基于虛擬現實的藝術作品三維展示系統設計

摘要：藝術作品三維數據在獲取過程中由于受到環境等因素干擾，邊緣信息不完整，嚴重影響其三維展示效果。為解決這一問題，文章提出基于虛擬現實（Virtual Reality，VR）的藝術作品三維展示系統設計與應用。該方法首先使用VR頭盔和圖形處理單元渲染VR場景并實現交互；然后通過三維高斯濾波器平滑原始圖像并融合局部邊緣；最后利用灰度共生矩陣提取紋理特征，結合增強函數優化視覺，融合紋理特征圖，輸出藝術作品的三維立體展示。測試結果表明，當采用該系統對藝術作品進行三維展示時，系統分辨率較高，具備較高的視覺質量。

關鍵詞：虛擬現實；藝術作品；三維展示；系統設計；分辨率

中圖分類號：TP391 "文獻標志碼：A

0 引言

在文化藝術領域，傳統藝術作品的展示方式，如繪畫、雕塑、攝影等，雖然能夠呈現藝術的魅力，但是受限于物理空間和時間，展示效果和受眾的參與度通常受到限制。因此，探索藝術作品三維展示系統非常重要，不僅能夠突破傳統展示方式的局限，還能夠為觀眾帶來沉浸式的藝術體驗［1］。近年來，研究者們不斷探索和優化虛擬現實技術的實現方法，提高系統的穩定性和實時性，但其應用效果不佳［2］。在該背景下，文章提出了一種基于虛擬現實的藝術作品三維展示系統。

1 基于虛擬現實的藝術作品三維展示系統設計

1.1 基于虛擬現實的藝術作品三維展示系統硬件設計

本文所設計的藝術作品三維展示系統在硬件方面主要以展示層的VR頭盔為主，配備高性能圖形處理單元實現虛擬現實場景的渲染以及交互等操作。在藝術作品三維展示系統的硬件結構中，展示層是用戶與系統進行交互的直接界面，其核心設備為VR頭盔顯示器［3］。本文選用當前市面上較為成熟的VR頭盔，型號為HTC Vive Pro 2，通過采用該設備的精準頭部跟蹤功能，為用戶提供沉浸式的虛擬體驗。服務層負責處理虛擬現實場景中的渲染、交互等任務，主要包括高性能圖形處理單元和中央處理單元。對此，本文選用AMD的Radeon RX系列的CPU作為主要處理單元并配備AMD的Ryzen 7高性能處理器，以確保系統的流暢運行［4］。此外，為優化用戶的虛擬體驗效果，本文在服務層配置了虛擬現實定位追蹤模塊，將其連接到Lighthouse基站，從而對用戶的頭部以及手部動作進行追蹤。工具層以Dell Precision和HP Z系列的臺式機作為主要硬件支撐，用于執行系統的復雜3D建模以及紋理貼圖等任務。數據層負責存儲和管理虛擬現實藝術作品的相關數據，包括三維模型、紋理貼圖、音頻文件等。文章選擇存儲區域網絡（Storage Area Network，SAN）存儲設備以及Synology的DS系列網絡附加存儲硬盤作為主要設備，確保藝術作品相關數據的快速訪問和備份。在連接方式方面，展示層與服務層之間通過DisplayPort等高清視頻接口連接，服務層與工具層之間通過高速以太網連接，實現數據的快速傳輸和共享。數據層則通過以太網或光纖等高速網絡連接到服務層和工具層，提供穩定的數據存儲和訪問服務。綜上，本文完成所提系統的硬件架構設計。

1.2 基于虛擬現實的藝術作品三維展示系統軟件設計

1.2.1 藝術作品三維虛擬視覺圖像信息局部邊緣融合處理

考慮在藝術作品的三維展示中，局部邊緣的不連續或突兀現象可能會破壞虛擬現實技術帶來的沉浸式體驗，為了對這些干擾因素進行消除，本文針對藝術作品三維虛擬視覺圖像信息進行局部邊緣融合處理。本文選擇結合深度信息以及圖像三維特性，對圖像邊緣檢測進行指導［5］。首先本文采用平滑濾波器對三維圖像深度信息進行平滑處理，假設D（x，y，z）代表原始藝術作品三維虛擬視覺圖像，則圖像平滑表達式為：

Dsmooth（x，y，z）=D（x，y，z）G（x，y，z）（1）

其中，G（x，y，z）代表三維高斯濾波器，代表卷積操作，Dsmooth（x，y，z）代表濾波后的三維虛擬視覺圖像。然后，本文通過將深度梯度和顏色/紋理梯度進行加權組合，從而計算邊緣強度，具體計算公式為：

E（x，y）=αGcolor（x，y）+β（G2x+G2y）（2）

其中，Gcolor（x，y）代表顏色/紋理強度，α、β代表權重因子，主要用于平衡顏色/紋理梯度和深度梯度對邊緣強度的影響，Gx和Gy分別代表藝術作品三維虛擬視覺圖像在x和y方向上的梯度分量。在完成邊緣強度的計算后，本文設定2個閾值，完成圖像邊緣提取［6］。接下來，對于一組相鄰的邊緣，本文使用加權平均值來計算融合后的邊緣位置，則融合后的邊緣位置（xi′，yi′，zi′）表達式為：

