基于虛擬現實技術的圖像處理平臺研究

狄軼娟 殷誠銘 蔡紀鶴 單夢娜

摘 要：為了更好地培養在圖像處理方面的實踐能力、創新能力，就有必要研究一個圖像處理平臺，使學生能掌握有關數字圖像處理的基本概念、方法、原理及應用，進而培養和增強學生創新意識和創新思維，提高實際動手能力、創新能力及學術研究能力。因此，在本論文的研究中提出使用3D Max和VRP結合來研究圖像處理虛擬仿真平臺。通過該系統，不僅可以學習圖像處理基礎知識、圖像處理方法及其MATLAB仿真，還可以動畫演示七巧板的識別和匹配過程，可以對工業生產中零部件的裝配過程起到模擬示范作用。

關鍵詞：虛擬現實;圖像處理;3D Max;VRP

0 引言

隨著信息化與智能化時代的到來，圖像處理技術在各等領域都有很好的發展空間[1]。傳統的學習圖像處理技術的方法主要是通過書本上一些公式的推導以及程序的說明，這種方法過于枯燥，而且學生對于知識的理解也只浮于表面。虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一種新興的技術綜合性很強的學科，它融合了數字圖像處理技術、傳感器技術、多媒體交互技術等熱門發展方向，通過外部硬件與計算機軟件相結合的方式，為用戶塑造了一個能夠交互的、帶感知的虛擬世界[2]。虛擬儀器由于在組建上具有高效性與靈活性，能夠適應測試功能的多樣化，以及可用表格、圖形快速準確顯示結果，達到一機多用，從而具備了傳統工藝難以比擬的優勢[3]。

虛擬現實技術的發展無疑為圖像處理技術的傳播提供了一個新的平臺，該平臺擬在MATLAB環境下使用圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱 GUI）構建圖像處理平臺，然后再在此基礎上使用3D Studio Max（3D Max）、VRP研究圖像處理虛擬平臺[4]。

通過這種“虛實結合，互相補充，能實不虛”的平臺，利用新穎的教學方法，可以讓學生在主動實踐中了解圖像處理的基礎知識，在操作觀看動畫中對圖像處理的方法有一個更加深刻的理解和研究。

1 系統設計

圖像處理虛擬仿真平臺的設計對象主要是一個交互界面和虛擬工作臺。交互界面主要包括圖像處理技術的各部分知識點和在MATLAB仿真處理后得到的圖片數據;虛擬工作臺則是模擬機械臂對已有模板的識別、拾取、匹配的過程。

虛擬圖像處理平臺類似于虛擬實驗室的一種，旨在豐富學生圖像處理與分析方面的知識，以綜合設計和創新能力為出發點，讓學生在實踐過程中學習掌握圖像處理的相關知識，結合動畫演示提高對學習的興起，從而彌補教學中講授課程缺少練習的缺點，使得學生對圖像處理技術有深刻理解，具有圖像處理與分析的創新能力、實踐能力和科研能力，為學生以后從事相關方向的研究打下了堅實的基礎。

系統設計主要包括：

（1）使用三維建模和渲染技術構建虛擬工作臺

首先使用 Photoshop，對建立虛擬平臺的所有素材進行修改，為貼圖材料做準備;然后使用3D Max構建虛擬工作臺的模型并制作模板匹配的動畫，再對建好的模型進行材質貼圖和烘焙渲染;最后將在3D Max中創建的場景導出到 VRP（虛擬現實平臺），為后期制作做準備。

（2）使用 VRP 制作虛擬交互界面

首先導入 3D Max中建模和渲染后的模型;然后利用高級界面中的控件設計交互界面;最后利用控件事件腳本編輯器編寫控件的交互事件，最終實現交互功能。

2虛擬工作臺的設計和功能實現

本文研究的虛擬現實技術的圖像處理系統的的建模和動畫制作過程包括：

（1）素材采集。本系統建模對象的元素有：七巧板、流水線工作臺、單軌機械臂、以及CMOS攝像頭。

（2）虛擬工作臺建模。虛擬現實場景真實性的好壞，很大程度上是由建立模型的優劣決定的。選擇容易建模的素材，能為后期的工作打下良好的基礎。利用3D Max自帶的標準幾何體和修改器工具可以完成大多數簡易模型的制作，通過將復雜模型分割成幾部分簡易模型的方法，可以提高建模效率，降低后期制作的難度。

