三維高精度場景搭建技術在虛擬現實交互設計研發中的應用

姚又龍

摘要：由于傳統場景搭建技術對真實場景的還原度較低，文章針對三維高精度場景搭建技術在虛擬現實交互設計研發中的應用展開分析。本研究采集真實場景矢量數據并進行預處理，通過建模與渲染技術搭建三維高精度場景，基于語音識別技術實現虛擬現實交互方式。通過本文所提技術搭建的虛擬手術室場景模擬手術過程，該場景下手術器械的移動軌跡一直處于平滑穩定狀態，對語音文件的音素識別錯誤率為1.29%、詞匯識別錯誤率為1.02%，驗證三維高精度場景搭建技術在虛擬現實交互設計研發中具有較好的應用效果。

關鍵詞：三維高精度場景；場景搭建技術；虛擬現實；交互設計；應用分析

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：A

0 引言

隨著社會信息化程度的加深，虛擬現實技術獲得前所未有的進步與發展。虛擬現實技術能夠為用戶提供真實且靈活的視覺效果，可將空間效果以虛擬可視化場景呈現。通過虛擬現實技術的結合，原始二維的視覺宣傳形式轉變為三維可視性的形式，虛擬的三維場景與用戶之間具有更高的互動性，從而提升行業之間的市場競爭力。虛擬現實技術的關鍵在于如何協調虛擬環境與用戶之間的交互難題，確保真實場景的三維動態可視化呈現更好效果^［1］。國內有多位專家針對虛擬場景中的交互方式進行研究，但在進行場景搭建的過程中對場景的還原度較低，虛擬環境與用戶之間的交互效果，難以滿足用戶在虛擬場景中對沉浸式人機交互行為的需求。因此，本文針對三維高精度場景搭建技術在虛擬現實交互設計中的應用展開研究。

1 采集真實場景矢量數據

本文通過參考地圖來實時采集并更新真實場景的矢量數據，該方法更智能化，能夠自動獲取真實場景矢量數據^［2］。數據源主要包含真實場景的地理、遙感影像以及拓撲這三類矢量數據。其中，地理矢量數據是真實場景矢量數據的核心，遙感影像矢量數據和拓撲矢量數據則便于在搭建三維場景^［3］過程中快速找到目標區域。真實場景矢量數據源的采集過程如下式所示。

式中，S表示真實場景矢量數據源；S₁表示真實場景地理矢量數據；α₁表示包含真實場景地理特征的矢量數據；z（x₁，y₁）表示地理矢量數據節點坐標；S₂表示真實場景的遙感影像矢量數據；α₂表示包含真實場景遙感影像特征的矢量數據；z（x₂，y₂）表示遙感影像矢量數據節點坐標；S₃表示真實場景的拓撲矢量數據；α₃表示包含真實場景拓撲特征的矢量數據；z（x₃，y₃）表示拓撲矢量數據節點坐標；α₀表示無用數據。將采集的真實場景矢量數據源存儲至地圖服務數據庫中，參考各類矢量數據的特點，為其配置相應功能，作為三維高精度場景^［4］搭建的數據支撐。

2 預處理矢量數據

由于遙感影像矢量數據與地理矢量數據之間可能存在一定偏移誤差，為保障三維場景搭建的精度^［5］，本文通過對遙感影像矢量數據與地理矢量數據的配準來剔除二者之間偏移誤差。根據同名控制點對真實場景的地理矢量數據進行切分，利用局部地理矢量數據與遙感影像矢量數據之間的映射函數，來實現二者的配準。通過DBSCAN算法聚類獲得地理與遙感影像矢量數據同名點的偏移誤差中心點，并將該點當作初始的離散點，從而實現地理矢量數據的切分操作。DBSCAN算法利用數據點空間分布的緊密程度來獲得各聚類簇，假設真實場景的地理矢量數據控制點為D₁，遙感影像矢量數據控制點為D₂，那么二者之間的幾何誤差的表達式為：

式中，（W·x，W·y）表示真實場景地理矢量數據與遙感影像矢量數據之間的同名控制點。通過DBSCAN聚類獲得各局部矢量數據的誤差區域，然后結合矢量數據點的空間分布情況，將偏移誤差較大的數據同名點剔除，再通過剩下的同名點來構建泰森多邊形，即可實現真實場景地理矢量數據的切分^［6］。

切分后的真實場景局部地理矢量數據進行幾何糾正后，會造成連接線斷裂，所以本文通過仿射變換對局部數據進行拼接，進而實現整體數據的配準。設置一個合適的閾值，根據該閾值將處于分割線相交的矢量數據篩選出來；利用式（3）對局部矢量數據進行配準操作：

式中，（X¹_n，Y¹_n）表示配準前的真實場景矢量數據中第n個數據節點的坐標；（X²_n，Y²_n）表示配準后的真實場景矢量數據中第n個數據節點的坐標；（X_n，Y_n）表示配準后并進行光滑處理的真實場景矢量數據中第n個數據節點的坐標；m表示真實場景矢量數據節點的數量。根據式（3）對真實場景^［7］局部地理矢量數據與影像矢量數據進行配準，再將配準結果拼接，即可實現整體真實場景矢量數據的配準。

