基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的圖像處理平臺研究

狄軼娟 殷誠銘 蔡紀(jì)鶴 單夢娜

摘 要：為了更好地培養(yǎng)在圖像處理方面的實踐能力、創(chuàng)新能力，就有必要研究一個圖像處理平臺，使學(xué)生能掌握有關(guān)數(shù)字圖像處理的基本概念、方法、原理及應(yīng)用，進而培養(yǎng)和增強學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，提高實際動手能力、創(chuàng)新能力及學(xué)術(shù)研究能力。因此，在本論文的研究中提出使用3D Max和VRP結(jié)合來研究圖像處理虛擬仿真平臺。通過該系統(tǒng)，不僅可以學(xué)習(xí)圖像處理基礎(chǔ)知識、圖像處理方法及其MATLAB仿真，還可以動畫演示七巧板的識別和匹配過程，可以對工業(yè)生產(chǎn)中零部件的裝配過程起到模擬示范作用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;圖像處理;3D Max;VRP

0 引言

隨著信息化與智能化時代的到來，圖像處理技術(shù)在各等領(lǐng)域都有很好的發(fā)展空間[1]。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)圖像處理技術(shù)的方法主要是通過書本上一些公式的推導(dǎo)以及程序的說明，這種方法過于枯燥，而且學(xué)生對于知識的理解也只浮于表面。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是一種新興的技術(shù)綜合性很強的學(xué)科，它融合了數(shù)字圖像處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體交互技術(shù)等熱門發(fā)展方向，通過外部硬件與計算機軟件相結(jié)合的方式，為用戶塑造了一個能夠交互的、帶感知的虛擬世界[2]。虛擬儀器由于在組建上具有高效性與靈活性，能夠適應(yīng)測試功能的多樣化，以及可用表格、圖形快速準(zhǔn)確顯示結(jié)果，達到一機多用，從而具備了傳統(tǒng)工藝難以比擬的優(yōu)勢[3]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展無疑為圖像處理技術(shù)的傳播提供了一個新的平臺，該平臺擬在MATLAB環(huán)境下使用圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱 GUI）構(gòu)建圖像處理平臺，然后再在此基礎(chǔ)上使用3D Studio Max（3D Max）、VRP研究圖像處理虛擬平臺[4]。

通過這種“虛實結(jié)合，互相補充，能實不虛”的平臺，利用新穎的教學(xué)方法，可以讓學(xué)生在主動實踐中了解圖像處理的基礎(chǔ)知識，在操作觀看動畫中對圖像處理的方法有一個更加深刻的理解和研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計

圖像處理虛擬仿真平臺的設(shè)計對象主要是一個交互界面和虛擬工作臺。交互界面主要包括圖像處理技術(shù)的各部分知識點和在MATLAB仿真處理后得到的圖片數(shù)據(jù);虛擬工作臺則是模擬機械臂對已有模板的識別、拾取、匹配的過程。

虛擬圖像處理平臺類似于虛擬實驗室的一種，旨在豐富學(xué)生圖像處理與分析方面的知識，以綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，讓學(xué)生在實踐過程中學(xué)習(xí)掌握圖像處理的相關(guān)知識，結(jié)合動畫演示提高對學(xué)習(xí)的興起，從而彌補教學(xué)中講授課程缺少練習(xí)的缺點，使得學(xué)生對圖像處理技術(shù)有深刻理解，具有圖像處理與分析的創(chuàng)新能力、實踐能力和科研能力，為學(xué)生以后從事相關(guān)方向的研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)設(shè)計主要包括：

（1）使用三維建模和渲染技術(shù)構(gòu)建虛擬工作臺

首先使用 Photoshop，對建立虛擬平臺的所有素材進行修改，為貼圖材料做準(zhǔn)備;然后使用3D Max構(gòu)建虛擬工作臺的模型并制作模板匹配的動畫，再對建好的模型進行材質(zhì)貼圖和烘焙渲染;最后將在3D Max中創(chuàng)建的場景導(dǎo)出到 VRP（虛擬現(xiàn)實平臺），為后期制作做準(zhǔn)備。

（2）使用 VRP 制作虛擬交互界面

首先導(dǎo)入 3D Max中建模和渲染后的模型;然后利用高級界面中的控件設(shè)計交互界面;最后利用控件事件腳本編輯器編寫控件的交互事件，最終實現(xiàn)交互功能。

2虛擬工作臺的設(shè)計和功能實現(xiàn)

本文研究的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的圖像處理系統(tǒng)的的建模和動畫制作過程包括：

（1）素材采集。本系統(tǒng)建模對象的元素有：七巧板、流水線工作臺、單軌機械臂、以及CMOS攝像頭。

（2）虛擬工作臺建模。虛擬現(xiàn)實場景真實性的好壞，很大程度上是由建立模型的優(yōu)劣決定的。選擇容易建模的素材，能為后期的工作打下良好的基礎(chǔ)。利用3D Max自帶的標(biāo)準(zhǔn)幾何體和修改器工具可以完成大多數(shù)簡易模型的制作，通過將復(fù)雜模型分割成幾部分簡易模型的方法，可以提高建模效率，降低后期制作的難度。

