虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用下平面圖像交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉 悅

（江蘇汽車(chē)技師學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225003）

0 引言

我國(guó)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的過(guò)程中，圖像識(shí)別、設(shè)計(jì)技術(shù)不斷更新，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用能進(jìn)行可視化模擬，讓人們形成良好的感官體驗(yàn)，是工程設(shè)計(jì)方面和圖像仿真方面最主要的選擇。同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是目前較為先進(jìn)的實(shí)用性技術(shù)，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、模擬仿真技術(shù)和電子信息技術(shù)等為一體的三維環(huán)境技術(shù)，利用三維模型展現(xiàn)人體無(wú)法感知的平面圖像，通過(guò)平面圖像的交互處理，有效進(jìn)行圖像的識(shí)別。但是由于傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)平面圖像交互系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中存在圖像交互效果低、不能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題等，難以確保系統(tǒng)的良好應(yīng)用和發(fā)展，需以傳統(tǒng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，全面升級(jí)和優(yōu)化系統(tǒng)硬件，利用現(xiàn)代化儀器設(shè)備增強(qiáng)圖像識(shí)別過(guò)程中的分辨率，不斷完善系統(tǒng)軟件功能，解決目前計(jì)算數(shù)據(jù)值不準(zhǔn)確而引發(fā)的圖像識(shí)別問(wèn)題。

1 研究設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

以傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用和研究結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的平面圖像交互系統(tǒng)的硬件設(shè)備，完善硬件框架結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要將VR設(shè)備的應(yīng)用成果作為參考來(lái)設(shè)計(jì)新的設(shè)備。為提升系統(tǒng)硬件應(yīng)用過(guò)程中的可連接性能，應(yīng)使用電壓指標(biāo)相同的設(shè)定數(shù)值串聯(lián)，達(dá)到硬件的高效化設(shè)計(jì)目的。同時(shí)為有效進(jìn)行計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別方面的控制，應(yīng)合理設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)控制器的硬件部分，見(jiàn)圖2。

此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定在控制器硬件的內(nèi)部設(shè)計(jì)兩個(gè)像素較高、速度很快的攝像頭與5個(gè)紅外線(xiàn)發(fā)射器，能預(yù)防受到夜間光線(xiàn)不足因素或是光線(xiàn)過(guò)強(qiáng)因素帶來(lái)的影響。同時(shí)在系統(tǒng)進(jìn)行圖像識(shí)別和控制期間，設(shè)計(jì)中央處理器設(shè)備和圖像處理器設(shè)備，配置像素高、速度快的雙核處理器硬件，能夠提升整體系統(tǒng)運(yùn)行和圖像處理的效果，為后續(xù)圖像有效處理提供保障。另外，應(yīng)為控制器設(shè)備配置不同類(lèi)型的程序編程接口，一種類(lèi)型的接口用作圖像信息的獲取，另外一種類(lèi)型的接口用作本地信息的獲取，通過(guò)C語(yǔ)言的形式控制。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)，主要使用Kinect的形式配置和實(shí)現(xiàn)用戶(hù)界面交互的功能，將用戶(hù)界面當(dāng)作是人機(jī)交互的載體。其中Kinect硬件是很多傳感器設(shè)備組合而成，底部區(qū)域的位置和電動(dòng)馬達(dá)的位置互相連接，在硬件的正面配置彩色攝像機(jī)設(shè)備、紅外投影儀設(shè)備、深度攝像機(jī)設(shè)備、電動(dòng)馬達(dá)設(shè)備和馬克風(fēng)設(shè)備，利用USB.2.0的線(xiàn)路合理銜接處理，在硬件的一側(cè)位置配置供電口，為系統(tǒng)提供充足的電力能源。在此過(guò)程中系統(tǒng)能夠借助傳感器設(shè)備進(jìn)行用戶(hù)動(dòng)作信息的捕捉，利用控制器設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制的目的，采用設(shè)備坐標(biāo)系之內(nèi)的三維空間保存存儲(chǔ)用戶(hù)動(dòng)作的數(shù)據(jù)信息。而對(duì)于用戶(hù)應(yīng)用和操作的硬件設(shè)計(jì)，則需要配置HCT-VIVE基站，設(shè)定4個(gè)黑盒子，形成虛擬性的空間，整體空間規(guī)格為30英寸×30英寸，其中基站部分在運(yùn)行的過(guò)程中設(shè)置定時(shí)發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)，每秒鐘發(fā)射100脈沖，之后利用控制器硬件提取，使用一致性設(shè)計(jì)的方式，以此增強(qiáng)平面圖像交互系統(tǒng)運(yùn)行和運(yùn)用的廣泛性水平[1]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)整體系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)和運(yùn)行功能，完善系統(tǒng)的軟件部分、軟件架構(gòu)，確保系統(tǒng)軟件的良好應(yīng)用和操作。

