作為Xbox 360 游戲主機(jī)的外圍游戲控制設(shè)備［8］，由一個RGB 攝像頭、景深傳感器和麥克風(fēng)陣列構(gòu)成，可以實(shí)時獲取相機(jī)空間中物體每一點(diǎn)的深度信息和對全身20 個主要關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維追蹤和定位，進(jìn)而提供對全身3D 運(yùn)動捕捉、手勢識別等能力［9］.由于其突出的三維空間感知能力，Kinect 被廣泛應(yīng)用于針對三維虛擬空間的應(yīng)用程序、3D 游戲中［10］.

建立基于Kinect 的三維人機(jī)交互系統(tǒng)包括兩個方面內(nèi)容:首先，根據(jù)公路三維設(shè)計需要，建立三維人機(jī)交互手勢系統(tǒng)，然后根據(jù)每一手勢中相關(guān)關(guān)節(jié)點(diǎn)的時空分布進(jìn)行手勢定義，并與Kinect 追蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計算，完成手勢偵測與解譯，實(shí)現(xiàn)交互命令輸入;其次，通過數(shù)學(xué)空間變換，建立起從手勢物理空間到計算機(jī)虛擬空間的精確投影模型，把物理空間人體中人體關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)向虛擬空間進(jìn)行線性投影變換，實(shí)現(xiàn)物理空間對虛擬空間的動態(tài)三維交互控制.

1.2 公路真三維設(shè)計

公路三維空間曲線模型是突破傳統(tǒng)的平、縱分離的設(shè)計思路，實(shí)現(xiàn)公路“真三維”設(shè)計的核心，其本質(zhì)可以歸結(jié)為在各種約束下的三維空間曲線求解問題.為此，需要根據(jù)汽車的行駛特性和空間行駛軌跡，從三維空間角度，重新考察公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及線形設(shè)計指標(biāo)的三維空間屬性，包括視距的三維屬性、車輛空間運(yùn)行穩(wěn)定性、車輛駕駛空間連續(xù)性等，并將公路設(shè)計規(guī)范和各種技術(shù)要求作為對數(shù)學(xué)解析模型的約束條件，構(gòu)建滿足三維空間連續(xù)性、一致性的公路三維空間曲線的數(shù)學(xué)解析模型，實(shí)現(xiàn)公路空間曲線的三維統(tǒng)一描述，并能在給定的約束和參數(shù)下迅速確定空間曲線，作為實(shí)現(xiàn)公路三維設(shè)計的空間交互和三維聯(lián)動設(shè)計的保證.

在公路三維空間曲線數(shù)學(xué)解析模型建立的基礎(chǔ)上，引入數(shù)字地面模型(DTM)和三維GIS，通過手勢進(jìn)行三維人機(jī)交互，在具有真實(shí)景觀的地形三維模型上進(jìn)行路線的布置和方案優(yōu)化，從而完成公路三維空間曲線線形設(shè)計.進(jìn)而將橫斷面設(shè)計歸約為道路三維中心線與DTM 的空間交并運(yùn)算，由傳統(tǒng)的“橫斷面帶帽”轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g的自動交并，實(shí)現(xiàn)橫斷面的三維無縫設(shè)計，最終形成完整的公路三維幾何設(shè)計體系.

基于體感交互的公路真三維設(shè)計方法原理見圖1.

圖1 真三維公路設(shè)計方法原理Fig.1 Principle of true three-dimensional road design method

1.3 與二維設(shè)計方法對比

基于體感交互的公路真三維設(shè)計方法與傳統(tǒng)二維設(shè)計方法的本質(zhì)區(qū)別在于三維空間曲線生成上，前者采用自然用戶交互，并在三維空間曲線數(shù)學(xué)模型的支持下直接獲取，后者通過分別進(jìn)行平、縱線形設(shè)計后組合而成.具體表現(xiàn)在設(shè)計平臺、交互工具、線形模型及設(shè)計基本流程4 個方面，如表1 所示.