（xi′，yi′，zi′）=∑i∈Niwi·（xi，yi，zi）∑i∈Niwi（3）

其中，Ni代表與主導邊緣相鄰的邊緣集合，wi代表每個相鄰邊緣的權重。通過上述步驟即可完成三維虛擬視覺圖像信息的局部邊緣融合處理。

1.2.2 藝術作品三維立體展示優化與輸出

在完成三維圖像的局部邊緣融合處理后，本文采用統計方法中的灰度共生矩陣對三維虛擬視覺圖像中的紋理特征進行提取，結合虛擬視覺增強函數，對藝術作品的三維立體展示進行優化以及輸出。首先，采用固定間隔的方式，從三維視覺圖像中選擇一系列具有代表性的二維切片。然后，對于每個灰度化的二維切片，應用灰度共生矩陣（Gray-level Co-occurrence Matrix，GLCM）來提取紋理特征。在該矩陣中，每個元素（i，j）表示在特定的方向和距離上其灰度級i與灰度級j相鄰的距離。對此，本文選擇對比度作為紋理特征指標，通過計算GLCM矩陣中的特定統計量，對其進行紋理特征提取，其公式如式（4）所示。

Cij=∑i，j（i-j）2·P（i，j）（4）

其中，P（i，j）代表GLCM中位于（i，j）處的值，Cij代表三維虛擬視覺圖像中的紋理特征值。在完成三維視覺圖像的紋理特征提取后，通過結合虛擬視覺增強函數，將圖像的灰度值映射到一個新的范圍，具體函數表達式如式（5）所示。

I′（x，y）=I（x，y）-min（I）max（I）-min（I）×（Inew-max-Inew-min）（5）

其中，I（x，y）代表原始三維視覺圖像中的灰度值，max（I）和min（I）分別代表灰度值的極大值和極小值，（Inew-min，Inew-max）代表新的灰度值映射范圍。在邊緣融合處理完成后，本文通過將提取的紋理特征與虛擬視覺增強函數相結合，以實現藝術作品的三維立體展示輸出。假設紋理特征圖為Fmap（x，y），如果該圖像與虛擬視覺增強函數增強后的圖像I′（x，y）均具有相同的尺寸，那么通過采用加權的方式，可以對融合后的輸出圖像進行計算，具體表達式如式（6）所示。

Ifused（x，y）=ω·Fmap（x，y）+（1-ω）·I′（x，y）（6）

其中，I′（x，y）代表虛擬視覺增強函數增強后的圖像，ω代表融合權重。通過上述過程即可完成對于藝術作品三維立體展示優化與輸出。

2 實驗論證

2.1 實驗準備

為驗證文章提出的基于虛擬現實的藝術作品三維展示系統在實際展示效果方面的優越性，該實驗選取基于語義點云的藝術作品三維展示系統以及基于Web技術的藝術作品三維展示系統作為對比方法，開展對比實驗。該實驗所選取的藝術作品二維圖像數據集內的圖像均為高分辨率圖像，以此數據集為基礎驗證3種方法性能。

2.2 視覺質量對比結果

該實驗以不同展示系統的視覺質量作為對比標準，具體衡量指標為不同藝術作品的分辨率，若分辨率越高，則系統對于作品的細節展示能力越高，其視覺質量越好。具體實驗對比結果如表1所示。

通過對比不同系統下的作品分辨率可以明顯看出，本文提出的基于虛擬現實的藝術作品三維展示系統設計與應用在視覺質量方面明顯高于2種常規的展示系統，作品展示結果的分辨率更高。

3 結語

文章通過結合虛擬現實技術，對藝術作品的三維展示方式進行了具體優化與分析。實驗結果表明，應用所提方法進行藝術作品的三維展示，其圖像分辨率遠優于2種對比方法。由此可證明，本文構建的三維展示系統可以為用戶帶來更為豐富的藝術體驗。觀眾可以在虛擬空間中與藝術作品進行互動，感受其背后的故事和情感狀態。這種全新的展示方式不僅拓寬了藝術作品的傳播渠道，還為觀眾提供了更加多元化、個性化的藝術欣賞選擇。

參考文獻

［1］陳彬.VR場景眼動交互下博物館產品設計三維展示系統［J］.科技通報，2024（4）：44-47.

［2］吳迪，李杰，仇多兵，等.基于語義點云的大場景實景三維展示系統研究［J］.測繪與空間地理信息，2024（3）：61-64.

［3］湯勁松.基于虛擬現實的城市規劃空間格局三維展示系統設計［J］.現代電子技術，2023（11）：66-70.

［4］張文騰.基于BIM+GIS+UE的城市軌道綜合交通樞紐三維可視化展示系統的設計與應用［J］.鐵路計算機應用，2023（4）：24-31.

［5］馬曉彤，祝雙武，陳夢琦.基于WebGL的面輔料三維虛擬展示系統設計［J］.紡織科技進展，2023（1）：43-48.

［6］魏銘毅.大型燃機智慧電廠三維展示系統設計與應用［J］.數字技術與應用，2022（12）：201-203.

（編輯 王雪芬編輯）

Design of 3D display system of art works based on virtual reality

WEI" Yanhong

（Liuzhou City Vocational College， Liuzhou 545001， China）

Abstract： The 3D data of art works is disturbed by environmental factors during the acquisition process， the edge information is incomplete， which seriously affects the 3D display effect. To solve this problem， this paper proposes the design and application of 3D display system based on virtual reality. This method firstly uses the VR headset and the graphics processing unit to render the virtual reality scenes and realize the interaction. Then， the original images are smoothed and the local edges are fused through a 3D Gaussian filter. Finally， the grayscale symbiosis matrix is used to extract the texture features， optimize the vision combined with the enhancement function， integrate the texture feature map， and output the 3D display of the art works. The test results show that the proposed system has a high resolution and a high visual quality when the proposed system is adopted to display the art works in 3D.

Key words： virtual reality; art works; 3D display;system design;resolution