基于虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)貼圖在環(huán)境修復(fù)的研究

郭巍，武平，蘇穎，晉春杰，徐武

（云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南昆明650000）

傳統(tǒng)生態(tài)環(huán)境修復(fù)成本高、成效不穩(wěn)定，若修復(fù)方案出現(xiàn)差錯(cuò)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成更多破壞。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)，利用建模軟件建立場(chǎng)景，加入地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的信息，將生態(tài)格局作為城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)的重要因素[1]。利用實(shí)時(shí)貼圖模擬修復(fù)過(guò)程中生態(tài)環(huán)境的變化，隨后進(jìn)行可視化展示與多維交互[2]，為生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供輔助信息與技術(shù)支持。

1 環(huán)境修復(fù)總體框架設(shè)計(jì)

1.1 灰盒集成模式的運(yùn)用

分析歸納現(xiàn)有的“白盒”、“黑盒”兩種GIS和VR集成方式，并引出“灰盒”模式[3]。其特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)如表1所示。

表1 集成模式對(duì)比

“灰盒”模式兼顧程序運(yùn)行時(shí)的外部狀況與內(nèi)部邏輯[4]，最大化保證GIS系統(tǒng)與VR系統(tǒng)的功能完整性，可以為環(huán)境修復(fù)提供充分的技術(shù)支持。

1.2 可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言傳輸數(shù)據(jù)

為使GIS系統(tǒng)與VR系統(tǒng)之間能夠相互傳遞數(shù)據(jù)，可引入可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（Extensible Markup Language，XML）。XML技術(shù)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，對(duì)數(shù)據(jù)的類(lèi)型進(jìn)行定義和歸類(lèi)[5]，處理后的數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)化、獨(dú)立于應(yīng)用程序的特點(diǎn)，且XML的標(biāo)準(zhǔn)性和可擴(kuò)展性也滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨?。由此建立的互操作模型如圖1所示。

圖1 基于XML技術(shù)的GIS-VR互操作模型

客戶端利用瀏覽器插件實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的顯示；網(wǎng)絡(luò)端用于響應(yīng)請(qǐng)求及通訊；數(shù)據(jù)信息端使用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并形成虛擬城市用以網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行調(diào)用。

1.3 建立城市模型與數(shù)據(jù)庫(kù)

城市包含道路、綠化區(qū)等不同類(lèi)型、形狀各異的基本單元，為直觀、清晰立體地展現(xiàn)，可使用3DMAX建模軟件?？梢暬膱D形建模與高效的渲染與紋理效果完全滿足復(fù)雜城市模型的構(gòu)建[6]。3DMAX輸出文件格式為wrl，使用Inline節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌至X3D文件中，再利用X3D-Edit編輯器完成場(chǎng)景的后續(xù)制作。3DMAX與X3D軟件都支持XML編碼，滿足數(shù)據(jù)傳輸與共享的需求。

城市環(huán)境信息可通過(guò)采樣分析獲得，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸類(lèi)[7]，建立生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)對(duì)環(huán)境信息的分析，為決策者提供輔助信息，使生態(tài)環(huán)境修復(fù)過(guò)程直觀、高效[8]。

2 環(huán)境修復(fù)的實(shí)現(xiàn)

城市是一種復(fù)合生態(tài)體系，進(jìn)行生態(tài)環(huán)境修復(fù)要綜合考慮空間合理、環(huán)境匹配等要素[9]，從而確定修復(fù)方案。針對(duì)具體的修復(fù)內(nèi)容及技術(shù)實(shí)現(xiàn)，下文以生態(tài)環(huán)境修復(fù)中的綠化問(wèn)題為切入點(diǎn)，從樹(shù)木構(gòu)建，類(lèi)型選擇與切換進(jìn)行闡述。

2.1 修復(fù)方案的確立

不同城市、不同污染狀況，需建立不同的三維虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，使用不同的修復(fù)方案。修復(fù)方案的編制、實(shí)施、效果反饋及優(yōu)化改進(jìn)是一個(gè)完整的過(guò)程，如圖2所示。

