交互場景下的動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用

趙雅慧 楊夢婷

摘? 要： 針對原有系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長，導(dǎo)致無法滿足用戶需求的問題，開發(fā)基于交互場景下的動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在原有硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化中控電路模塊，采用Cortex?M4型號內(nèi)核芯片，配合外設(shè)接口資源。采用SURF特征描述方法，在交互場景中利用靜止物體特征點(diǎn)，匹配動態(tài)環(huán)境特征，完成姿態(tài)位置估計(jì)。還原成像關(guān)系示意圖，計(jì)算特征向量，區(qū)分動靜態(tài)特征，利用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)。設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)，利用Framer Studio軟件模擬系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，測試系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所開發(fā)的系統(tǒng)運(yùn)行響應(yīng)時(shí)長與原有系統(tǒng)相比明顯縮短，能夠充分滿足用戶需求。

關(guān)鍵詞： 動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì); 交互場景; 中控電路; 特征描述; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 響應(yīng)時(shí)長

中圖分類號： TN99?34; TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）13?0123?03

Development and application of dynamic environment design system

based on interactive scenes

ZHAO Yahui1， YANG Mengting2

（1. Hubei University of Technology， Wuhan 430000， China; 2. Hubei Vocational College of Bio?Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： Since the original system has a long response time and cannot meet the needs of users， a dynamic environment design system based on interactive scenes is developed. On the basis of the original hardware structure， the central control circuit module is optimized. Kernel chip Cortex?M4 is adopted to match with the peripheral interface resources. SURF feature description method is adopted. In the interactive scene， feature points of a stationary object are used to match the features of the dynamic environment to complete the pose position estimation. After the schematic diagram of the imaging relationship is restored， the feature vectors are calculated to distinguish the dynamic and static features. On the basis of the above， the dynamic environment design system is developed with the computer program. Contrastive experiments were designed and Framer Studio software was used to simulate the running state of the system and test the performance of the system. The experimental results showed that the running response time of the developed system is significantly shorter than that of the original system and can fully meet the needs of the users.

Keywords： dynamic environment design; interactive scene; central control circuit; feature description; system design; response time

0? 引? 言

場景交互技術(shù)屬于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)分支，受到人們的廣泛關(guān)注，其涉及多個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域，包含了多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)感知以及圖像學(xué)技術(shù)等，是當(dāng)前十分熱門的尖端技術(shù)。場景通常是指用戶在某個(gè)特定的時(shí)間以及地點(diǎn)，為了滿足某種需求而發(fā)送特定指令所實(shí)施的行動畫面[1?3]。其中，用戶作為場景的主體，其屬性直接決定了用戶需求，而對其屬性的了解，能夠幫助理解用戶在某特定場景下所完成的行動。但需要注意的是，用戶需求的背后通常還存在著更深層次的真實(shí)需求，而用戶所提出的只是其深層次需求的解決方案當(dāng)中所缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)[4]。交互場景通常描述的是產(chǎn)品被用戶使用過程中的場景，以及對于操作流程或所使用工具的描述。在交互場景下完成動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)，能夠更好地從用戶需求定位產(chǎn)品，分析目標(biāo)人群，結(jié)合交互原理，開發(fā)出更加貼合用戶需求的系統(tǒng)[5?7]。

1? 動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)中控電路優(yōu)化

動態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的硬件功能部分分為中控板以及外設(shè)兩個(gè)部分，為保證動態(tài)環(huán)境系統(tǒng)軟件部分的正常運(yùn)行，需要對原有硬件當(dāng)中的中控電路板電路適當(dāng)優(yōu)化。其具體框架如圖1所示。

圖1中，采用Cortex?M4型號內(nèi)核芯片，該芯片是一種高效率單片同步降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠輸出高達(dá)2 A的電流，使用23 V的輸入電壓，達(dá)到了寬負(fù)載和輸出瞬態(tài)響應(yīng)之間的優(yōu)化，實(shí)時(shí)保護(hù)周期性電流限制[8?9]。在其中加入飽和運(yùn)算指令、單指令數(shù)據(jù)操作等，對上電、掉電復(fù)位及時(shí)處理，以此適應(yīng)其外設(shè)接口資源，為后續(xù)的應(yīng)用擴(kuò)展提供支持。

2? 交互場景下的動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1? 功能模塊總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分開發(fā)主要是為了實(shí)現(xiàn)場景的交互，并滿足用戶對于動態(tài)環(huán)境的設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)所包含的軟件功能模塊如圖2所示。

如圖2所示，系統(tǒng)在初始化的過程當(dāng)中，其登錄界面是唯一一個(gè)對外窗口，以此保證系統(tǒng)的安全性，在用戶成功登錄后，系統(tǒng)將會自動完成初始化設(shè)置，其中包括狀態(tài)參數(shù)的配置、面板窗口的設(shè)置調(diào)節(jié)，以及數(shù)據(jù)庫的打開等。在初始化階段打開數(shù)據(jù)庫，能夠有效提高CPU的利用率，避免由于數(shù)據(jù)庫的反復(fù)打開而嚴(yán)重浪費(fèi)內(nèi)存，并造成溢出的情況發(fā)生[10?11]。為系統(tǒng)程序的后續(xù)運(yùn)行提供保障，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)。

2.2? 基于交互場景下的環(huán)境特征匹配

對于動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)而言，其核心主要在于特征的提取以及匹配，采用SURF特征描述方法，以交互場景當(dāng)中的特征點(diǎn)為基準(zhǔn)，選取其20倍的尺度距離作為鄰域邊長，在保證特征點(diǎn)旋轉(zhuǎn)不變性的前提下，按照其主方向旋轉(zhuǎn)[12]，將該環(huán)境范圍劃分成面積相等的16個(gè)子鄰域，具體如圖3所示。