3 搭建三維高精度場景

三維高精度場景的搭建過程主要分為構建模型與渲染場景兩個步驟^［8］，在確保模型層次細節的基礎上選取Solidworks軟件作為建模工具。該軟件功能強大，可在實現精細化建模的同時，最大程度降低三維模型復雜度，節約占用資源^［9］。場景渲染可為三維模型添加紋理、燈光及陰影等效果，提升虛擬現實交互的真實感^［10］。當虛擬設備中輸入變換的場景數據，需要利用變換矩陣將場景中Camera的視角進行更新^［11］，那么Camera自身位置的計算公式為：

式中，C表示三維場景中Camera位置；L表示三維場景中Camera位置C與目標物體位置C₁之間的距離；C₀表示整個虛擬場景的視角位置；J表示變換矩陣。通過控制Camera的方式即可實現三維高精度場景的實時驅動，在后續虛擬現實交互過程中也需利用Camera位置的更新來實現視角的轉換。

4 設計虛擬現實交互方式

語音交互是用戶通過語音指令來啟動并控制虛擬的三維場景^［12］，而三維場景需具備高效的語音識別功能，才能對用戶的語音指令進行精準判斷^［13］。此方式對語音信號進行轉換與提取，提取出的數字化語音信號穩定性較差，需將信號相關的聲學特征進行提取。聲學特征可呈現用戶語音的音質、音準等特征，是三維虛擬場景^［14］識別用戶語音的關鍵指標，提取出的語音信號MFCC特征可呈現出用戶語音指令的動態特征，根據該特征進行識別，即可達到預期的虛擬場景交互效果。

依據失真度最小原則，通過輸入語音信號與數據庫模板中信號的逐一比對，獲取最接近模板的識別結果^［15］，通過虛擬設備來應答反饋用戶指令，從而達到人機交互目的。

5 實例應用

選取基于草繪圖的三維場景搭建技術與基于OSGEarth的三維場景搭建技術作為實驗對照組，分別使用這3種技術搭建一個相同的虛擬手術室場景，讓實驗員于虛擬場景中進行模擬手術，在整個手術過程中，實驗員先操作手術器械與軟組織進行交互操作，再與較硬的骨頭進行交互操作，最后回到軟組織。根據各場景下手術器械移動軌跡來比較其穩定性，獲得結果如圖1所示。

由圖1可知，在利用草繪圖技術搭建的三維手術室場景中，手術器械的移動軌跡穩定較差，難以按照期望的軌跡進行平滑移動。在利用OSGEarth技術搭建的三維手術室場景中，在與軟組織進行交互操作時，手術器械可以按照預定軌跡平滑移動，當遇到硬度較大的骨頭時，手術器械的移動軌跡出現波動，三維虛擬場景難以維持交互穩定性。在本文所提技術搭建的三維手術室場景中，無論是與軟組織還是硬度較大的骨頭進行交互操作，手術器械的移動軌跡均保持平滑穩定狀態，說明本文在虛擬現實交互設計研發中搭建的三維高精度場景具有良好的穩定性，可以有效支撐用戶與虛擬場景進行交互。

為進一步判斷三維高精度場景搭建技術在虛擬現實交互設計研發中的應用效果，隨機錄制并制作3個語音文件，將其分別輸入文中上述3個虛擬手術室場景中，進行語音識別實驗，獲得識別結果如表1所示。

由表1可知，本文所提技術搭建的三維高精度場景對語音文件的音素識別錯誤率平均為1.29%，較對照組降低2.31%，5.44%，詞匯識別錯誤率平均為1.02%，較對照組降低3.7%，7.68%，說明本文所提技術具有更高精度的語音識別準確率，該虛擬場景下的人機交互性能更優越。綜上所述，三維高精度場景搭建技術在虛擬現實交互設計研發中的應用效果良好，可為用戶提供一個穩定且真實的虛擬體驗。

6 結語

為提高三維場景中對真實場景的還原度，本文對三維高精度場景的搭建技術進行詳細分析，將其應用于虛擬現實交互設計研發中，并應用本文所提技術搭建虛擬手術室場景，模擬手術過程，對三維手術室場景進行了高精度還原。此技術對語音文件的音素和詞匯識別錯誤率較低，有效實現虛擬現實交互，證明應用本文技術搭建的三維高精度場景具有良好的穩定性，可為用戶呈現出具有真實感的視覺三維的動態體驗。

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（編輯 王永超）

Application analysis of 3D high-precision scene construction technology in virtual reality interaction design and development

Yao Youlong

（Jinan Vocational College， Jinan 250103， China）

Abstract： Due to the low reduction degree of traditional scene construction technology to real scenes， the application of three-dimensional high-precision scene construction technology in the research and development of virtual reality interaction design is analyzed. In this study， the vector data of the real scene was collected and preprocessed， and the 3D high-precision scene was built through modeling and rendering technology， and the design of virtual reality interaction mode was realized based on speech recognition technology. Through the proposed technology in this paper to build a virtual operating room scene simulation operation process， the scene of surgical instruments moving trajectory has been in a smooth and stable state， the voice file phoneme recognition error rate is 1.29%， vocabulary recognition error rate is 1.02%， and verify 3D high precision scene building technology in virtual reality interaction design development has a good application effect.

Key words： three-dimensional high-precision scene; scene building technology; virtual reality; interaction design; application analysis