基于三維視覺的室內(nèi)環(huán)境感官設(shè)計(jì)建模研究

高婧泉

（遼寧城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110122）

通常進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)，需對環(huán)境進(jìn)行一系列標(biāo)準(zhǔn)化模擬，使用虛擬技術(shù)來模擬環(huán)境空間，由于利用該技術(shù)對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行視覺數(shù)據(jù)采集時(shí)過程十分復(fù)雜，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)度較低，因此，通過視覺感官技術(shù)可彌補(bǔ)上述不足。感官體驗(yàn)?zāi)K包括視覺模塊、聽覺模塊、觸覺模塊、味覺模塊和嗅覺模塊，其中視覺模塊是通過人眼所看到的視頻、色彩和形狀；聽覺模塊是通過耳朵聽到的聲音；觸覺模塊是通過身體接觸來感知；味覺模塊是通過嘗試不同菜品和飲料來獲取味道；嗅覺模塊是通過鼻子聞到的氣味，這五種感官共同構(gòu)成綜合體驗(yàn)。我國當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)離不開感官體驗(yàn)配合，為增加真實(shí)感，需建立感官體驗(yàn)?zāi)Ｐ汀鹘y(tǒng)建模方法僅針對某一個(gè)感官模塊進(jìn)行建模分析，受到其他干擾因素影響，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)效果較差，無法保證用戶能夠真實(shí)感受實(shí)際環(huán)境。因此，提出了一種視覺欣賞下小型室內(nèi)環(huán)境感官體驗(yàn)建模研究，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

一、建模原理

在視覺欣賞下實(shí)現(xiàn)小型室內(nèi)環(huán)境感官體驗(yàn)建模，需結(jié)合多個(gè)科學(xué)交叉性質(zhì)，使人們能夠在模擬世界中真實(shí)體驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)結(jié)果，該過程具備一種交互性和想象性。在模擬世界中室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)能夠通過感官體驗(yàn)給用戶帶來真實(shí)感覺，而用戶也可通過視覺、聽覺和觸覺對虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。將具備一種傳輸功能傳感裝置作為用戶與虛擬環(huán)境之間紐帶，利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建虛擬空間，分別從視覺、聽覺和觸覺三方面進(jìn)行建模分析，可實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境場與交互方式相融合感官體驗(yàn)。

二、室內(nèi)環(huán)境感官模型

完成室內(nèi)環(huán)境三維視覺空間點(diǎn)的匹配后，使用ElasticFusion 算法構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境感官模型。建模流程如下：首先，使用ElasticFusion 算法直接優(yōu)化空間點(diǎn)，再使用直接法提高位姿估計(jì)精度。相關(guān)文獻(xiàn)表明，ElasticFusion 算法構(gòu)建的三維視覺模型精度較高，尤其是在匹配過程中，可以有效剔除長時(shí)間不穩(wěn)定的點(diǎn)。其次，初始化圖像，依據(jù)基礎(chǔ)矩陣F 恢復(fù)相機(jī)運(yùn)動(dòng)，獲取相機(jī)的初始位姿信息，再使用歐氏算法優(yōu)化獲取結(jié)果，如圖1 所示。

需要注意的是，在初始化時(shí)所有關(guān)鍵幀除了第1 幀外都要參與優(yōu)化。獲取關(guān)鍵幀后，使用ElasticFusion 算法求取關(guān)鍵幀相對位姿，并根據(jù)局部優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化關(guān)鍵幀位姿估計(jì)。由圖1b）所示：假設(shè)要優(yōu)化POS3，就需要同時(shí)優(yōu)化相鄰的關(guān)鍵幀POS2。在回環(huán)監(jiān)測時(shí)，要根據(jù)誤匹配的數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，否則會(huì)影響模型精度。基于三維視覺的室內(nèi)環(huán)境感官設(shè)計(jì)模型流程如圖2 所示。

完成所有三維視覺關(guān)鍵幀優(yōu)化后，借助最終優(yōu)化的關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)，重建室內(nèi)環(huán)境空間點(diǎn)。最后得到的空間點(diǎn)是稀疏的，若出現(xiàn)此現(xiàn)象，可以不重建空間點(diǎn)，但是要重建所有關(guān)鍵幀的像素點(diǎn)，這樣才能獲得室內(nèi)環(huán)境三維圖像。具體流程：先創(chuàng)建新線程，用于判定插入的關(guān)鍵幀，若獲取的關(guān)鍵幀為RGB 圖像，要根據(jù)對應(yīng)的時(shí)間戳索引獲取深度圖像幀，最后融合RGB圖像與深度圖像。將得到的感知信息進(jìn)行回環(huán)監(jiān)測，由此得到三維視覺圖像的關(guān)鍵幀位姿變換矩陣，運(yùn)用式求取完整的室內(nèi)環(huán)境三維圖像。

