基于虛擬交互模型的圖書(shū)館借閱系統(tǒng)平臺(tái)研究

秦楠

(西安外事學(xué)院 圖書(shū)館, 陜西 西安 710077)

0 引言

虛擬交互技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)理論和信息技術(shù)發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，能夠讓使用者具有沉浸式的體驗(yàn)感[1-5]。虛擬交互技術(shù)能夠?qū)?shù)字信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐曈X(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多維度的信息表現(xiàn)形式，使用者通過(guò)該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)交互式的控制行為。用戶在利用虛擬交互技術(shù)進(jìn)行工作時(shí)，能夠全方位地感受多維度的信息，通過(guò)沉浸式互動(dòng)行為獲取知識(shí)，具有極大的主觀能動(dòng)性。

在圖書(shū)館管理和圖書(shū)借閱中，虛擬交互技術(shù)具有十分廣泛的應(yīng)用前景。虛擬交互技術(shù)是以人為中心，不僅能夠?qū)D書(shū)館的信息進(jìn)行分類組織，讓使用者一目了然地、快速地獲取自身所需要的信息；而且，還能基于使用者一種身臨其境的體驗(yàn)感，激發(fā)使用者的閱讀和學(xué)習(xí)欲望，對(duì)使用者的閱讀具有引導(dǎo)性。利用該技術(shù)能夠有效解決傳統(tǒng)圖書(shū)館管理過(guò)程中記錄繁多，效率低下等問(wèn)題[6-8]。本文設(shè)計(jì)了一種用于圖書(shū)館借閱系統(tǒng)的虛擬交互系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)結(jié)構(gòu)、原理、建模、算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 結(jié)構(gòu)和原理

基于虛擬交互模型的圖書(shū)館借閱系統(tǒng)平臺(tái)的整體架構(gòu)包括了控制單元、顯示單元、運(yùn)動(dòng)單元、客戶終端、運(yùn)動(dòng)控制器單元和伺服驅(qū)動(dòng)器單元。其中，控制單元為鼠標(biāo)，通過(guò)USB與PC客戶終端相連接，操作者利用鼠標(biāo)控制虛擬人物在場(chǎng)景中視野、視角和運(yùn)動(dòng)交互；顯示單元為通用的PC顯示器，以HTML二維網(wǎng)頁(yè)視圖形式顯示；PC客戶終端對(duì)鼠標(biāo)的輸入信號(hào)進(jìn)行處理，一方面將信號(hào)傳輸至顯示器，經(jīng)解碼后以視圖形式顯示出來(lái)；一方面向運(yùn)動(dòng)控制器輸出動(dòng)作信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器將動(dòng)作信號(hào)解碼并傳輸給伺服驅(qū)動(dòng)器，從而完成虛擬人物在相應(yīng)場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)。

虛擬場(chǎng)景和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間的映射關(guān)系是基于Stewart平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解模型建立起來(lái)的。如圖1所示。

圖1 Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)

Stewart平臺(tái)具有上下兩個(gè)平臺(tái)。其中，上平臺(tái)的坐標(biāo)原點(diǎn)為P；相應(yīng)的動(dòng)坐標(biāo)系為P-xyz；P-x和P-y處于平臺(tái)平面，P-z軸垂直于平臺(tái)平面。下平臺(tái)的坐標(biāo)原點(diǎn)為O；相應(yīng)的動(dòng)坐標(biāo)系為O-xyz；O-x和O-y處于平臺(tái)平面，O-z垂直于平臺(tái)平面。

假設(shè)上平臺(tái)的廣義坐標(biāo)為a= [x,y,z,α,β,γ]，其中x、y、z為動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)P在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，α、β、γ為動(dòng)坐標(biāo)系相對(duì)靜坐標(biāo)系的歐拉角，那么旋轉(zhuǎn)矩陣則為式(1)。

(1)

若上平臺(tái)中各頂點(diǎn)Ai的坐標(biāo)為[xiP,yiP,ziP]，下平臺(tái)中各頂點(diǎn)Bi的坐標(biāo)為[xiO,yiO,ziO]，且i為1—6之間的整數(shù)，那么第i軸的驅(qū)動(dòng)向量齊次坐標(biāo)則為式(2)。

(2)

由此可得，第i軸驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)度為式(3)。

(3)

另外，虛擬人物在場(chǎng)景中發(fā)生運(yùn)動(dòng)后，需要進(jìn)行復(fù)位，該系統(tǒng)采用洗出算法完成復(fù)位，洗出算法流程如圖2所示。

圖2 洗出算法流程框圖

該系統(tǒng)將鼠標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄闯鲂盘?hào)，將重力加速度g與線加速度a合成量比力f。然后將加速度中的高頻和低頻進(jìn)行分離，高頻部分經(jīng)二次積分后得到位置信息；低頻部分進(jìn)行傾斜協(xié)調(diào)，得到角速度限幅；再與角速度的高頻部分二次積分結(jié)果進(jìn)行加和，得到相應(yīng)的姿態(tài)信息。該平臺(tái)通過(guò)在橫向和縱向兩個(gè)方向使用重力加速度的分向量，從而模擬了縱向加速度和橫向加速度，完成了虛擬角色的俯仰運(yùn)動(dòng)和橫滾運(yùn)動(dòng)。

2 可視化建模

本文以圖書(shū)室的虛擬場(chǎng)景建模為例進(jìn)行可視化建模的介紹。借閱室中的主要物品為書(shū)架、桌、椅。可視化模型建立是基于VRML語(yǔ)言建立的。其中，桌椅的可視化模型建立是通過(guò)碰撞測(cè)驗(yàn)進(jìn)行搭建的；碰撞測(cè)驗(yàn)主要是通過(guò)包圍盒法實(shí)現(xiàn)的，包圍盒采用自上而下的構(gòu)造方式，創(chuàng)造包圍盒根節(jié)點(diǎn)，然后對(duì)模型進(jìn)行分割，分割為多個(gè)模塊，在采用遞歸調(diào)用的方法建立包圍盒樹(shù)。包圍盒算法的基本流程如圖3所示。