圖2 城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)流程圖

2.2 樹(shù)木構(gòu)建

綠化是環(huán)境修復(fù)過(guò)程的重要一環(huán)，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，首先解決樹(shù)木構(gòu)建的問(wèn)題。對(duì)于樹(shù)木模型，若直接使用三維立體模型展示樹(shù)木的枝干、葉片等信息，雖然信息表達(dá)全面，但過(guò)多的細(xì)節(jié)描述代碼會(huì)占用大量?jī)?nèi)存空間，且調(diào)用緩慢，展現(xiàn)效果不理想。鑒于此，利用“降維”的思路，首先構(gòu)建樹(shù)木的二維平面模型，然后利用垂直交叉的方式模擬三維立體狀態(tài)。這樣既能保證立體性與真實(shí)性，又能優(yōu)化內(nèi)存的使用。相關(guān)代碼如下（因部分代碼過(guò)長(zhǎng)，用“**”簡(jiǎn)略表示）：

1）建立樹(shù)木的正面二維平面模型：

2.3 實(shí)時(shí)貼圖完成樹(shù)木選擇

針對(duì)不同的土壤、地形、場(chǎng)景，選擇不同種類(lèi)的樹(shù)木。對(duì)每一種樹(shù)木使用貼圖的方式進(jìn)行展示，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率[10]。部分核心代碼如下：

1）利用接觸傳感器節(jié)點(diǎn)建立選擇按鈕：

通過(guò)點(diǎn)擊按鈕，觸發(fā)“TREE1”和“TREE2”事件，通過(guò)MFString節(jié)點(diǎn)解析出路徑為“map/1.png”的貼圖地址，之后將其賦值給ImageTexture節(jié)點(diǎn)“tu_1”的url屬性[11]。從而實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)選擇不同樹(shù)木，場(chǎng)景實(shí)時(shí)更新展示。本系統(tǒng)內(nèi)置了5種不同類(lèi)型的樹(shù)木，展示效果如圖3所示。

2.4 實(shí)際位置的確定

在虛擬場(chǎng)景中“種植”了樹(shù)木，就需要在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中確定其真實(shí)位置。在模型建立過(guò)程中，可以獲得每個(gè)模型的虛擬坐標(biāo)，即可推算出真實(shí)位置坐標(biāo)。

（x0，y0，z0）為已知點(diǎn)位置，需確定位于（x1，y1，z1）坐標(biāo)點(diǎn)樹(shù)木的位置。λ為比例系數(shù)，以建筑物實(shí)際可測(cè)距離（長(zhǎng)度l、寬度w、高度h）與系統(tǒng)建模的對(duì)應(yīng)模型的參數(shù)（長(zhǎng)度l0、寬度w0、高度h0）之比，即：

為方便建模，存在λ（l）≠λ（w）≠λ（h），則計(jì)算實(shí)際位置時(shí)，應(yīng)使用相對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)，有：

2.5 修復(fù)結(jié)果的展示及應(yīng)用

修復(fù)完成的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景可通過(guò)BS_Contact軟件在客戶端展示。修復(fù)人員也可直接進(jìn)行操作。該系統(tǒng)在大學(xué)團(tuán)結(jié)廣場(chǎng)進(jìn)行了試用，內(nèi)容包括樹(shù)木的選擇，廣場(chǎng)石磚的鋪設(shè)，路燈的安置等，修復(fù)后的現(xiàn)實(shí)效果如圖4所示。

圖4 廣場(chǎng)修復(fù)現(xiàn)實(shí)效果圖

通過(guò)與圖3虛擬修復(fù)場(chǎng)景對(duì)比可知，該系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)“復(fù)原”現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，并在虛擬場(chǎng)景中完成綠化等操作，可以為環(huán)境修復(fù)提供有效直觀的判斷，能起到輔助作用。

3 場(chǎng)景交互功能的實(shí)現(xiàn)

城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)的過(guò)程需要修復(fù)人員的實(shí)時(shí)參與，這就提出了對(duì)虛擬系統(tǒng)多維交互的要求。加入力觸覺(jué)可以使修復(fù)人員更直接的了解修復(fù)過(guò)程，從而建立其與虛擬環(huán)境更為密切的聯(lián)系[12]。