（3）虛擬工作臺材質和貼圖。在完成模型的建立以后，還需要給模型貼上材質，經過渲染烘焙，才能使模型更加真實。3D Max自帶的材質編輯器有24個材質球可供設置不同的材質。利用前期收集的材料圖片，可以制作模型的貼圖。

（4）虛擬工作臺的渲染和烘焙。3D Max建立的模型是三維的，不僅占用空間大，也不易于觀察，為了將三維模型輸出成二維圖像，就需要進行渲染操作。經過渲染的模型更加接近于真實環境，給人更加直觀的感受。

（5）動畫制作。3D Max的動畫分為兩類：剛體動畫（rigid body animation）和柔體動畫（soft animation）。對于大多數物理可模擬的對象來說，完成的運動一般都是剛體動畫，柔體動畫則多是指水流等沒有固定形狀的對象。本次論文除了建立虛擬工作臺模型以外，還需要制作一個模板匹配的動畫。動畫的主要內容為通過攝像頭對比工作臺上攝像區內的標準件七巧板模型的位置，利用機械臂調整另一邊工作臺上散件的位置，使其達到和標準件一樣的布置，實現模板匹配的功能。

3 VRP交互功能實現

在完成3D Max中的所有操作以后就可以將模型導入VRP中進行交互界面的設計了。在VRP的高級界面中，新建一個窗口，利用控件中的按鈕、組合框、靜態圖片控件設計交互界面，再添加腳本，即可實現交互功能。

（1）3D Max導出VRP。由于本設計包含模板匹配的剛體動畫，所以在導入VRP前還需要為剛體模型建立一個集。具體步驟為：a.選擇界面上方主工具欄中的“編輯命名選擇集”工具，彈出“命令選擇集”窗口;b.點擊該窗中的“創建新集”按鈕，即可創建一個默認命名的集，點擊“加號”;c.點擊模型中帶幀動畫的部分，即可添加到集中，將集的名稱改為{vrp_rigid}，就完成剛體動畫集的創建。

（2）交互界面設計。本系統交互界面布局主要包括四級界面，分別是VRP使用說明界面、交互主界面、二級標題界面、三級介紹界面，通過這四個界面的組合，可以完成對數字圖像處理基礎知識的介紹以及動畫的演示。

（3）控制事件腳本設計。對交互界面設計內的按鈕控件、組合框控件添加腳本，就可以完成交互功能的實現。

結 論

本論文研究的基于虛擬現實技術的圖像處理平臺，以虛擬現實為平臺、七巧板為處理對象，為圖像處理技術的知識點設計了一種新的講解方式，可以讓學生在實踐中加深對圖像處理技術的理解，為以后工作打下基礎，同時也有益于工業生產中零件裝配等產業鏈的發展。本論文依托圖像處理技術，在設計虛擬工作臺和VRP交互界面時都有條理的融入圖像處理的知識點，從理論和實踐兩個角度出發，對設計中遇到的問題進行分析研究。

參考文獻：

[1] 章毓晉. 中國圖像工程：2018[J].中國圖象圖形學報，2019（05）：665-676.

[2] 劉煒，夏兆旺，包國治，王軍.虛擬現實技術引入機械類課程的技術與難點分析[J].計算機時代，2019（05）：80-83.

[3] C. Oikonomou， A. Lioret， M. Santorineos and S. Zoi， "Experimentation with the human body in virtual reality space： Body， bacteria， life-cycle，" 2017 9th International Conference on Virtual Worlds and Games for Serious Applications （VS-Games）， Athens， 2017， 185-186.

[4] 胡新艷，霍文曉，車曉巖，張愛英，曹紅波.基于MATLAB GUI的數字信號處理實驗仿真平臺設計[J].電子技術與軟件工程，2019（08）：58-59.

作者簡介：

狄軼娟（1981.2-），女，博士，講師，主要研究方向：圖像處理、虛擬現實技術、電力系統優化。

*基金項目：常州工學院校級虛擬仿真實驗教學項目（YB-18-014）;常州工學院校級大學生創新創業計劃項目（2018202Y）;江蘇省建設系統科技項目（2016ZD85）