1.2.1 平面圖像特征向量的設(shè)定

為增強(qiáng)此次所設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用的可行性，使用樸素貝葉斯分類(lèi)算法的技術(shù)措施明確平面向量特征向量。假設(shè)圖像空間坐標(biāo)系XYZ，QW，屬于圖像向量w和y軸夾角，其中y軸的向量指標(biāo)是Y，能夠表達(dá)成為，如果XYZ的平面向量設(shè)計(jì)成為i，在x軸中的向量設(shè)置成為X，在圖像空間坐標(biāo)系之內(nèi)圖像的向量投影成為j，那么j還有x軸之間所形成的夾角，可以通過(guò)公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

將所獲得的相關(guān)圖像向量角度數(shù)據(jù)值設(shè)置成為QW、Qxj，在此過(guò)程中，上一幀的角度數(shù)據(jù)值主要是Qxj1、Qw1，在運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)值計(jì)算之后，可以將相關(guān)平面圖像具體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息計(jì)算出來(lái)，按照公式（2）進(jìn)行分析和計(jì)算：

在公式之內(nèi)θrw主要就是，其實(shí)按照整體的平面圖像特點(diǎn)所構(gòu)建的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合，可結(jié)合公式（1）的內(nèi)容和公式（2）的內(nèi)容對(duì)每幀數(shù)據(jù)特征向量進(jìn)行計(jì)算分析。為增強(qiáng)平面交互系統(tǒng)運(yùn)行的效果，假設(shè)測(cè)試數(shù)據(jù)值是n，那么就要利用公式（3）進(jìn)行分析：

利用公式（1）和公式（2）計(jì)算的方式進(jìn)行特征向量數(shù)據(jù)值提取之后，將具有優(yōu)化性特點(diǎn)、訓(xùn)練良好的分類(lèi)模型錄入其中，之后進(jìn)行特征向量的分類(lèi)處理，通過(guò)指令轉(zhuǎn)化的方式完成操作，有效提取和明確平面圖像的具體特征向量[2]。

1.2.2 構(gòu)建平面圖像的物理模型

上述的平面圖像特征向量的計(jì)算和提取操作完成之后，建議設(shè)計(jì)和構(gòu)建平面圖像方面的物理模型，通過(guò)此類(lèi)模型使得平面圖像能夠快速、有效進(jìn)行動(dòng)態(tài)化模型的適應(yīng)，同時(shí)還能按照外界的環(huán)境特點(diǎn)、條件特點(diǎn)等，迅速做出一系列的反應(yīng)，使平面模型具備良好的自我調(diào)節(jié)功能。與此同時(shí)，還可以使用分型技術(shù)措施按照實(shí)際情況構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，將具有復(fù)雜性特點(diǎn)、不規(guī)則性特點(diǎn)的圖像等有機(jī)整合，形成相似特征的集合，同時(shí)利用已經(jīng)完成分類(lèi)處理的圖像，構(gòu)建成為相應(yīng)的物理模型，主要的流程見(jiàn)圖3，可利用此類(lèi)流程有效構(gòu)建相應(yīng)的物理模型、結(jié)束模型等，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所編寫(xiě)出來(lái)的程序腳本等進(jìn)行有機(jī)整合處理、集合處理。