3.1 動(dòng)態(tài)手勢(shì)的識(shí)別

手勢(shì)的運(yùn)動(dòng)形成運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)獲取手勢(shì)的位置坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)速度以及手心偏轉(zhuǎn)角度來(lái)“定位”軌跡。考慮到運(yùn)動(dòng)速度的獲取較為繁瑣，而直接使用位置坐標(biāo)存在數(shù)據(jù)量大的缺陷，故使用更為簡(jiǎn)便的手心偏轉(zhuǎn)角度作為特征值簡(jiǎn)化分析。手勢(shì)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性使得角度變化的連續(xù)，θ可取值[0，2π]。假設(shè)從T時(shí)刻到T+t時(shí)刻手勢(shì)發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，利用手心位置坐標(biāo)的位移變化（ΔX，ΔY），計(jì)算θ=arctan（ΔX/ΔY）。將整個(gè)周期均勻切割12份，即每π/6量化為一個(gè)方向[13]，簡(jiǎn)化特征值個(gè)數(shù)的同時(shí)并不會(huì)誤判手勢(shì)運(yùn)動(dòng)的軌跡，有利于動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別速度的提升。

3.2 基于Hu不變矩的手勢(shì)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

定位點(diǎn)的檢測(cè)會(huì)因?yàn)橛^察點(diǎn)的放置（距離、角度和位置的不同）而得到不同的三維動(dòng)作圖像，這會(huì)嚴(yán)重影響手勢(shì)動(dòng)作軌跡識(shí)別過(guò)程的準(zhǔn)確度。為克服此不足，可使用Hu不變矩作為三維動(dòng)作圖像的特征向量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作識(shí)別及優(yōu)化。

首先計(jì)算手勢(shì)動(dòng)作軌跡的不變矩，通過(guò)將三維動(dòng)作圖像投影到3個(gè)相互正交的投影平面上，得到分別位于XY、YZ和ZX面的3個(gè)二維圖像[14]。這樣的投影處理可以簡(jiǎn)化不變矩的計(jì)算過(guò)程，提高手勢(shì)動(dòng)作軌跡的識(shí)別效果。對(duì)3個(gè)二維圖像分別計(jì)算，最終得到7個(gè)不變矩M1～M7，其具有平移不變性、旋轉(zhuǎn)不變形和縮放不變性3大特點(diǎn)。由于直接計(jì)算得到的不變矩絕對(duì)數(shù)值太小不便于比較，可以取絕對(duì)值并通過(guò)對(duì)數(shù)處理進(jìn)行放大[15]：

分析放大處理后的不變矩Mk與標(biāo)準(zhǔn)手勢(shì)動(dòng)作不變矩Hk的相似度Φ：

可知，當(dāng)Φ≈1時(shí)，表示對(duì)所檢測(cè)到的動(dòng)作完成識(shí)別與匹配。

3.3 利用HMM算法優(yōu)化手勢(shì)識(shí)別

為了提高手勢(shì)識(shí)別的性能，可將HMM的動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別算法的功能模塊嵌入在交互系統(tǒng)中，以提高手勢(shì)識(shí)別的精確度。對(duì)于每一個(gè)手勢(shì)的HMM模型，尋找輸出概率最大的狀態(tài)路徑，即P（O|λ）最大[16]。手勢(shì)識(shí)別時(shí)，當(dāng)PA取值最大時(shí)沒(méi)有識(shí)別為手勢(shì)A，則需要將手勢(shì)A數(shù)據(jù)再次輸入至該HMM模型作，利用迭代訓(xùn)練優(yōu)化手勢(shì)A的模型參數(shù)[17]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市的仿真與環(huán)境的修復(fù)，利用實(shí)時(shí)貼圖與節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌調(diào)用的方式，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，且圖形展示鮮明，效果流暢。同時(shí)通過(guò)多維交互，強(qiáng)化聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)感知，提高了系統(tǒng)的可操作性，加深了沉浸感。該系統(tǒng)在學(xué)校綠化建設(shè)上的試用，效果良好，確實(shí)可以提供技術(shù)支持，輔助環(huán)境修復(fù)。未來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化及專業(yè)領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)，還可以運(yùn)用于城市規(guī)劃、電力線路設(shè)計(jì)等方面，具有一定的推廣價(jià)值。