交互場景下的動態環境設計系統開發應用

趙雅慧 楊夢婷

摘? 要： 針對原有系統響應時間較長，導致無法滿足用戶需求的問題，開發基于交互場景下的動態環境設計系統。在原有硬件結構的基礎上，優化中控電路模塊，采用Cortex?M4型號內核芯片，配合外設接口資源。采用SURF特征描述方法，在交互場景中利用靜止物體特征點，匹配動態環境特征，完成姿態位置估計。還原成像關系示意圖，計算特征向量，區分動靜態特征，利用計算機程序實現動態環境設計系統的開發。設計對照實驗，利用Framer Studio軟件模擬系統運行狀態，測試系統性能。實驗結果表明，所開發的系統運行響應時長與原有系統相比明顯縮短，能夠充分滿足用戶需求。

關鍵詞： 動態環境設計; 交互場景; 中控電路; 特征描述; 系統設計; 響應時長

中圖分類號： TN99?34; TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）13?0123?03

Development and application of dynamic environment design system

based on interactive scenes

ZHAO Yahui1， YANG Mengting2

（1. Hubei University of Technology， Wuhan 430000， China; 2. Hubei Vocational College of Bio?Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： Since the original system has a long response time and cannot meet the needs of users， a dynamic environment design system based on interactive scenes is developed. On the basis of the original hardware structure， the central control circuit module is optimized. Kernel chip Cortex?M4 is adopted to match with the peripheral interface resources. SURF feature description method is adopted. In the interactive scene， feature points of a stationary object are used to match the features of the dynamic environment to complete the pose position estimation. After the schematic diagram of the imaging relationship is restored， the feature vectors are calculated to distinguish the dynamic and static features. On the basis of the above， the dynamic environment design system is developed with the computer program. Contrastive experiments were designed and Framer Studio software was used to simulate the running state of the system and test the performance of the system. The experimental results showed that the running response time of the developed system is significantly shorter than that of the original system and can fully meet the needs of the users.

Keywords： dynamic environment design; interactive scene; central control circuit; feature description; system design; response time

0? 引? 言

場景交互技術屬于虛擬現實技術的一個分支，受到人們的廣泛關注，其涉及多個科學研究領域，包含了多媒體技術、網絡技術、計算機感知以及圖像學技術等，是當前十分熱門的尖端技術。場景通常是指用戶在某個特定的時間以及地點，為了滿足某種需求而發送特定指令所實施的行動畫面[1?3]。其中，用戶作為場景的主體，其屬性直接決定了用戶需求，而對其屬性的了解，能夠幫助理解用戶在某特定場景下所完成的行動。但需要注意的是，用戶需求的背后通常還存在著更深層次的真實需求，而用戶所提出的只是其深層次需求的解決方案當中所缺少的一個環節[4]。交互場景通常描述的是產品被用戶使用過程中的場景，以及對于操作流程或所使用工具的描述。在交互場景下完成動態環境設計，能夠更好地從用戶需求定位產品，分析目標人群，結合交互原理，開發出更加貼合用戶需求的系統[5?7]。

1? 動態環境設計系統中控電路優化

動態環境系統的硬件功能部分分為中控板以及外設兩個部分，為保證動態環境系統軟件部分的正常運行，需要對原有硬件當中的中控電路板電路適當優化。其具體框架如圖1所示。

圖1中，采用Cortex?M4型號內核芯片，該芯片是一種高效率單片同步降壓型DC/DC轉換器，能夠輸出高達2 A的電流，使用23 V的輸入電壓，達到了寬負載和輸出瞬態響應之間的優化，實時保護周期性電流限制[8?9]。在其中加入飽和運算指令、單指令數據操作等，對上電、掉電復位及時處理，以此適應其外設接口資源，為后續的應用擴展提供支持。

2? 交互場景下的動態環境設計系統軟件設計

2.1? 功能模塊總體設計

系統的軟件部分開發主要是為了實現場景的交互，并滿足用戶對于動態環境的設計需求，系統所包含的軟件功能模塊如圖2所示。

如圖2所示，系統在初始化的過程當中，其登錄界面是唯一一個對外窗口，以此保證系統的安全性，在用戶成功登錄后，系統將會自動完成初始化設置，其中包括狀態參數的配置、面板窗口的設置調節，以及數據庫的打開等。在初始化階段打開數據庫，能夠有效提高CPU的利用率，避免由于數據庫的反復打開而嚴重浪費內存，并造成溢出的情況發生[10?11]。為系統程序的后續運行提供保障，從而實現動態環境設計。