1.2.3 合理編寫(xiě)程序的腳本

以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)部分，合理使用C#語(yǔ)言的形式進(jìn)行腳本的編寫(xiě)，合理進(jìn)行腳本編輯器的設(shè)定處理。為增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用效果和運(yùn)行水平，本次研究主要使用MonoBehaviour的形式實(shí)現(xiàn)腳本編寫(xiě)的目的，在這個(gè)編輯器的內(nèi)部設(shè)置很多函數(shù)接口，確保整體系統(tǒng)運(yùn)行的效率效果，同時(shí)使用Update（）函數(shù)的形式進(jìn)行程序編寫(xiě)和編輯處理。與此同時(shí)，在操作過(guò)程中設(shè)定New關(guān)鍵字的部分，減少計(jì)算機(jī)方面的資源占有數(shù)量，并且合理設(shè)置軟件的觸發(fā)功能，使軟件中的功能代碼能夠結(jié)合實(shí)際情況完成自我調(diào)控和調(diào)節(jié)，便于按照操作流程和系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)等及時(shí)進(jìn)行函數(shù)的處理，增強(qiáng)代碼執(zhí)行的性能[3]。

而將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)當(dāng)作基礎(chǔ)部分的平面交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間，最為關(guān)鍵性的代碼編寫(xiě)主要涉及以下幾點(diǎn)：

pubic-class平面圖像EventMANAG ER：MonoBehavi our{

pubic-delegate-void交互形式（bool-is-END）

public-static-event

///方法初始化

woid-Start（）{

//控制不為制

ifon平面交互END!=NU!

{on-Came-End（true）;

}

}

//調(diào)/調(diào)用更新

void-Update{}

}

}

按照此類(lèi)代碼的設(shè)定，可以確保整體系統(tǒng)的軟件具有平面圖像交互性處理的功能，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)將代碼傳輸?shù)終inect傳感器之內(nèi)，通過(guò)現(xiàn)代化的傳感器設(shè)備對(duì)整體系統(tǒng)的硬件進(jìn)行全面控制，確保能夠達(dá)到平面交互處理的目的。與此同時(shí)，此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要根據(jù)硬件部分的情況對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，全面實(shí)現(xiàn)了以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)部分的平面圖像交互系統(tǒng)運(yùn)行的目的。

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

為確保此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具備一定的科學(xué)性和合理性，在完成軟件和硬件設(shè)計(jì)之后進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試分析，對(duì)比傳統(tǒng)系統(tǒng)和此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中的圖像識(shí)別度，準(zhǔn)確分析和驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用效果。

2.1.1 測(cè)試前準(zhǔn)備

由于此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而提出，因此在測(cè)試的過(guò)程中應(yīng)設(shè)定適合采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的測(cè)試環(huán)境，見(jiàn)表1，應(yīng)確保測(cè)試環(huán)境數(shù)據(jù)信息的有效設(shè)定。

表1 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境的數(shù)據(jù)值

在明確測(cè)試環(huán)境的各類(lèi)數(shù)據(jù)值之后，構(gòu)建相應(yīng)的測(cè)試環(huán)境，進(jìn)行圖像的識(shí)別，開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析活動(dòng)，假設(shè)圖4為系統(tǒng)測(cè)試的樣本，對(duì)原始圖像識(shí)別分析，對(duì)比不同系統(tǒng)在圖像識(shí)別方面的結(jié)果。需要注意的是，在實(shí)際測(cè)試期間應(yīng)該不將外界干擾因素或者是像素因素作為分析指標(biāo)，只研究和對(duì)比圖像識(shí)別的完整度。

2.1.2 測(cè)試后結(jié)果

經(jīng)過(guò)此次的測(cè)試分析，圖5是本次所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的圖像識(shí)別測(cè)試結(jié)果，圖6是傳統(tǒng)系統(tǒng)圖像識(shí)別測(cè)試的結(jié)果。