表1 真三維設(shè)計方法與傳統(tǒng)二維設(shè)計方法對比Table 1 Contradistinction between true 3D method and traditional 2D design method

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

基于體感交互的公路真三維設(shè)計系統(tǒng)在帶有真實(shí)景觀的數(shù)字地面模型上進(jìn)行公路設(shè)計，首先可以通過對計算機(jī)三維虛擬空間的直接操控，實(shí)現(xiàn)在三維空間上的人機(jī)交互設(shè)計.系統(tǒng)以手勢作為人機(jī)交互的主要手段，通過手勢可以對三維地形圖進(jìn)行方便操控，靈活地改變視高、視角，從多個角度、以三維的視角動態(tài)、直觀、立體地查看地形、公路設(shè)計線形，判斷其設(shè)計質(zhì)量、安全性、環(huán)境協(xié)調(diào)性;也可以通過手勢進(jìn)行控制點(diǎn)的生成、選擇、刪除操作，通過語音或鍵盤進(jìn)行約束參數(shù)的定量輸入;此外，作為本系統(tǒng)的特色之處，更能實(shí)現(xiàn)在三維空間中實(shí)現(xiàn)對控制點(diǎn)進(jìn)行X、Y、Z 3 個方向的任意移動，系統(tǒng)依據(jù)公路三維空間曲線數(shù)學(xué)模型對控制點(diǎn)的變化和各約束參數(shù)實(shí)時動態(tài)自動更新道路三維中線，實(shí)現(xiàn)道路線形的真三維交互優(yōu)化設(shè)計.其次，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)公路平、縱曲線的三維空間統(tǒng)一描述，建立完善的公路中線三維模型.在充分考慮駕駛、車輛、地形、安全、舒適、排水等設(shè)計因素后，建立了面向三維空間的公路設(shè)計約束模型，使在特定的地形、控制點(diǎn)約束下自動擬合出符合要求的公路空間三維中線成為可能.最后，在數(shù)字地面模型(DTM)支持下，采用公路中心線與DTM 交并運(yùn)算，自動完成路基橫斷面三維設(shè)計.

2.2 公路真三維設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)

公路真三維設(shè)計系統(tǒng)基于Kinect，采用自然用戶界面進(jìn)行人機(jī)交互，通過手勢和語音進(jìn)行公路真三維交互設(shè)計.按照系統(tǒng)的可伸縮和可維護(hù)原則，依據(jù)系統(tǒng)功能需求，將系統(tǒng)劃分為硬件和第三方軟件、系統(tǒng)軟件兩個部分.

2.2.1 硬件和第三方軟件

系統(tǒng)主要硬件為微軟Kinect，在適合的驅(qū)動下能實(shí)時產(chǎn)生骨骼數(shù)據(jù)幀，其中的每一幀圖像均包含了人體20 個主要關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)信息.基于骨骼數(shù)據(jù)幀，Kinect 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對人體運(yùn)動的三維實(shí)時追蹤，為手勢識別提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

Kinect 的運(yùn)行依靠Kinect for Windows Software Development Kit(SDK)或OpenNI 和NITE［11］等軟件的支持，它們不僅包括Kinect 在計算機(jī)上運(yùn)行所必須的驅(qū)動，還具有豐富的API 和設(shè)備接口，通過它不但能夠獲得Kinect 生成的原始彩色、深度和音頻數(shù)據(jù)流，而且還能夠?qū)ι疃葦?shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)對人體骨骼在三維模式下的追蹤［12］;其次，系統(tǒng)引入如Google Earth 的第三方3DGIS 軟件，提供成熟完善的地理信息數(shù)據(jù)管理與查詢、三維地圖展示、三維視角變換、公路線形對象管理與展示功能，作為公路交互設(shè)計的平臺.

2.2.2 系統(tǒng)軟件

按照面向?qū)ο蟮木幊趟枷牒偷婉詈?、高?nèi)聚的原則，以及實(shí)現(xiàn)的功能不同，在頂層將系統(tǒng)劃分為傳感器控制、手勢定義與識別、3D 地圖操控、公路三維線形求解、線形三維交互設(shè)計、用戶界面控制共六大模塊.各模塊之間的關(guān)系如圖2 所示.

(1)傳感器控制模塊.通過SDK 實(shí)現(xiàn)對Kinect的控制，收集傳感器所產(chǎn)生的系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)如深度數(shù)據(jù)、骨骼數(shù)據(jù)，并傳遞至手勢定義與識別模塊，同時該模塊也負(fù)責(zé)控制傳感器開始、暫停、中斷或終止產(chǎn)生各類數(shù)據(jù)流的任務(wù)［13］.