如圖3的子鄰域當(dāng)中，分別使用[m]方向以及[n]方向的Haar小波特征算子，得到動態(tài)環(huán)境中的Haar小波特征，并在所得到的結(jié)果當(dāng)中計(jì)算的數(shù)值，作為該子鄰域的區(qū)域特征。則每個(gè)特征點(diǎn)的特征描述便是其16個(gè)子鄰域所組成的64維特征向量。由于特征點(diǎn)的提取過程當(dāng)中并不存在方向性以及尺度，為此將提取過程當(dāng)中，鄰域圓周上響應(yīng)值最大的像素點(diǎn)所對應(yīng)的特征點(diǎn)與中心點(diǎn)的方向作為主方向，將尺度設(shè)置為1，完成特征描述的匹配。

2.3? 動態(tài)特征區(qū)分

在環(huán)境特征的匹配完成后，利用匹配好的特征點(diǎn)計(jì)算動態(tài)位置以及姿態(tài)變化。但在動態(tài)環(huán)境當(dāng)中，有可能會存在處于運(yùn)動狀態(tài)的物體，其動態(tài)特征點(diǎn)將會嚴(yán)重影響到視覺角度的估計(jì)。一旦有運(yùn)動物體從視覺范圍中經(jīng)過，則會直接導(dǎo)致視覺里程計(jì)有誤差產(chǎn)生[13?14]。為此需要依靠動態(tài)環(huán)境中靜止物體上的特征點(diǎn)完成姿態(tài)位置估計(jì)。分割所提取的特征點(diǎn)，保留靜態(tài)特征點(diǎn)，將運(yùn)動物體上的動態(tài)特征剔除，其具體成像關(guān)系如圖4所示。

式中：[q1]為[K1]中的一個(gè)特征點(diǎn);[q2]為[q1]在[K2]中所對應(yīng)的特征點(diǎn)。

式中：像素點(diǎn)[x1]與[x2]表示歸一化平面上的坐標(biāo);[t^]表示[t]的反對稱矩陣;[t^x2]表示同時(shí)垂直于[t]以及[x2]的垂直向量。

由上述計(jì)算能夠得知，在靜態(tài)環(huán)境當(dāng)中，存在于圖像中的全部特征點(diǎn)都能夠滿足對極約束。利用這一特性，能夠在動態(tài)環(huán)境中將靜態(tài)特征與動態(tài)特征相區(qū)分，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用。

2.4? 動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在交互場景下完成環(huán)境特征的匹配，并將靜態(tài)特征與動態(tài)特征準(zhǔn)確區(qū)分后，利用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)，其部分關(guān)鍵代碼如下：

{

fi_sum=sum（fi）;

fi_Size=（Oderfi/fi_sum）*Size;

}

通過上述關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)動態(tài)環(huán)境信息的匹配，將場景交互與用戶需求結(jié)合在一起，通過用戶與場景之間信息數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換[15]，完成交互場景下的動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)。

3? 系統(tǒng)功能測試

為了檢驗(yàn)所開發(fā)的交互場景下的動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成果，確保該系統(tǒng)的功能可以滿足預(yù)期中的設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)仿真對照實(shí)驗(yàn)，檢測系統(tǒng)功能模塊，將檢測結(jié)果與原有的系統(tǒng)測試結(jié)果對照分析，完成系統(tǒng)功能測試。

3.1? 測試準(zhǔn)備過程

由于過程中需要模擬交互性場景下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為此利用Framer Studio移動交互原型設(shè)計(jì)工具，以保證實(shí)驗(yàn)的順利完成。但Framer Studio目前僅支持Mac平臺操作，為此實(shí)驗(yàn)選用MUHR2CH/A型號計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺，其硬盤容量為256 GB SSD，四核處理器CPU速度為1.40 GHz，能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求，支持Framer Studio的正常運(yùn)行，其具體模擬過程如圖5所示。

根據(jù)上述準(zhǔn)備過程，模擬交互場景下的動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行過程，通過計(jì)算機(jī)程序的自動分析，得到模擬結(jié)果，并將其與原有系統(tǒng)的運(yùn)行分析結(jié)果相對照。

3.2? 測試結(jié)果分析

通過Framer Studio軟件模擬所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行過程，檢測其運(yùn)行狀態(tài)，得到其在1 s內(nèi)訪問量從0～1 625之間的響應(yīng)時(shí)長，并與原有系統(tǒng)相對照，所得結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：與原有系統(tǒng)在相同條件下的響應(yīng)時(shí)長相對比，能夠明顯看出，當(dāng)用戶訪問量較低時(shí)，兩者之間的響應(yīng)時(shí)長差距并不明顯。但隨著訪問量的逐漸增多，原有系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)長曲線幅度明顯增大，表示其系統(tǒng)性能無法滿足用戶需求，而所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與原有系統(tǒng)相比較，其曲線變化幅度較小，平均響應(yīng)時(shí)長明顯優(yōu)于原有系統(tǒng)，由此可見，所開發(fā)的交互場景下的動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能更佳。

4? 結(jié)? 語

本文將交互場景與動態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)相結(jié)合，使用戶的使用感受得到滿足，采用SURF特征描述方法，將動態(tài)環(huán)境劃分為相等的多個(gè)子區(qū)域，尋找其動態(tài)特征，為用戶帶來更好的交互體驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所開發(fā)的系統(tǒng)運(yùn)行響應(yīng)時(shí)長較原有系統(tǒng)有著明顯縮短，能夠?yàn)橛脩魩砀玫氖褂皿w驗(yàn)。

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