由此完成基于三維視覺室內(nèi)環(huán)境感官設(shè)計(jì)模型的研究。

三、信號采集

通過外設(shè)傳感裝置采集輸入信號，利用該信號對虛擬環(huán)境進(jìn)行控制，為提高感官體驗(yàn)真實(shí)感，研制觸摸裝置用于采集用戶基本行為動(dòng)作。虛擬環(huán)境空間中物體運(yùn)動(dòng)自由度可分為兩大類，共6種，其中第一類為順著X軸、Y 軸和Z 軸水平運(yùn)動(dòng)；第二類為沿著X 軸、Y 軸和Z 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過控制兩類自由度即可實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境與虛擬空間的交互處理，如果用戶輸入行為信號分別與這6 種自由度相對應(yīng)，那么就會(huì)給用戶帶來真實(shí)感官體驗(yàn)。從用戶感官角度進(jìn)行信號采集，其中主要采集內(nèi)容有：1.視覺信號采集：通過計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建虛擬空間，在該空間中的影像與物體會(huì)隨著用戶視角變化而發(fā)生改變，因此，可從輸出鏡頭可視區(qū)域進(jìn)行視覺信號采集；2.聽覺信號采集：對產(chǎn)生聲音進(jìn)行播放，要求聲音具有一定方向感，因此，可通過立體聲音方位、距離進(jìn)行聽覺信號采集；3.觸覺信號采集：用戶進(jìn)行一系列行觸覺信號采集。

四、觸覺設(shè)計(jì)

觸覺是感知器官中相對直接地感受與反饋外在的事物的、感性與主觀因素的綜合載體。放松肌體、認(rèn)識(shí)事物、培養(yǎng)情感是觸覺的三大基本作用。觸覺可以幫助人們更好地表達(dá)情感、傳遞信息，可以使我們清晰感受到自身周圍的事物，因此觸覺感受在設(shè)計(jì)思考中的地位不言而喻。使用者通過自身的肢體接觸，自我反饋身心感受這一過程稱為觸覺體驗(yàn)，通過分析研究用戶的觸覺體驗(yàn)而進(jìn)行的設(shè)計(jì)即為觸覺設(shè)計(jì)。由于觸覺的直接性能夠?qū)⒆钫鎸?shí)的感受傳遞給使用者，因此將觸覺設(shè)計(jì)融入室內(nèi)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用獨(dú)特的材質(zhì)、不同的色彩以及特殊的造型，使體驗(yàn)者在生理和心理上有所感受。

五、聽覺體驗(yàn)建模

通過三維聲音建模工具建立聽覺感官體驗(yàn)?zāi)Ｐ停唧w內(nèi)容如下所示：在對環(huán)境中的物體進(jìn)行建模時(shí)，需先提取幾何信息，通過用戶具體行為確定動(dòng)作開始與停止的聲音數(shù)值，將該數(shù)值與幾何信息進(jìn)行匹配，利用碰撞檢測區(qū)分不同物體的碰撞聲音。通過攝像頭捕捉用戶在虛擬空間移動(dòng)的位置信息，根據(jù)位置信息分析聲學(xué)的聲像關(guān)系，使用Fmod 聲音渲染引擎，使系統(tǒng)能實(shí)時(shí)產(chǎn)生渲染的三維立體聲音，為充實(shí)用戶聲音體驗(yàn)感知交互增添內(nèi)容。

結(jié)語：通過研究基于機(jī)器視覺的室內(nèi)環(huán)境感官設(shè)計(jì)模型存在的問題，提出一種新的基于三維視覺的室內(nèi)環(huán)境感官設(shè)計(jì)模型，該模型適合用于室內(nèi)環(huán)境建圖，可以匹配多個(gè)空間點(diǎn)，限制遠(yuǎn)距離空間點(diǎn)之間的矛盾。文章的創(chuàng)新之處在于，在實(shí)驗(yàn)中，提出一種評價(jià)方法，對空間點(diǎn)深度值進(jìn)行評價(jià)，檢測兩個(gè)模型剔除空間點(diǎn)的準(zhǔn)確率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提模型可以有效提高配準(zhǔn)精度。