虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化中的應(yīng)用研究

萬(wàn)鯉菠

摘? 要： 傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)中，通常以平面圖展示工業(yè)設(shè)計(jì)，這種展示方法存在一定視覺(jué)混亂的問(wèn)題，難以整體呈現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)，為解決這一問(wèn)題，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化中。采用NCI匹配算法，匹配工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，并重建工業(yè)產(chǎn)品的點(diǎn)云，以準(zhǔn)確對(duì)工業(yè)產(chǎn)品特征檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化模型，確定模型場(chǎng)景輸出格式以及工業(yè)設(shè)計(jì)的輸出情況，并按照工業(yè)設(shè)計(jì)模型的變化特征進(jìn)行處理，對(duì)模型的全面數(shù)據(jù)編輯。最后根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)特征對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化模型進(jìn)行針對(duì)性?xún)?yōu)化，以此完成工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化方法優(yōu)化后的工業(yè)設(shè)計(jì)清晰度比傳統(tǒng)方法的工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)清晰度高，大大提高了工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)的清晰度。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)設(shè)計(jì); 視覺(jué)優(yōu)化; 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 建立優(yōu)化模型; 特征檢測(cè); 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

Abstract： In the traditional industrial design， the industrial design is usually displayed on the floor plan. The virtual reality technology is applied to the visual optimization of industrial design to improve the visual confusion and the overall presentation of the industrial design. The NCI matching algorithm is used to match the industrial design products and reconstruct the point cloud of the industrial products for the accurate feature detection of the industrial products. On this basis， the virtual reality technology is used to construct the visual optimization model of industrial design， determine the output format of the model scene and the output conditions of the industrial design， and the comprehensive data of the model is edited according to the change features of the industrial design model. The industrial design visual optimization model is performed the targeted optimization according to the technical features of virtual reality technology， so as to complete the visual optimization of industrial design. The experimental comparison results show that the designed visual clarity of industrial design optimized by this method is higher than that of the traditional method， which greatly improves the visual clarity of the industrial design.

Keywords： industrial design; visual optimization; virtual reality technology; construct optimization model; feature detection; experimental comparison

0? 引? 言

傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)展示中，通常以平面圖作為主要展示載體，視覺(jué)清晰度差，交互性與逼真性也較差，導(dǎo)致設(shè)計(jì)者的實(shí)際想法難以得到整體和有效體現(xiàn)[1]。為解決這一問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化方法[2]。此次設(shè)計(jì)方法采用NCI匹配算法，匹配工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，檢測(cè)工業(yè)產(chǎn)品特征。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)模擬，完成工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化[3]。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，優(yōu)化后的工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)清晰度比傳統(tǒng)方法視覺(jué)清晰度高，提高了工業(yè)設(shè)計(jì)的展示效果。

1? 工業(yè)產(chǎn)品視覺(jué)特征認(rèn)定

在對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化之前，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)視覺(jué)特征進(jìn)行認(rèn)定，以提高設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化效果[4?9]。查看待視覺(jué)優(yōu)化的工業(yè)設(shè)計(jì)，精簡(jiǎn)產(chǎn)品網(wǎng)格面數(shù)，采用NCI匹配算法，匹配工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，去除產(chǎn)品中隱藏的物體。NCI匹配算法原理圖如圖1所示。

圖1中，首先給定上視圖中的一個(gè)點(diǎn)，在下視圖中根據(jù)鄰域相似性尋找匹配點(diǎn)。該鄰域?yàn)榇翱?，其以認(rèn)證點(diǎn)為中心進(jìn)行匹配。重建工業(yè)產(chǎn)品的點(diǎn)云，給定一個(gè)三維點(diǎn)，用歸一化函數(shù)代表產(chǎn)品圖像的投影，在工業(yè)產(chǎn)品圖像之間進(jìn)行匹配和特征跟蹤。

設(shè)參考平面為[pn，kn]，求NCI的平均值的最大值估計(jì)三維點(diǎn)的位置，計(jì)算公式如下：

式中：[VP]代表三維點(diǎn);[D]代表歸一化的相關(guān)函數(shù);[F]代表工業(yè)產(chǎn)品圖像的子集合。根據(jù)上述定義，擴(kuò)展具有相同可見(jiàn)性的相鄰三維點(diǎn)的中心差值點(diǎn)，得到工業(yè)產(chǎn)品的密集點(diǎn)云。然后利用可視化約束，給定工業(yè)產(chǎn)品圖像的初始匹配，完成工業(yè)產(chǎn)品點(diǎn)云的建立。在此基礎(chǔ)上，選定工業(yè)產(chǎn)品特征，假設(shè)工業(yè)產(chǎn)品圖像函數(shù)分別為[fx，y]和[fixi，yi]，相關(guān)窗口大小為[2m+n×2m+n]，則[fx，y]和[fixi，yi]的互相關(guān)函數(shù)定義為：

式中，[na]，[ca]分別代表相似性函數(shù)。從上視圖中抽取窗口模板，與下視圖中對(duì)應(yīng)極線上的候選窗口進(jìn)行NCI計(jì)算，最后選出所有候選窗口對(duì)應(yīng)的NCI得分，公式為：