(2)手勢定義與識別模塊.按照自然用戶交互的一般原則和公路設(shè)計習(xí)慣對手勢體系進(jìn)行設(shè)計，約定地圖操控、線形設(shè)計與工作模式轉(zhuǎn)換等各類操作手勢.同時，基于骨骼數(shù)據(jù)流，依據(jù)手勢快照法解譯手勢的語義，向地圖控制和公路線形交互模塊發(fā)出消息，建立肢體運(yùn)動物理空間到虛擬設(shè)計空間聯(lián)系的橋梁，實(shí)現(xiàn)三維地圖手勢控制和線形設(shè)計的手勢交互.

(3)3D 地圖控制模塊.系統(tǒng)偵測到地圖操控類手勢發(fā)生后，該模塊按照3DGIS 軟件的要求，生成其能夠理解的操作指令并發(fā)出，通知地理信息軟件做出響應(yīng)，對三維地圖進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)等操作，實(shí)現(xiàn)三維視角、視點(diǎn)的靈活改變.

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System architecture diagram

(4)公路三維線形求解模塊.在全面考慮駕駛、車輛和地形因素對視距、安全、舒適、排水和美學(xué)等的影響基礎(chǔ)上，采用PH(Pythagorean Hodograph)曲線及其擴(kuò)展模型，以控制點(diǎn)為中心，通過擴(kuò)展PH 曲線的空間屬性，以設(shè)計約束為參數(shù)系統(tǒng)，完成控制點(diǎn)的插值，建立G2連續(xù)的空間曲線方程［7］，實(shí)現(xiàn)空間曲線的三維統(tǒng)一描述，建立公路三維空間曲線模型和快速曲線求解算法.

(5)線形三維交互設(shè)計模塊.該模塊實(shí)時與平臺進(jìn)行雙向通信，在接受手勢定義與識別模塊消息后，響應(yīng)控制點(diǎn)的生成、選擇、移動、刪除等手勢，生成GIS 軟件能識別的指令并進(jìn)行傳遞，獲取控制點(diǎn)三維坐標(biāo)等基本信息，在公路三維空間曲線模型的支持下進(jìn)行公路空間線形快速求解，生成GIS 平臺能夠識別的格式并進(jìn)行動態(tài)加載，實(shí)現(xiàn)公路三維空間曲線的動態(tài)顯示.在完成三維空間曲線交互優(yōu)化編輯后進(jìn)行橫斷面自動設(shè)計，并最終通過三視圖投影，完成公路施工圖設(shè)計.

(6)用戶界面控制模塊.按照操作對象不同，將系統(tǒng)工作狀態(tài)劃分為地圖視圖模式和公路設(shè)計模式.該模塊接收手勢定義與識別模塊消息和傳感器控制模塊消息并顯示，提示用戶當(dāng)前傳感器狀態(tài)、可進(jìn)行的操作、正在進(jìn)行的操作和人體、手部追蹤狀態(tài)，并為手勢識別提供依據(jù).

3 系統(tǒng)原型建立與實(shí)驗

3.1 公路真三維設(shè)計系統(tǒng)原型建立

按照上節(jié)所述的基于體感交互的公路真三維設(shè)計方法與系統(tǒng)架構(gòu)思路，充分利用自然用戶交互［14］這一最新人機(jī)交互概念的前沿技術(shù)，同時結(jié)合Google Earth 這一成熟的平臺在地形數(shù)據(jù)查詢與管理、三維視角操縱、三維地物模型顯示方面的強(qiáng)大功能，開發(fā)了系統(tǒng)原型，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程如下.

(1)在DotNet Framework 支持下，采用Extensible Application Markup Language(XAML)進(jìn)行用戶圖形界面(GUI)設(shè)計，用圖形化的界面提示用戶系統(tǒng)的工作狀態(tài)、人體追蹤狀態(tài)、手追蹤狀態(tài)、當(dāng)前操作類型等系統(tǒng)信息;采用C#語言和面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，完成系統(tǒng)原型開發(fā).

