基于虛擬現(xiàn)實(shí)的混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息 自由切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黨銳

摘? 要： 現(xiàn)有的混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)存在著切換速率高、系統(tǒng)可靠性差的缺陷，為了解決上述問題，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件主要由濾波器、三維虛擬場(chǎng)景編輯器、切換器以及控制器組成;系統(tǒng)軟件主要分為兩部分，分別為三維虛擬場(chǎng)景搭建與混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息切換程序編寫。通過系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)的運(yùn)行。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與現(xiàn)有的混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)的混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)極大地提升了切換速率與系統(tǒng)可靠性，充分說明設(shè)計(jì)的混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)具備更好的信息切換效果。

關(guān)鍵詞： 導(dǎo)覽信息切換; 混合式移動(dòng)導(dǎo)覽; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 程序編寫; 虛擬場(chǎng)景搭建

中圖分類號(hào)： TN99?34; G255? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）03?0010?04

Design of hybrid mobile guiding information free switching system

based on virtual reality

DANG Rui

（Chengdu Technological University， Chengdu 610031， China）

Abstract： Since the existing hybrid mobile guiding information free switching system has the defects of low switching rate and poor system reliability， the virtual reality （VR） technology is introduced into the design of the hybrid mobile guiding information free switching system. The system hardware is mainly composed of filter， 3D virtual scene editor， switcher and controller， while the system software is mainly composed of construction of 3D virtual scene and the compilation of hybrid mobile guiding information switching program. The operation of hybrid mobile guiding information free switching system is realized by the design of system hardware and software. The experimental results show that， in comparison with the existing hybrid mobile guiding information free switching system， the switching rate and system reliability of the designed hybrid mobile guiding information free switching system has been greatly improved， which fully demonstrates that the designed system has better information switching effect.

Keywords： guiding information switching; hybrid mobile guiding; system design; VR technology; program compilation; virtual scene construction

0? 引? 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，景觀、公園以及展覽的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，采用人工或者標(biāo)識(shí)牌的方式無法滿足用戶的需求。并且隨著規(guī)模的增大，導(dǎo)覽信息類型也在逐漸增加，傳統(tǒng)的導(dǎo)覽無法對(duì)信息進(jìn)行全面的展示，因此，如何對(duì)混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息進(jìn)行全面的展示成為現(xiàn)今研究的重點(diǎn)課題之一。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，將混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息進(jìn)行自動(dòng)切換可以滿足現(xiàn)今用戶的需求，因此對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的研究[1]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)均進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。但是，就現(xiàn)有的混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)來看，均存在著切換速率高、系統(tǒng)可靠性差的缺陷，無法滿足現(xiàn)今社會(huì)的需求。為了解決上述問題，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）主要是將計(jì)算機(jī)、仿真技術(shù)以及電子信息進(jìn)行有效的整合，以計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境給人以環(huán)境沉浸感來實(shí)現(xiàn)[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性、自主性的特點(diǎn)。

近幾年，我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也被應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，可以極大地改善混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息切換系統(tǒng)的性能，并設(shè)計(jì)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試與分析[3]。

1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以提升混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)性能為目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括濾波器、三維虛擬場(chǎng)景編輯器、切換器以及控制器[4]。具體的硬件設(shè)計(jì)過程如下所示。

1.1? 濾波器

混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)屬于典型的混雜系統(tǒng)，其中包含的混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息眾多，在導(dǎo)覽信息采集的過程中，由于設(shè)備自身因素以及環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致導(dǎo)覽信息中含有大量的干擾信息。另外，隨著時(shí)間的推移，其導(dǎo)覽范圍在不斷擴(kuò)大，導(dǎo)覽內(nèi)容也在不斷更新，因此，需要對(duì)導(dǎo)覽信息中的干擾信息進(jìn)行濾除，還要對(duì)導(dǎo)覽信息進(jìn)行及時(shí)的更新與補(bǔ)充[5]。

濾波器主要是由電容、電感與電阻組成的濾波電路。濾波器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

依據(jù)上述參數(shù)對(duì)濾波器進(jìn)行選擇，濾波器示意圖如圖1所示。

1.2? 三維虛擬場(chǎng)景編輯器

三維虛擬場(chǎng)景編輯器功能主要包括景觀、公園以及展覽的地形動(dòng)態(tài)生成與修改、場(chǎng)景攝像機(jī)定義、霧化場(chǎng)景模擬、三維模型動(dòng)態(tài)加載與修改、多重地面貼面特效、場(chǎng)景渲染等[6]。根據(jù)系統(tǒng)的具體需求對(duì)三維虛擬場(chǎng)景編輯器進(jìn)行選擇，三維虛擬場(chǎng)景編輯器示意圖如圖2所示。

