基于Unity3D和VR技術(shù)的數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳亞靜

(泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

0 引言

隨著高校教學(xué)和課程改革的不斷深入，進(jìn)行數(shù)字化的校園建設(shè)和課堂交互設(shè)計(jì)，成為未來(lái)高校新課改的主要目標(biāo)。采用人工智能的三維視景仿真和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在虛擬的軟件環(huán)境中進(jìn)行數(shù)字校園交互體驗(yàn)，能夠提高課堂教學(xué)的針對(duì)性，滿足多媒體信息環(huán)境下高校課堂教學(xué)改革的要求[1]。數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是建立在數(shù)字校園體感交互的多媒體信息開發(fā)和數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上的。采用VR渲染和三維視景技術(shù)，進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的三維幾何建模，在嵌入式的Linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]，提出基于Unity3D和VR技術(shù)的數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件開發(fā)總體構(gòu)架分析和開發(fā)環(huán)境描述，然后進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化開發(fā)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，得出有效性結(jié)論。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及開發(fā)環(huán)境描述

1.1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架分析。構(gòu)建在課改背景下的數(shù)字校園體感交互數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合AD信息采樣進(jìn)行數(shù)字校園體感交互的教學(xué)資源信息采集，在大數(shù)據(jù)信息處理環(huán)境下，提高數(shù)字校園體感交互的信息融合和數(shù)字傳輸控制能力[3]。數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系采用物聯(lián)網(wǎng)下的ZigBee組網(wǎng)體系設(shè)計(jì)，在嵌入式的BS總線調(diào)度下進(jìn)行數(shù)字校園體感交互的數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用交叉編譯和PCI總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的資源信息采樣和集成調(diào)度，在立體數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，結(jié)合3D信息重構(gòu)和VR仿真技術(shù)，進(jìn)行數(shù)字校園體感交互的虛擬視景仿真。綜上分析，得到設(shè)計(jì)的數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)總體構(gòu)架

根據(jù)圖1的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架分析得知，數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂教學(xué)的數(shù)據(jù)信息加工和多媒體信息調(diào)度等，并通過(guò)數(shù)據(jù)顯示模塊輸出數(shù)字校園體感交互信息，在圖像處理模塊中進(jìn)行3D信息重建，通過(guò)智能控制器進(jìn)行校園教學(xué)的設(shè)備控制。數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為三維數(shù)字校園體驗(yàn)的3D信息重構(gòu)以及數(shù)字交互的信息處理兩大部分，采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集成信息處理和人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)主要包括多媒體信息采集模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模型、3D圖像分析模塊、視景仿真模塊、VR程序加載模塊以及人機(jī)交互模塊[4]。結(jié)合上述的總體構(gòu)架，得到設(shè)計(jì)的數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線

1.2 系統(tǒng)功能模塊及開發(fā)環(huán)境

根據(jù)上述對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架，數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)合PCI總線調(diào)度和Unity3D仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的主機(jī)信息傳輸控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的智能模式監(jiān)測(cè)和嵌入式設(shè)計(jì)，結(jié)合LCDDMA、LPC3600進(jìn)行數(shù)字校園體感交互過(guò)程中的AD轉(zhuǎn)換和離散化數(shù)據(jù)調(diào)度[5]，提高數(shù)字校園體感交互的模式識(shí)別能力。綜上分析，得到數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的功能模塊開發(fā)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的功能模塊開發(fā)結(jié)構(gòu)流程

設(shè)計(jì)的數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案，在B/S構(gòu)架體系下，進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用體繪制方法進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的紋理渲染，在嵌入式Linux中實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，通過(guò)ADO.NET組件庫(kù)建立數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的3D圖像處理模型，采用ModelBuilder 3D中間件技術(shù)進(jìn)行數(shù)字校園體感交互的應(yīng)用程序配置和數(shù)字校園信息讀寫，采紋理跟蹤和模板網(wǎng)格分割方法進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的3D組合建模，結(jié)合Excel和Access技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，根據(jù)上述系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境分析，進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)[6]。

2 數(shù)字校園體感交互的圖像處理算法設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字校園體感交互的數(shù)字圖像采集及模板匹配

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)模型構(gòu)建，采用視景仿真渲染工具Vega Prime進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用3DStudio max軟件進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的三維實(shí)體模型構(gòu)建，結(jié)合圖像處理算法，進(jìn)行數(shù)字校園體感交互的數(shù)字圖像采集和特征提取，結(jié)合數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像的顏色特征，結(jié)合超像素生成的規(guī)則性，通過(guò)模板匹配結(jié)果進(jìn)行數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像的自適應(yīng)像素融合[7]，初始化聚類中心，得到數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像的超像素生成統(tǒng)計(jì)特征量為：

(1)

(2)

式中：xi和xj分別為數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真的每個(gè)像素分配點(diǎn)(i，j)處的聚類中心分布密度；dist(xi，xj)表示數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像標(biāo)記特征點(diǎn)xi和xj之間的歐式距離。在模糊控制參數(shù)σ的作用下，進(jìn)行數(shù)字化校園體感交互的VR視景仿真圖像區(qū)域快速分割，得到閾值。采用數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像分布邊緣像素點(diǎn)匹配方法，得到像素間的空間距離分布為：

P(yw3|xw3，θ，β)∝P(yw3|xw3，θ)(yw3|βi)

(3)

在4×4子塊的局部區(qū)域內(nèi)建立數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像分割的區(qū)域分布模型，構(gòu)建超像素融合視域下的數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真的模板匹配集，進(jìn)行視景重構(gòu)和數(shù)字化交互設(shè)計(jì)[8]。

2.2 數(shù)字校園交互的VR視景重構(gòu)