(2)采用微軟公司的SDK［15］作為Kinect 的驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，獲取骨骼數(shù)據(jù)幀;利用手勢快照［16］的方法對骨骼數(shù)據(jù)幀進(jìn)行匹配計算，完成交互手勢識別與語義解譯，實(shí)現(xiàn)對計算機(jī)虛擬三維設(shè)計空間的交互控制.

(3)采用Google Earth COM API 完成對三維地圖視口的操作、獲取地物信息和地理坐標(biāo)信息［16-17］;采用Google Earth KML 與SketchUp 插件進(jìn)行公路線形要素描述與曲線三維模型構(gòu)建，與COM API 相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)公路三維空間曲線在Google Earth 客戶端中實(shí)時動態(tài)顯示.

3.2 實(shí)驗與結(jié)論

完成系統(tǒng)原型開發(fā)后，在Windows 7 平臺上進(jìn)行系統(tǒng)原型功能性試驗，驗證基于手勢進(jìn)行三維人機(jī)交互進(jìn)行公路三維交互設(shè)計的可行性，主要包括手勢識別、三維視角變換、公路線形對象繪制、公路線形對象編輯4 個主要功能的實(shí)現(xiàn)驗證.圖3 為地圖視圖模式下采用手勢對地圖進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)等操作，圖4 為公路設(shè)計模式下進(jìn)行控制點(diǎn)的生成、選擇、移動等操作與公路三維空間曲線實(shí)時動態(tài)顯示.

圖3 地圖操控Fig.3 Map navigation

圖4 線形元素編輯Fig.4 Alignment edit

通過系統(tǒng)原型的實(shí)驗，得出以下結(jié)論:

(1)通過對基于體感交互的公路真三維設(shè)計系統(tǒng)的研究，設(shè)計了可擴(kuò)展和性能優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)，并開發(fā)了基于手勢識別的三維空間交互設(shè)計系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)質(zhì)上的公路真三維設(shè)計;

(2)突破了圖紙和CAD 平臺的“二維平面”這一本質(zhì)對公路設(shè)計向三維發(fā)展產(chǎn)生的瓶頸，使公路設(shè)計工作在三維虛擬空間中進(jìn)行，直觀、立體的反應(yīng)出線形與地形的協(xié)調(diào)、適應(yīng)情況;

(3)采用手勢與計算機(jī)進(jìn)行直接交互，徹底地改變了傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤等交互工具難以實(shí)現(xiàn)的三維人機(jī)交互的困境，可同時實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 方向的控制與輸入;

(4)靈活的三維視角控制，可從多個維度和多個角度查看公路線形的設(shè)計質(zhì)量，以三維的視角檢查線形設(shè)計質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)線形中的不足之處，依托對線形對象的三維交互編輯功能，可實(shí)時動態(tài)修改線形，為得到安全性最優(yōu)、環(huán)境協(xié)調(diào)性最佳、經(jīng)濟(jì)效益最好的最終線形提供了技術(shù)支持;

(5)本原型系統(tǒng)的開發(fā)及實(shí)驗，驗證了利用體感交互進(jìn)行三維人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)公路真三維設(shè)計的可行性與先進(jìn)性，使得公路設(shè)計回歸到公路線形的“三維”自然本質(zhì)，這對提高公路CAD 技術(shù)的研究和應(yīng)用水平及公路設(shè)計水平和設(shè)計質(zhì)量均具有積極意義.

4 結(jié)語

文中提出了基于體感交互的公路真三維設(shè)計方法和系統(tǒng)架構(gòu)，并對系統(tǒng)原型進(jìn)行了實(shí)驗，驗證了其實(shí)現(xiàn)的可行性.對于突破傳統(tǒng)的公路幾何線形設(shè)計方法面臨的不得不有意忽視公路線形“三維”本質(zhì)，轉(zhuǎn)而通過平、縱線形分別進(jìn)行設(shè)計，再組合獲取空間線形，最終導(dǎo)致大量線形設(shè)計缺陷不可避免地被帶入到公路運(yùn)行階段中的困境，做出了有益的探索.同時也將自然用戶交互這一全新的人機(jī)交互概念引入到公路設(shè)計工作中，推動公路設(shè)計工作從人機(jī)交互手段、交互平臺、公路空間線形三維模型幾方面逐漸實(shí)現(xiàn)三維化，最終實(shí)現(xiàn)公路設(shè)計全過程的三維化.

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