1.3? 切換器

切換器的主要任務(wù)是對(duì)輸入、輸出信號(hào)或者信息進(jìn)行切換。切換器具有自保護(hù)、波特率不同等特性[7]。切換器參數(shù)設(shè)置如表2所示。

1.4? 控制器

控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，為了滿足系統(tǒng)的控制需求，選擇FPGA控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制[8]。FPGA控制器具有高容量、高速、高帶寬的特性。FPGA控制器核心板尺寸為60 mm×60 mm，其I/O接口設(shè)置為168個(gè)[9]。FPGA控制器示意圖如圖3所示。

通過上述過程完成了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，為軟件設(shè)計(jì)提供支撐。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要分為兩部分，分別為三維虛擬場(chǎng)景搭建與混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息切換程序編寫[10]。

2.1? 三維虛擬場(chǎng)景搭建

為了對(duì)三維虛擬場(chǎng)景進(jìn)行搭建，首先對(duì)導(dǎo)覽區(qū)域信息進(jìn)行采集[11]。通過傳感器對(duì)導(dǎo)覽區(qū)域信息進(jìn)行采集，得到導(dǎo)覽信息為：

式中，[x，y，z]表示的是導(dǎo)覽區(qū)域的三維信息。

依據(jù)獲取的導(dǎo)覽信息將其一一映射到三維虛擬模型中，同時(shí)獲取相應(yīng)的三維虛擬模型參數(shù)。就目前來看，三維虛擬模型參數(shù)獲取方式主要分為五種：一是依據(jù)區(qū)域矢量圖、資料對(duì)參數(shù)進(jìn)行獲取;二是利用無人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行獲取;三是利用高分辨率遙感技術(shù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行獲取;四是利用激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行獲取;五是利用實(shí)地調(diào)研方式對(duì)參數(shù)進(jìn)行獲取[12]。

在三維虛擬場(chǎng)景搭建過程中，核心就是對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景的可視化，采用投影技術(shù)對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程為：

式中：[N]，[H]分別表示視點(diǎn)坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo);[β]，[L]表示夾角;[e]表示偏心率。

通過上述過程完成三維虛擬場(chǎng)景的搭建，為下述混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息的自動(dòng)切換做準(zhǔn)備[13]。

2.2? 混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息切換程序編寫

以上述搭建的三維虛擬場(chǎng)景為基礎(chǔ)，采用控制器對(duì)混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息進(jìn)行自動(dòng)切換。該系統(tǒng)主要是通過控制信號(hào)對(duì)導(dǎo)覽信息進(jìn)行自由切換[14]。

混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息切換程序如圖4所示。

如圖4所示，繼電器在導(dǎo)覽信息切換中扮演著重要的角色，其狀態(tài)情況如表3所示。

通過上述系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)的運(yùn)行，滿足用戶的多樣化需求[15]。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

上述過程中實(shí)現(xiàn)了混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，為了驗(yàn)證其是否可以解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試與分析。

在仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)過程中，主要采用設(shè)計(jì)系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過第三方軟件對(duì)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄與對(duì)比分析。主要利用切換速率與系統(tǒng)可靠性指標(biāo)來評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過程如下所示。

3.1? 切換速率對(duì)比分析

通過實(shí)驗(yàn)得到切換速率對(duì)比情況，如表4所示。

由表4可知，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的切換速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有系統(tǒng)，其最大值可以達(dá)到95%。

3.2? 系統(tǒng)可靠性對(duì)比分析

系統(tǒng)可靠性直接決定著系統(tǒng)性能的好壞，可靠性參數(shù)越高，表示系統(tǒng)可靠性越好。通過實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)可靠性參數(shù)對(duì)比情況如圖5所示。圖5中，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有系統(tǒng)，其最大值可以達(dá)到7.6。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)極大地提升了切換速率與系統(tǒng)可靠性，充分說明設(shè)計(jì)的混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)具備更好的信息切換效果。

4? 結(jié)? 語

本文設(shè)計(jì)的混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)極大地提升了切換速率與系統(tǒng)可靠性，可以滿足用戶多樣化的需求。但是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的切換速率與系統(tǒng)可靠性依然存在著較大的上升空間，為此需要對(duì)混合式移動(dòng)導(dǎo)覽信息自由切換系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究與優(yōu)化。

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