圖3 包圍盒算法的基本流程

首先獲取物體的幾何信息，然后將其轉(zhuǎn)換為包圍盒，依次執(zhí)行Sweep and Prune算法以及層次包圍盒相交算法；進(jìn)行包圍盒精確碰撞，確定碰撞與否。若進(jìn)行碰撞，則進(jìn)行碰撞物體運(yùn)動(dòng)控制；若不進(jìn)行碰撞，則對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行建模，并創(chuàng)建場(chǎng)景，再進(jìn)行碰撞物體運(yùn)動(dòng)控制。

書(shū)架是采用紋理貼圖技術(shù)進(jìn)行虛擬場(chǎng)景搭建的?？梢暬Ｐ蜆?gòu)建的主要過(guò)程包括：采集文理圖像進(jìn)行渲染、利用二維坐標(biāo)進(jìn)行紋理切割、基于VRML語(yǔ)言得到紋理映射圖像、最終于物體表面進(jìn)行紋理合成。其中利用Transform節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，Translation節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，Rotation節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，Box節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)尺寸定義，相應(yīng)VRML語(yǔ)言源代碼如下。

DEF shelf1 Transform{

Transition 0 2 1.4

Rotation 2 0 0 -0.5

Box 3.3 1.4 0.1}

DEF shelf2 Transform{

Transition 0 2 1.4

Rotation 2 0 0 -0.5

Box 3.3 1.4 0.1}

……

DEF shelfn Transform{

Transition 0 2 1.4

Rotation 2 0 0 -0.5

Box 3.3 1.4 0.1}

3 虛擬交互技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

該圖書(shū)館借閱系統(tǒng)平臺(tái)的虛擬交互技術(shù)主要包括節(jié)約交互、管理交互和視覺(jué)交互三個(gè)部分。

其中，借閱交互功能主要體現(xiàn)在圖書(shū)的檢索功能方面。該借閱系統(tǒng)的檢索入口顯示形式為網(wǎng)頁(yè)形式，是基于VRML語(yǔ)言建立的。通過(guò)將Script節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入到HTML文本中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的處理。該系統(tǒng)所采用的搜索方法為人工智能算法，相似度計(jì)算如式(4)。

(4)

其中，Q1和Q2分別代表不同的句子；Ti和Tj代表的向量；wi和wj代表句子中關(guān)鍵詞的權(quán)值。利用上述算法計(jì)算相似度的過(guò)程是首先將句子Q1和Q2中的關(guān)鍵詞進(jìn)行加權(quán)，權(quán)值分別為wi和wj，然后將權(quán)值引入到向量Ti和Tj空間。

管理交互功能主要涉及該系統(tǒng)平臺(tái)的運(yùn)行和維護(hù)。該功能也是通過(guò)VRML語(yǔ)言建立起來(lái)的。通過(guò)對(duì)Script節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改，然后調(diào)用相應(yīng)的Java程序。在管理交互功能中涉及到了圖書(shū)書(shū)名的重疊或是詞語(yǔ)具有歧義等情況，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)管理進(jìn)行改進(jìn)。該系統(tǒng)算法中引入了詞性影響系數(shù)z的概念，當(dāng)z值為1時(shí)，說(shuō)明兩個(gè)詞語(yǔ)的詞性和詞義都相同；當(dāng)z值為0.5時(shí)，說(shuō)明兩個(gè)詞語(yǔ)詞義相同，但詞性不同。該系統(tǒng)詞語(yǔ)相似度計(jì)算方法如式(5)。

(5)

其中，Q1和Q2分別代表不同的詞語(yǔ);zi和zj分別代表該算法中的詞性影響系數(shù);wi和wj代表的是詞語(yǔ)中的權(quán)值。

該平臺(tái)視覺(jué)交互是通過(guò)插補(bǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中人物坐標(biāo)是通過(guò)PositionInterpolator來(lái)定義的；視覺(jué)角度是利用ViewPoint來(lái)定義；視覺(jué)點(diǎn)是通過(guò)OrientationInterpolator定義的，且數(shù)目與插補(bǔ)器數(shù)目相同；人與虛擬場(chǎng)景的交互是通過(guò)傳感器ProximinitySensor實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互是通過(guò)時(shí)間傳感器TimeSensor實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行交互時(shí)，首先TimeSensor通過(guò)fraction_changed算法向PositionInterpolator和OrientationInterpolator節(jié)點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)；然后在PositionInterpolator和OrientationInterpolator節(jié)點(diǎn)通過(guò)value_changed算法傳送給ViewPoint節(jié)點(diǎn)，在ViewPoint節(jié)點(diǎn)中通過(guò)set_position和set_orientation來(lái)輸入事件，實(shí)現(xiàn)交互。

4 總結(jié)

本文建立了一種基于虛擬交互模型的圖書(shū)館借閱系統(tǒng)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了介紹。虛擬場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)通過(guò)洗出算法實(shí)現(xiàn)，虛擬場(chǎng)景建模采用包圍盒算法和紋理貼圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該借閱平臺(tái)的借閱和管理交互均是基于VRML語(yǔ)言建立的，通過(guò)導(dǎo)入Script節(jié)點(diǎn)或修改Script節(jié)點(diǎn)調(diào)用Java程序，從而實(shí)現(xiàn)虛擬交互功能。