三維高精度場景搭建技術(shù)在虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計研發(fā)中的應(yīng)用

姚又龍

摘要：由于傳統(tǒng)場景搭建技術(shù)對真實場景的還原度較低，文章針對三維高精度場景搭建技術(shù)在虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計研發(fā)中的應(yīng)用展開分析。本研究采集真實場景矢量數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，通過建模與渲染技術(shù)搭建三維高精度場景，基于語音識別技術(shù)實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實交互方式。通過本文所提技術(shù)搭建的虛擬手術(shù)室場景模擬手術(shù)過程，該場景下手術(shù)器械的移動軌跡一直處于平滑穩(wěn)定狀態(tài)，對語音文件的音素識別錯誤率為1.29%、詞匯識別錯誤率為1.02%，驗證三維高精度場景搭建技術(shù)在虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計研發(fā)中具有較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：三維高精度場景；場景搭建技術(shù)；虛擬現(xiàn)實；交互設(shè)計；應(yīng)用分析

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著社會信息化程度的加深，虛擬現(xiàn)實技術(shù)獲得前所未有的進(jìn)步與發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為用戶提供真實且靈活的視覺效果，可將空間效果以虛擬可視化場景呈現(xiàn)。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合，原始二維的視覺宣傳形式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S可視性的形式，虛擬的三維場景與用戶之間具有更高的互動性，從而提升行業(yè)之間的市場競爭力。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵在于如何協(xié)調(diào)虛擬環(huán)境與用戶之間的交互難題，確保真實場景的三維動態(tài)可視化呈現(xiàn)更好效果^［1］。國內(nèi)有多位專家針對虛擬場景中的交互方式進(jìn)行研究，但在進(jìn)行場景搭建的過程中對場景的還原度較低，虛擬環(huán)境與用戶之間的交互效果，難以滿足用戶在虛擬場景中對沉浸式人機(jī)交互行為的需求。因此，本文針對三維高精度場景搭建技術(shù)在虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計中的應(yīng)用展開研究。

1 采集真實場景矢量數(shù)據(jù)

本文通過參考地圖來實時采集并更新真實場景的矢量數(shù)據(jù)，該方法更智能化，能夠自動獲取真實場景矢量數(shù)據(jù)^［2］。數(shù)據(jù)源主要包含真實場景的地理、遙感影像以及拓?fù)溥@三類矢量數(shù)據(jù)。其中，地理矢量數(shù)據(jù)是真實場景矢量數(shù)據(jù)的核心，遙感影像矢量數(shù)據(jù)和拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)則便于在搭建三維場景^［3］過程中快速找到目標(biāo)區(qū)域。真實場景矢量數(shù)據(jù)源的采集過程如下式所示。

式中，S表示真實場景矢量數(shù)據(jù)源；S₁表示真實場景地理矢量數(shù)據(jù)；α₁表示包含真實場景地理特征的矢量數(shù)據(jù)；z（x₁，y₁）表示地理矢量數(shù)據(jù)節(jié)點坐標(biāo)；S₂表示真實場景的遙感影像矢量數(shù)據(jù)；α₂表示包含真實場景遙感影像特征的矢量數(shù)據(jù)；z（x₂，y₂）表示遙感影像矢量數(shù)據(jù)節(jié)點坐標(biāo)；S₃表示真實場景的拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)；α₃表示包含真實場景拓?fù)涮卣鞯氖噶繑?shù)據(jù)；z（x₃，y₃）表示拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)節(jié)點坐標(biāo)；α₀表示無用數(shù)據(jù)。將采集的真實場景矢量數(shù)據(jù)源存儲至地圖服務(wù)數(shù)據(jù)庫中，參考各類矢量數(shù)據(jù)的特點，為其配置相應(yīng)功能，作為三維高精度場景^［4］搭建的數(shù)據(jù)支撐。

2 預(yù)處理矢量數(shù)據(jù)

由于遙感影像矢量數(shù)據(jù)與地理矢量數(shù)據(jù)之間可能存在一定偏移誤差，為保障三維場景搭建的精度^［5］，本文通過對遙感影像矢量數(shù)據(jù)與地理矢量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)來剔除二者之間偏移誤差。根據(jù)同名控制點對真實場景的地理矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行切分，利用局部地理矢量數(shù)據(jù)與遙感影像矢量數(shù)據(jù)之間的映射函數(shù)，來實現(xiàn)二者的配準(zhǔn)。通過DBSCAN算法聚類獲得地理與遙感影像矢量數(shù)據(jù)同名點的偏移誤差中心點，并將該點當(dāng)作初始的離散點，從而實現(xiàn)地理矢量數(shù)據(jù)的切分操作。DBSCAN算法利用數(shù)據(jù)點空間分布的緊密程度來獲得各聚類簇，假設(shè)真實場景的地理矢量數(shù)據(jù)控制點為D₁，遙感影像矢量數(shù)據(jù)控制點為D₂，那么二者之間的幾何誤差的表達(dá)式為：