式中：[F]代表候選窗口得分;[Dq]代表圖像的線性參數(shù);[t]為圖像表面的三維數(shù)據(jù)點(diǎn);[g]為圖像的NCI得分。對(duì)比[F]的得分值，將得分最高的與窗口模板匹配。

在上述完成匹配后，完成工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)特征的檢測(cè)，通過(guò)工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)特征檢測(cè)獲取基礎(chǔ)工業(yè)設(shè)計(jì)的信息，為工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化提供基礎(chǔ)[10]。

2? 工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)特征優(yōu)化

構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化模型。在構(gòu)建過(guò)程中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)[11?13]。首先準(zhǔn)備基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)場(chǎng)景文件，明確工業(yè)設(shè)計(jì)的背景信息、貼圖和動(dòng)畫(huà)等要求，保證工業(yè)設(shè)計(jì)尺寸在三維場(chǎng)景中的觀察需要，減少計(jì)算機(jī)的運(yùn)行負(fù)載。確定模型場(chǎng)景輸出格式以及工業(yè)設(shè)計(jì)的輸出情況，得到與實(shí)際工業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)格相同的三維場(chǎng)景。在最后的EHF文件中獲取模型的相關(guān)資料，對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化模型，由于整個(gè)模型不能符合完整的設(shè)計(jì)要求，會(huì)形成具有不同差異的工業(yè)設(shè)計(jì)圖像模型。因此對(duì)其簡(jiǎn)化，根據(jù)整個(gè)模型的工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)圖像質(zhì)量情況，保證工業(yè)設(shè)計(jì)的圖像質(zhì)量，減少模型設(shè)計(jì)誤差，其具體表達(dá)公式為：

式中：[I1，I2]分別代表誤差控制前后的工業(yè)產(chǎn)品模型;[1M]代表控制優(yōu)化的模型參數(shù);[Li]為工業(yè)產(chǎn)品圖像質(zhì)量。

確定優(yōu)化模型的誤差符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)后，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獲取工業(yè)設(shè)計(jì)的詳細(xì)模型參數(shù)，并利用虛擬仿真的效果進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)與分析，獲取相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)。在構(gòu)建工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化模型后，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的圖形加速流程對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)模型深層次解讀。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化處理，按照工業(yè)設(shè)計(jì)模型的變化特征進(jìn)行處理，在實(shí)現(xiàn)模型信息實(shí)時(shí)顯示的基礎(chǔ)上，提高工業(yè)產(chǎn)品模型展示效果。從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)模型的全面數(shù)據(jù)編輯，利用式（5）完成模型加速。

式中：[dM]代表圖像的矢量長(zhǎng)度;[x-e]代表工業(yè)模型產(chǎn)品內(nèi)部[x]點(diǎn)到[e]點(diǎn)的距離參數(shù);[min]為優(yōu)化參數(shù)。根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)定方向參數(shù)，增強(qiáng)匹配的魯棒性，根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)特征對(duì)視覺(jué)優(yōu)化模型進(jìn)行針對(duì)性的判斷，以保證工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[14?15]。

3? 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.1? 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要包括Aiamond三維Fire GL顯卡，其使用256位圖形掃描器;硬盤(pán)選用SCSL硬盤(pán)，內(nèi)存為256 GB;大容量外置存儲(chǔ)設(shè)備;ADSL寬帶網(wǎng)絡(luò)調(diào)制解調(diào)器等。具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。

圖中，硬件主要接收相關(guān)的工業(yè)視覺(jué)信息;輸入輸出設(shè)備目的是通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等方式與虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)信息的交互作用，主要包括顯示器、操縱桿和數(shù)據(jù)手套等，與虛擬環(huán)境建立聯(lián)系;數(shù)據(jù)接口與被測(cè)試機(jī)器相連，實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)中，選取簡(jiǎn)單的工業(yè)設(shè)計(jì)、稍難的工業(yè)設(shè)計(jì)和復(fù)雜的工業(yè)設(shè)計(jì)各20個(gè)，分別采用傳統(tǒng)方法和本文設(shè)計(jì)方法對(duì)比。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

對(duì)比兩種工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)清晰度，清晰度最高為100%，清晰度越高，代表工業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化效果越好。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

由表1可知，傳統(tǒng)的方法在簡(jiǎn)單的工業(yè)設(shè)計(jì)中，清晰度較高，而對(duì)于稍難和復(fù)雜的工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)清晰度較差，不能展示出更多的工業(yè)設(shè)計(jì)。本文方法在簡(jiǎn)單的工業(yè)設(shè)計(jì)上的清晰度較高，對(duì)于稍難和復(fù)雜的工業(yè)設(shè)計(jì)上，工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)清晰度沒(méi)有降低，仍然能夠展示較多的工業(yè)設(shè)計(jì)信息。說(shuō)明此次應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)的工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化方法，能夠按照工業(yè)設(shè)計(jì)的變化特征進(jìn)行顯示與處理，呈現(xiàn)出更加清晰的工業(yè)設(shè)計(jì)效果。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)的工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)優(yōu)化方法比傳統(tǒng)方法的工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)清晰度更高，能夠提高工業(yè)設(shè)計(jì)視覺(jué)清晰度，可為工業(yè)設(shè)計(jì)提供一定的幫助，有助于推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展。

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