2.2 系統(tǒng)分析

按照具體測(cè)試分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，原本系統(tǒng)在進(jìn)行圖像識(shí)別的過(guò)程中，存在模糊度過(guò)高，而此次所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在圖像識(shí)別過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生模糊問(wèn)題。與此同時(shí)，此次所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中能夠有效完成平面圖像的交互性處理，重新進(jìn)行圖像建立，增強(qiáng)系統(tǒng)交互水平和性能。且原本系統(tǒng)在應(yīng)用期間所識(shí)別圖像的模糊度過(guò)高，難以進(jìn)行圖像重建處理，會(huì)對(duì)平面交互性能和效果造成非常不利的影響，因此可以確定此次所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在應(yīng)用期間，平面圖像交互性能比較良好，系統(tǒng)的應(yīng)用具有一定的優(yōu)越性，值得進(jìn)行推廣和普及。除此之外，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中能夠有效進(jìn)行混合虛擬現(xiàn)實(shí)平面圖像的生成，按照具體的操作步驟，即可準(zhǔn)確提取虛擬和現(xiàn)實(shí)平面圖像的各類(lèi)特征要素，進(jìn)行相關(guān)平面圖像的生成，基于整合虛擬和現(xiàn)實(shí)類(lèi)型的平面圖像元素，結(jié)合平面圖像生成效果和交互性能。為提升整體系統(tǒng)的應(yīng)用效果，建議對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

本次以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的平面圖像交互系統(tǒng)具備一定的推廣應(yīng)用價(jià)值，不僅能夠增強(qiáng)平面圖像交互性能和效果，還能豐富交互的方式，是代替?zhèn)鹘y(tǒng)平面圖像交互的首選。因此在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)際情況，合理進(jìn)行系統(tǒng)的推廣和運(yùn)用，增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)用的效果和發(fā)展水平。

2.2.1 動(dòng)作捕捉

以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)的平面圖像交互系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中可以進(jìn)行動(dòng)作捕捉的應(yīng)用，通過(guò)系統(tǒng)全面捕捉平面圖像的動(dòng)作，捕捉特定場(chǎng)景中的平面圖像，系統(tǒng)自動(dòng)化進(jìn)行圖像的校準(zhǔn)和分析，可確保圖像捕捉的精確性、可靠性和合理性，有效預(yù)防出現(xiàn)平面圖像捕捉的問(wèn)題，增強(qiáng)圖像的識(shí)別度和識(shí)別效果[4]。

2.2.2 觸覺(jué)反饋

觸覺(jué)反饋主要是按照按鈕動(dòng)作和震動(dòng)動(dòng)作等做出相應(yīng)的反饋，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)手柄的操作，進(jìn)行觸覺(jué)的反饋，這樣不僅能夠進(jìn)行高度特化和簡(jiǎn)化的平面圖像交互，還能提升系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性，使得系統(tǒng)可以靈活應(yīng)用在不同場(chǎng)景內(nèi)。

2.2.3 生成混合虛擬現(xiàn)實(shí)畫(huà)面

系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)類(lèi)型和虛擬類(lèi)型平面圖像的混合，獲得相應(yīng)的混合現(xiàn)實(shí)平面圖像，達(dá)到良好的圖像交互處理目的。

（1）整體系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)置虛擬平面圖像的顯示設(shè)備，配置多個(gè)相互連接的單屏虛擬場(chǎng)景顯示功能模塊，各個(gè)功能模塊對(duì)應(yīng)生成多個(gè)子虛擬平面圖像，多個(gè)子虛擬平面圖像生成一個(gè)虛擬平面圖像，相鄰單屏虛擬場(chǎng)景現(xiàn)實(shí)單元相互之間的夾角控制在合理范圍內(nèi)。