式中，（W·x，W·y）表示真實場景地理矢量數(shù)據(jù)與遙感影像矢量數(shù)據(jù)之間的同名控制點。通過DBSCAN聚類獲得各局部矢量數(shù)據(jù)的誤差區(qū)域，然后結(jié)合矢量數(shù)據(jù)點的空間分布情況，將偏移誤差較大的數(shù)據(jù)同名點剔除，再通過剩下的同名點來構(gòu)建泰森多邊形，即可實現(xiàn)真實場景地理矢量數(shù)據(jù)的切分^［6］。

切分后的真實場景局部地理矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正后，會造成連接線斷裂，所以本文通過仿射變換對局部數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，進(jìn)而實現(xiàn)整體數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。設(shè)置一個合適的閾值，根據(jù)該閾值將處于分割線相交的矢量數(shù)據(jù)篩選出來；利用式（3）對局部矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)操作：

式中，（X¹_n，Y¹_n）表示配準(zhǔn)前的真實場景矢量數(shù)據(jù)中第n個數(shù)據(jù)節(jié)點的坐標(biāo)；（X²_n，Y²_n）表示配準(zhǔn)后的真實場景矢量數(shù)據(jù)中第n個數(shù)據(jù)節(jié)點的坐標(biāo)；（X_n，Y_n）表示配準(zhǔn)后并進(jìn)行光滑處理的真實場景矢量數(shù)據(jù)中第n個數(shù)據(jù)節(jié)點的坐標(biāo)；m表示真實場景矢量數(shù)據(jù)節(jié)點的數(shù)量。根據(jù)式（3）對真實場景^［7］局部地理矢量數(shù)據(jù)與影像矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，再將配準(zhǔn)結(jié)果拼接，即可實現(xiàn)整體真實場景矢量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。

3 搭建三維高精度場景

三維高精度場景的搭建過程主要分為構(gòu)建模型與渲染場景兩個步驟^［8］，在確保模型層次細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上選取Solidworks軟件作為建模工具。該軟件功能強(qiáng)大，可在實現(xiàn)精細(xì)化建模的同時，最大程度降低三維模型復(fù)雜度，節(jié)約占用資源^［9］。場景渲染可為三維模型添加紋理、燈光及陰影等效果，提升虛擬現(xiàn)實交互的真實感^［10］。當(dāng)虛擬設(shè)備中輸入變換的場景數(shù)據(jù)，需要利用變換矩陣將場景中Camera的視角進(jìn)行更新^［11］，那么Camera自身位置的計算公式為：

式中，C表示三維場景中Camera位置；L表示三維場景中Camera位置C與目標(biāo)物體位置C₁之間的距離；C₀表示整個虛擬場景的視角位置；J表示變換矩陣。通過控制Camera的方式即可實現(xiàn)三維高精度場景的實時驅(qū)動，在后續(xù)虛擬現(xiàn)實交互過程中也需利用Camera位置的更新來實現(xiàn)視角的轉(zhuǎn)換。

4 設(shè)計虛擬現(xiàn)實交互方式

語音交互是用戶通過語音指令來啟動并控制虛擬的三維場景^［12］，而三維場景需具備高效的語音識別功能，才能對用戶的語音指令進(jìn)行精準(zhǔn)判斷^［13］。此方式對語音信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換與提取，提取出的數(shù)字化語音信號穩(wěn)定性較差，需將信號相關(guān)的聲學(xué)特征進(jìn)行提取。聲學(xué)特征可呈現(xiàn)用戶語音的音質(zhì)、音準(zhǔn)等特征，是三維虛擬場景^［14］識別用戶語音的關(guān)鍵指標(biāo)，提取出的語音信號MFCC特征可呈現(xiàn)出用戶語音指令的動態(tài)特征，根據(jù)該特征進(jìn)行識別，即可達(dá)到預(yù)期的虛擬場景交互效果。