（3）虛擬工作臺材質(zhì)和貼圖。在完成模型的建立以后，還需要給模型貼上材質(zhì)，經(jīng)過渲染烘焙，才能使模型更加真實。3D Max自帶的材質(zhì)編輯器有24個材質(zhì)球可供設(shè)置不同的材質(zhì)。利用前期收集的材料圖片，可以制作模型的貼圖。

（4）虛擬工作臺的渲染和烘焙。3D Max建立的模型是三維的，不僅占用空間大，也不易于觀察，為了將三維模型輸出成二維圖像，就需要進行渲染操作。經(jīng)過渲染的模型更加接近于真實環(huán)境，給人更加直觀的感受。

（5）動畫制作。3D Max的動畫分為兩類：剛體動畫（rigid body animation）和柔體動畫（soft animation）。對于大多數(shù)物理可模擬的對象來說，完成的運動一般都是剛體動畫，柔體動畫則多是指水流等沒有固定形狀的對象。本次論文除了建立虛擬工作臺模型以外，還需要制作一個模板匹配的動畫。動畫的主要內(nèi)容為通過攝像頭對比工作臺上攝像區(qū)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)件七巧板模型的位置，利用機械臂調(diào)整另一邊工作臺上散件的位置，使其達到和標(biāo)準(zhǔn)件一樣的布置，實現(xiàn)模板匹配的功能。

3 VRP交互功能實現(xiàn)

在完成3D Max中的所有操作以后就可以將模型導(dǎo)入VRP中進行交互界面的設(shè)計了。在VRP的高級界面中，新建一個窗口，利用控件中的按鈕、組合框、靜態(tài)圖片控件設(shè)計交互界面，再添加腳本，即可實現(xiàn)交互功能。

（1）3D Max導(dǎo)出VRP。由于本設(shè)計包含模板匹配的剛體動畫，所以在導(dǎo)入VRP前還需要為剛體模型建立一個集。具體步驟為：a.選擇界面上方主工具欄中的“編輯命名選擇集”工具，彈出“命令選擇集”窗口;b.點擊該窗中的“創(chuàng)建新集”按鈕，即可創(chuàng)建一個默認(rèn)命名的集，點擊“加號”;c.點擊模型中帶幀動畫的部分，即可添加到集中，將集的名稱改為{vrp_rigid}，就完成剛體動畫集的創(chuàng)建。

（2）交互界面設(shè)計。本系統(tǒng)交互界面布局主要包括四級界面，分別是VRP使用說明界面、交互主界面、二級標(biāo)題界面、三級介紹界面，通過這四個界面的組合，可以完成對數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識的介紹以及動畫的演示。

（3）控制事件腳本設(shè)計。對交互界面設(shè)計內(nèi)的按鈕控件、組合框控件添加腳本，就可以完成交互功能的實現(xiàn)。

結(jié) 論

本論文研究的基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的圖像處理平臺，以虛擬現(xiàn)實為平臺、七巧板為處理對象，為圖像處理技術(shù)的知識點設(shè)計了一種新的講解方式，可以讓學(xué)生在實踐中加深對圖像處理技術(shù)的理解，為以后工作打下基礎(chǔ)，同時也有益于工業(yè)生產(chǎn)中零件裝配等產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。本論文依托圖像處理技術(shù)，在設(shè)計虛擬工作臺和VRP交互界面時都有條理的融入圖像處理的知識點，從理論和實踐兩個角度出發(fā)，對設(shè)計中遇到的問題進行分析研究。

參考文獻：

[1] 章毓晉. 中國圖像工程：2018[J].中國圖象圖形學(xué)報，2019（05）：665-676.

[2] 劉煒，夏兆旺，包國治，王軍.虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入機械類課程的技術(shù)與難點分析[J].計算機時代，2019（05）：80-83.

[3] C. Oikonomou， A. Lioret， M. Santorineos and S. Zoi， "Experimentation with the human body in virtual reality space： Body， bacteria， life-cycle，" 2017 9th International Conference on Virtual Worlds and Games for Serious Applications （VS-Games）， Athens， 2017， 185-186.

[4] 胡新艷，霍文曉，車曉巖，張愛英，曹紅波.基于MATLAB GUI的數(shù)字信號處理實驗仿真平臺設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（08）：58-59.

作者簡介：

狄軼娟（1981.2-），女，博士，講師，主要研究方向：圖像處理、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、電力系統(tǒng)優(yōu)化。

*基金項目：常州工學(xué)院校級虛擬仿真實驗教學(xué)項目（YB-18-014）;常州工學(xué)院校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（2018202Y）;江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項目（2016ZD85）