基于三維視覺的室內(nèi)環(huán)境感官設(shè)計建模研究

高婧泉

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

通常進行室內(nèi)環(huán)境設(shè)計時，需對環(huán)境進行一系列標(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)境進行視覺數(shù)據(jù)采集時過程十分復(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)可彌補上述不足。感官體驗?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。我國當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境設(shè)計離不開感官體驗配合，為增加真實感，需建立感官體驗?zāi)Ｐ汀鹘y(tǒng)建模方法僅針對某一個感官模塊進行建模分析，受到其他干擾因素影響，導(dǎo)致用戶體驗效果較差，無法保證用戶能夠真實感受實際環(huán)境。因此，提出了一種視覺欣賞下小型室內(nèi)環(huán)境感官體驗建模研究，并進行實驗分析。

一、建模原理

在視覺欣賞下實現(xiàn)小型室內(nèi)環(huán)境感官體驗建模，需結(jié)合多個科學(xué)交叉性質(zhì)，使人們能夠在模擬世界中真實體驗到現(xiàn)實設(shè)計結(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)計能夠通過感官體驗給用戶帶來真實感覺，而用戶也可通過視覺、聽覺和觸覺對虛擬環(huán)境進行交互。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，利用計算機構(gòu)建虛擬空間，分別從視覺、聽覺和觸覺三方面進行建模分析，可實現(xiàn)虛擬環(huán)境場與交互方式相融合感官體驗。

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，再使用直接法提高位姿估計精度。相關(guān)文獻表明，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，可以有效剔除長時間不穩(wěn)定的點。其次，初始化圖像，依據(jù)基礎(chǔ)矩陣F 恢復(fù)相機運動，獲取相機的初始位姿信息，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。由圖1b）所示：假設(shè)要優(yōu)化POS3，就需要同時優(yōu)化相鄰的關(guān)鍵幀POS2。在回環(huán)監(jiān)測時，要根據(jù)誤匹配的數(shù)量進行優(yōu)化，否則會影響模型精度?；谌S視覺的室內(nèi)環(huán)境感官設(shè)計模型流程如圖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。最后得到的空間點是稀疏的，若出現(xiàn)此現(xiàn)象，可以不重建空間點，但是要重建所有關(guān)鍵幀的像素點，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)境進行控制，為提高感官體驗真實感，研制觸摸裝置用于采集用戶基本行為動作。虛擬環(huán)境空間中物體運動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 軸水平運動；第二類為沿著X 軸、Y 軸和Z 軸旋轉(zhuǎn)運動。通過控制兩類自由度即可實現(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)，那么就會給用戶帶來真實感官體驗。從用戶感官角度進行信號采集，其中主要采集內(nèi)容有：1.視覺信號采集：通過計算機技術(shù)構(gòu)建虛擬空間，在該空間中的影像與物體會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)域進行視覺信號采集；2.聽覺信號采集：對產(chǎn)生聲音進行播放，要求聲音具有一定方向感，因此，可通過立體聲音方位、距離進行聽覺信號采集；3.觸覺信號采集：用戶進行一系列行觸覺信號采集。

四、觸覺設(shè)計

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、認識事物、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，通過分析研究用戶的觸覺體驗而進行的設(shè)計即為觸覺設(shè)計。由于觸覺的直接性能夠?qū)⒆钫鎸嵉母惺軅鬟f給使用者，因此將觸覺設(shè)計融入室內(nèi)設(shè)計中，運用獨特的材質(zhì)、不同的色彩以及特殊的造型，使體驗者在生理和心理上有所感受。

五、聽覺體驗建模

通過三維聲音建模工具建立聽覺感官體驗?zāi)Ｐ?，具體內(nèi)容如下所示：在對環(huán)境中的物體進行建模時，需先提取幾何信息，通過用戶具體行為確定動作開始與停止的聲音數(shù)值，將該數(shù)值與幾何信息進行匹配，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)能實時產(chǎn)生渲染的三維立體聲音，為充實用戶聲音體驗感知交互增添內(nèi)容。

結(jié)語：通過研究基于機器視覺的室內(nèi)環(huán)境感官設(shè)計模型存在的問題，提出一種新的基于三維視覺的室內(nèi)環(huán)境感官設(shè)計模型，該模型適合用于室內(nèi)環(huán)境建圖，可以匹配多個空間點，限制遠距離空間點之間的矛盾。文章的創(chuàng)新之處在于，在實驗中，提出一種評價方法，對空間點深度值進行評價，檢測兩個模型剔除空間點的準(zhǔn)確率。實驗結(jié)果表明，所提模型可以有效提高配準(zhǔn)精度。