依據(jù)失真度最小原則，通過輸入語音信號與數(shù)據(jù)庫模板中信號的逐一比對，獲取最接近模板的識別結(jié)果^［15］，通過虛擬設(shè)備來應(yīng)答反饋用戶指令，從而達(dá)到人機(jī)交互目的。

5 實例應(yīng)用

選取基于草繪圖的三維場景搭建技術(shù)與基于OSGEarth的三維場景搭建技術(shù)作為實驗對照組，分別使用這3種技術(shù)搭建一個相同的虛擬手術(shù)室場景，讓實驗員于虛擬場景中進(jìn)行模擬手術(shù)，在整個手術(shù)過程中，實驗員先操作手術(shù)器械與軟組織進(jìn)行交互操作，再與較硬的骨頭進(jìn)行交互操作，最后回到軟組織。根據(jù)各場景下手術(shù)器械移動軌跡來比較其穩(wěn)定性，獲得結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在利用草繪圖技術(shù)搭建的三維手術(shù)室場景中，手術(shù)器械的移動軌跡穩(wěn)定較差，難以按照期望的軌跡進(jìn)行平滑移動。在利用OSGEarth技術(shù)搭建的三維手術(shù)室場景中，在與軟組織進(jìn)行交互操作時，手術(shù)器械可以按照預(yù)定軌跡平滑移動，當(dāng)遇到硬度較大的骨頭時，手術(shù)器械的移動軌跡出現(xiàn)波動，三維虛擬場景難以維持交互穩(wěn)定性。在本文所提技術(shù)搭建的三維手術(shù)室場景中，無論是與軟組織還是硬度較大的骨頭進(jìn)行交互操作，手術(shù)器械的移動軌跡均保持平滑穩(wěn)定狀態(tài)，說明本文在虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計研發(fā)中搭建的三維高精度場景具有良好的穩(wěn)定性，可以有效支撐用戶與虛擬場景進(jìn)行交互。

為進(jìn)一步判斷三維高精度場景搭建技術(shù)在虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計研發(fā)中的應(yīng)用效果，隨機(jī)錄制并制作3個語音文件，將其分別輸入文中上述3個虛擬手術(shù)室場景中，進(jìn)行語音識別實驗，獲得識別結(jié)果如表1所示。

由表1可知，本文所提技術(shù)搭建的三維高精度場景對語音文件的音素識別錯誤率平均為1.29%，較對照組降低2.31%，5.44%，詞匯識別錯誤率平均為1.02%，較對照組降低3.7%，7.68%，說明本文所提技術(shù)具有更高精度的語音識別準(zhǔn)確率，該虛擬場景下的人機(jī)交互性能更優(yōu)越。綜上所述，三維高精度場景搭建技術(shù)在虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計研發(fā)中的應(yīng)用效果良好，可為用戶提供一個穩(wěn)定且真實的虛擬體驗。

6 結(jié)語

為提高三維場景中對真實場景的還原度，本文對三維高精度場景的搭建技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，將其應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計研發(fā)中，并應(yīng)用本文所提技術(shù)搭建虛擬手術(shù)室場景，模擬手術(shù)過程，對三維手術(shù)室場景進(jìn)行了高精度還原。此技術(shù)對語音文件的音素和詞匯識別錯誤率較低，有效實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實交互，證明應(yīng)用本文技術(shù)搭建的三維高精度場景具有良好的穩(wěn)定性，可為用戶呈現(xiàn)出具有真實感的視覺三維的動態(tài)體驗。

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（編輯 王永超）

Application analysis of 3D high-precision scene construction technology in virtual reality interaction design and development

Yao Youlong

（Jinan Vocational College， Jinan 250103， China）

Abstract： Due to the low reduction degree of traditional scene construction technology to real scenes， the application of three-dimensional high-precision scene construction technology in the research and development of virtual reality interaction design is analyzed. In this study， the vector data of the real scene was collected and preprocessed， and the 3D high-precision scene was built through modeling and rendering technology， and the design of virtual reality interaction mode was realized based on speech recognition technology. Through the proposed technology in this paper to build a virtual operating room scene simulation operation process， the scene of surgical instruments moving trajectory has been in a smooth and stable state， the voice file phoneme recognition error rate is 1.29%， vocabulary recognition error rate is 1.02%， and verify 3D high precision scene building technology in virtual reality interaction design development has a good application effect.

Key words： three-dimensional high-precision scene; scene building technology; virtual reality; interaction design; application analysis