采用多尺度的特征分解方法，進(jìn)行數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真及模糊降噪處理，得到數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像的空間區(qū)域像素特征分量，構(gòu)建數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像的相關(guān)性檢測(cè)模板匹配函數(shù)f(gi)為：

(4)

獲得數(shù)字校園體感交互的VR視景圖像三維動(dòng)態(tài)區(qū)域特征值，采用邊緣輪廓檢測(cè)方法，在數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真區(qū)域內(nèi)進(jìn)行信息重構(gòu)，提取三維特征分布區(qū)域中的紋理值，采用模糊邊緣輪廓分布式檢測(cè)的方法，對(duì)數(shù)字校園體感交互的VR視景圖像進(jìn)行RGB特征分解，得到RGB特征分量分別為：

(5)

在3×3子塊內(nèi)，構(gòu)建VR視景仿真區(qū)域像素特征分布模型，得到超像素特征量為：

(6)

根據(jù)融合性檢測(cè)結(jié)果對(duì)數(shù)字校園體感交互的區(qū)域背景進(jìn)行分離，采用總線傳輸控制技術(shù)，進(jìn)行數(shù)字校園體感交互的模糊識(shí)別，把所研究的數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像邊緣特征點(diǎn)在二維網(wǎng)格區(qū)域中進(jìn)行融合處理，融合結(jié)果表示為：

S={s=(x，y)|1≤i≤M，1≤j≤N}。

(7)

數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像區(qū)域大小為M×N，M和N對(duì)應(yīng)數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像邊緣的長(zhǎng)度和寬度。按照數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像結(jié)構(gòu)紋理梯度方向進(jìn)行區(qū)域信息擬合，在目標(biāo)模板的邊緣區(qū)域，得到數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像各點(diǎn)附近的全息像素點(diǎn)分布為：

(8)

對(duì)數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像的紋理結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，根據(jù)數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像RGB值與鄰域均值實(shí)現(xiàn)圖像的自適應(yīng)融合分割，得到視景重構(gòu)的輸出如下：

v(x)=g-1(g(1)-g(u(x)))，

(9)

式中：u(x)為VR視景仿真圖像的鄰域灰度相似度函數(shù)；g(·)為灰度像素聚類中心，滿足g：[0，1]→[0，1]。提取數(shù)字校園體感交互的VR視景的亮度特征：

(10)

(11)

由此在超像素區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園體感交互的VR視景重構(gòu)和特征識(shí)別[9]。

3 軟件設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行了數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，采用3D Studio max軟件進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的三維實(shí)體模型構(gòu)建。采用Unity3D和VR技術(shù)進(jìn)行視景仿真設(shè)計(jì)，以3D Studio max、SoftImage為交叉編譯工具，結(jié)合渲染工具Vega Prime進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為多媒體信息采集模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模型、3D圖像分析模塊、視景仿真模塊等。在觀測(cè)體(Viewing Volume)模型中建立數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)，將場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)字校園體感交互視景仿真數(shù)據(jù)通過(guò)VIX總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸控制，采用Map Texture Tools貼圖工具進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的實(shí)體圖形建模，構(gòu)建通過(guò)C應(yīng)用程序接口加以數(shù)字校園體感交互的遠(yuǎn)程控制[10]。采用ZigBee協(xié)議棧，以Linux 2.6.32內(nèi)核為平臺(tái)模擬數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的實(shí)體對(duì)象，將場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)字校園體感交互視景仿真數(shù)據(jù)通過(guò)可視化應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)交叉編譯，編譯界面如圖4所示。

構(gòu)建Wifi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在ZigBee路由節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行VR虛擬數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在嵌入式ARM環(huán)境下實(shí)現(xiàn)VR虛擬仿真的數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)。綜上分析，得到系統(tǒng)軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖4 數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的編譯界面

圖5 系統(tǒng)軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)流程

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園體感交互控制和三維視景仿真中的應(yīng)用性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)采用MAC層交互協(xié)議進(jìn)行數(shù)字校園體感交互的基線配置和圖像加載，構(gòu)建程序編譯模塊進(jìn)行ADO對(duì)象控制和總線調(diào)度，采用16位5SNA2000K450300作為內(nèi)核處理器，在Linux內(nèi)核中進(jìn)行指令加載控制，數(shù)字校園體感交互視景仿真的配置模式設(shè)定為B/S模式，得到數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)運(yùn)行延時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

分析圖6得知，采用該方法進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)行延時(shí)較小，系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，測(cè)試數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的幀收發(fā)性能，得到結(jié)果如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)的運(yùn)行延時(shí)測(cè)試結(jié)果

圖7 幀收發(fā)性能測(cè)試

分析得知，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有很好的數(shù)字校園體感交互能力，幀收發(fā)能力較好，在教學(xué)課改中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

在虛擬的軟件環(huán)境中進(jìn)行數(shù)字校園交互體驗(yàn)，能夠提高課堂教學(xué)的針對(duì)性，滿足多媒體信息環(huán)境下高校課堂教學(xué)改革的要求。采用3DStudio max軟件進(jìn)行數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的三維實(shí)體模型構(gòu)建，結(jié)合自適應(yīng)的虛擬仿真設(shè)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)字校園體感交互的智慧化設(shè)計(jì)和三維仿真，結(jié)合數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真圖像的顏色特征，結(jié)合超像素生成的規(guī)則性，構(gòu)建超像素融合視域下的數(shù)字校園體感交互的VR視景仿真的模板匹配集，進(jìn)行視景重構(gòu)和數(shù)字化交互設(shè)計(jì)。在嵌入式ARM環(huán)境下實(shí)現(xiàn)VR虛擬仿真的數(shù)字校園體感交互系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)。研究得知，設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有很好的數(shù)字校園體感交互能力，系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性較好，能有效促進(jìn)課程改革。