（2）混合虛擬現(xiàn)實(shí)平面圖像交互功能的應(yīng)用，可以通過(guò)不同的引導(dǎo)介質(zhì)進(jìn)行處理，其中部分引導(dǎo)介質(zhì)屬于虛擬平面圖像的部分特征，另外一部分的引導(dǎo)介質(zhì)是現(xiàn)實(shí)平面圖像的部分特征，兩種引導(dǎo)介質(zhì)相互結(jié)合之后形成虛擬平面圖像的交互處理作用。在具體的平面圖像交互處理過(guò)程中，不同引導(dǎo)介質(zhì)相互配合之后，進(jìn)行多個(gè)子虛擬平面圖像和現(xiàn)實(shí)虛擬平面圖像的融合，之后混合成為相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)平面圖像[5]。

（3）系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行和操作的過(guò)程中先進(jìn)行草圖的規(guī)劃，利用虛擬平面圖像顯示的設(shè)備，進(jìn)行虛擬平面圖像和場(chǎng)景的設(shè)置，多次連接單屏虛擬場(chǎng)景顯示的功能模塊，分別對(duì)應(yīng)子虛擬平面圖像，之后多個(gè)子虛擬平面圖像整合成為虛擬性的平面圖像，包括所有虛擬平面圖像的特征。然后在操作的過(guò)程中構(gòu)建現(xiàn)實(shí)平面圖像的場(chǎng)景，涉及所有現(xiàn)實(shí)平面圖像特征。之后進(jìn)行引導(dǎo)介質(zhì)的制作，選擇虛擬性的平面圖像內(nèi)部分特征當(dāng)作是部分引導(dǎo)介質(zhì)，然后選擇現(xiàn)實(shí)平面圖像特征當(dāng)作另外一部分引導(dǎo)介質(zhì)，虛擬類(lèi)型和現(xiàn)實(shí)類(lèi)型的引導(dǎo)介質(zhì)相互混合，引出虛擬性和現(xiàn)實(shí)性的平面圖像，混合成為虛擬現(xiàn)實(shí)的平面畫(huà)面圖像。在此過(guò)程中，前一部分引導(dǎo)介質(zhì)是在虛擬性的場(chǎng)景之內(nèi)，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行自動(dòng)化生成，而現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景則是以人工搭建的措施完成。在混合虛擬現(xiàn)實(shí)平面圖像生成的過(guò)程中，設(shè)定3個(gè)數(shù)量的虛擬場(chǎng)景顯示功能模塊，分別為第1個(gè)單屏幕、第2個(gè)單屏幕、第3個(gè)單屏幕的虛擬場(chǎng)景顯示功能模塊。其中第1個(gè)單屏幕虛擬現(xiàn)實(shí)顯示功能模塊，可以自動(dòng)化生成第1個(gè)子虛擬平面圖像，而第2個(gè)功能模塊可以進(jìn)行第2個(gè)子虛擬平面圖像的顯示，第3個(gè)功能模塊可以生成第3個(gè)子虛擬平面圖像，相鄰兩個(gè)功能模塊設(shè)置成為鈍角。且在系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，結(jié)合混合虛擬現(xiàn)實(shí)，平面圖像的生成措施，通過(guò)前一部分引導(dǎo)介質(zhì)，分別提取不同子虛擬功能模塊的平面圖像特征，并且利用后一部分的引導(dǎo)介質(zhì)構(gòu)建現(xiàn)實(shí)平面圖像的特征，增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)平面圖像的生成效果和精確性[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是我國(guó)較為先進(jìn)的高科技產(chǎn)業(yè)，目前已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)，不同行業(yè)在使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的過(guò)程中，都能感受到技術(shù)擁有一定的平面交互優(yōu)越性特點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用下的平面圖像交互系統(tǒng)，能夠增強(qiáng)平面圖像的識(shí)別精確度和準(zhǔn)確性，有效預(yù)防出現(xiàn)圖像識(shí)別過(guò)程中的模糊問(wèn)題，同時(shí)，還能自動(dòng)進(jìn)行虛擬類(lèi)型與現(xiàn)實(shí)類(lèi)型圖像特征元素的提取，自動(dòng)進(jìn)行混合虛擬現(xiàn)實(shí)平面圖像的生成。