2.2? 基于交互場景下的環境特征匹配

對于動態環境設計而言，其核心主要在于特征的提取以及匹配，采用SURF特征描述方法，以交互場景當中的特征點為基準，選取其20倍的尺度距離作為鄰域邊長，在保證特征點旋轉不變性的前提下，按照其主方向旋轉[12]，將該環境范圍劃分成面積相等的16個子鄰域，具體如圖3所示。

如圖3的子鄰域當中，分別使用[m]方向以及[n]方向的Haar小波特征算子，得到動態環境中的Haar小波特征，并在所得到的結果當中計算的數值，作為該子鄰域的區域特征。則每個特征點的特征描述便是其16個子鄰域所組成的64維特征向量。由于特征點的提取過程當中并不存在方向性以及尺度，為此將提取過程當中，鄰域圓周上響應值最大的像素點所對應的特征點與中心點的方向作為主方向，將尺度設置為1，完成特征描述的匹配。

2.3? 動態特征區分

在環境特征的匹配完成后，利用匹配好的特征點計算動態位置以及姿態變化。但在動態環境當中，有可能會存在處于運動狀態的物體，其動態特征點將會嚴重影響到視覺角度的估計。一旦有運動物體從視覺范圍中經過，則會直接導致視覺里程計有誤差產生[13?14]。為此需要依靠動態環境中靜止物體上的特征點完成姿態位置估計。分割所提取的特征點，保留靜態特征點，將運動物體上的動態特征剔除，其具體成像關系如圖4所示。

式中：[q1]為[K1]中的一個特征點;[q2]為[q1]在[K2]中所對應的特征點。

式中：像素點[x1]與[x2]表示歸一化平面上的坐標;[t^]表示[t]的反對稱矩陣;[t^x2]表示同時垂直于[t]以及[x2]的垂直向量。

由上述計算能夠得知，在靜態環境當中，存在于圖像中的全部特征點都能夠滿足對極約束。利用這一特性，能夠在動態環境中將靜態特征與動態特征相區分，并在此基礎上實現動態環境設計系統的開發應用。

2.4? 動態環境設計系統實現

在交互場景下完成環境特征的匹配，并將靜態特征與動態特征準確區分后，利用計算機程序實現動態環境設計系統的開發，其部分關鍵代碼如下：

{

fi_sum=sum（fi）;

fi_Size=（Oderfi/fi_sum）*Size;

}

通過上述關鍵代碼實現動態環境信息的匹配，將場景交互與用戶需求結合在一起，通過用戶與場景之間信息數據的相互轉換[15]，完成交互場景下的動態環境設計系統開發。

3? 系統功能測試

為了檢驗所開發的交互場景下的動態環境設計系統的實現成果，確保該系統的功能可以滿足預期中的設計需要，設計仿真對照實驗，檢測系統功能模塊，將檢測結果與原有的系統測試結果對照分析，完成系統功能測試。

3.1? 測試準備過程

由于過程中需要模擬交互性場景下的實驗環境，為此利用Framer Studio移動交互原型設計工具，以保證實驗的順利完成。但Framer Studio目前僅支持Mac平臺操作，為此實驗選用MUHR2CH/A型號計算機作為實驗平臺，其硬盤容量為256 GB SSD，四核處理器CPU速度為1.40 GHz，能夠滿足實驗需求，支持Framer Studio的正常運行，其具體模擬過程如圖5所示。

根據上述準備過程，模擬交互場景下的動態環境設計系統運行過程，通過計算機程序的自動分析，得到模擬結果，并將其與原有系統的運行分析結果相對照。

3.2? 測試結果分析

通過Framer Studio軟件模擬所設計系統的運行過程，檢測其運行狀態，得到其在1 s內訪問量從0～1 625之間的響應時長，并與原有系統相對照，所得結果如圖6所示。

由圖6可知：與原有系統在相同條件下的響應時長相對比，能夠明顯看出，當用戶訪問量較低時，兩者之間的響應時長差距并不明顯。但隨著訪問量的逐漸增多，原有系統的響應時長曲線幅度明顯增大，表示其系統性能無法滿足用戶需求，而所設計的系統與原有系統相比較，其曲線變化幅度較小，平均響應時長明顯優于原有系統，由此可見，所開發的交互場景下的動態環境設計系統性能更佳。

4? 結? 語

本文將交互場景與動態環境設計相結合，使用戶的使用感受得到滿足，采用SURF特征描述方法，將動態環境劃分為相等的多個子區域，尋找其動態特征，為用戶帶來更好的交互體驗。實驗結果表明，所開發的系統運行響應時長較原有系統有著明顯縮短，能夠為用戶帶來更好的使用體驗。

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