交互场景下的动态环境设计系统开发应用

赵雅慧 杨梦婷

摘  要： 针对原有系统响应时间较长，导致无法满足用户需求的问题，开发基于交互场景下的动态环境设计系统。在原有硬件结构的基础上，优化中控电路模块，采用Cortex?M4型号内核芯片，配合外设接口资源。采用SURF特征描述方法，在交互场景中利用静止物体特征点，匹配动态环境特征，完成姿态位置估计。还原成像关系示意图，计算特征向量，区分动静态特征，利用计算机程序实现动态环境设计系统的开发。设计对照实验，利用Framer Studio软件模拟系统运行状态，测试系统性能。实验结果表明，所开发的系统运行响应时长与原有系统相比明显缩短，能够充分满足用户需求。

关键词： 动态环境设计; 交互场景; 中控电路; 特征描述; 系统设计; 响应时长

中图分类号： TN99?34; TP273.5                    文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2020）13?0123?03

Development and application of dynamic environment design system

based on interactive scenes

ZHAO Yahui1， YANG Mengting2

（1. Hubei University of Technology， Wuhan 430000， China; 2. Hubei Vocational College of Bio?Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： Since the original system has a long response time and cannot meet the needs of users， a dynamic environment design system based on interactive scenes is developed. On the basis of the original hardware structure， the central control circuit module is optimized. Kernel chip Cortex?M4 is adopted to match with the peripheral interface resources. SURF feature description method is adopted. In the interactive scene， feature points of a stationary object are used to match the features of the dynamic environment to complete the pose position estimation. After the schematic diagram of the imaging relationship is restored， the feature vectors are calculated to distinguish the dynamic and static features. On the basis of the above， the dynamic environment design system is developed with the computer program. Contrastive experiments were designed and Framer Studio software was used to simulate the running state of the system and test the performance of the system. The experimental results showed that the running response time of the developed system is significantly shorter than that of the original system and can fully meet the needs of the users.

Keywords： dynamic environment design; interactive scene; central control circuit; feature description; system design; response time

0  引  言

場景交互技术属于虚拟现实技术的一个分支，受到人们的广泛关注，其涉及多个科学研究领域，包含了多媒体技术、网络技术、计算机感知以及图像学技术等，是当前十分热门的尖端技术。场景通常是指用户在某个特定的时间以及地点，为了满足某种需求而发送特定指令所实施的行动画面[1?3]。其中，用户作为场景的主体，其属性直接决定了用户需求，而对其属性的了解，能够帮助理解用户在某特定场景下所完成的行动。但需要注意的是，用户需求的背后通常还存在着更深层次的真实需求，而用户所提出的只是其深层次需求的解决方案当中所缺少的一个环节[4]。交互场景通常描述的是产品被用户使用过程中的场景，以及对于操作流程或所使用工具的描述。在交互场景下完成动态环境设计，能够更好地从用户需求定位产品，分析目标人群，结合交互原理，开发出更加贴合用户需求的系统[5?7]。

1  动态环境设计系统中控电路优化

动态环境系统的硬件功能部分分为中控板以及外设两个部分，为保证动态环境系统软件部分的正常运行，需要对原有硬件当中的中控电路板电路适当优化。其具体框架如图1所示。

图1中，采用Cortex?M4型号内核芯片，该芯片是一种高效率单片同步降压型DC/DC转换器，能够输出高达2 A的电流，使用23 V的输入电压，达到了宽负载和输出瞬态响应之间的优化，实时保护周期性电流限制[8?9]。在其中加入饱和运算指令、单指令数据操作等，对上电、掉电复位及时处理，以此适应其外设接口资源，为后续的应用扩展提供支持。

2  交互场景下的动态环境设计系统软件设计

2.1  功能模块总体设计

系统的软件部分开发主要是为了实现场景的交互，并满足用户对于动态环境的设计需求，系统所包含的软件功能模块如图2所示。

如图2所示，系统在初始化的过程当中，其登录界面是唯一一个对外窗口，以此保证系统的安全性，在用户成功登录后，系统将会自动完成初始化设置，其中包括状态参数的配置、面板窗口的设置调节，以及数据库的打开等。在初始化阶段打开数据库，能够有效提高CPU的利用率，避免由于数据库的反复打开而严重浪费内存，并造成溢出的情况发生[10?11]。为系统程序的后续运行提供保障，从而实现动态环境设计。

2.2  基于交互场景下的环境特征匹配

对于动态环境设计而言，其核心主要在于特征的提取以及匹配，采用SURF特征描述方法，以交互场景当中的特征点为基准，选取其20倍的尺度距离作为邻域边长，在保证特征点旋转不变性的前提下，按照其主方向旋转[12]，将该环境范围划分成面积相等的16个子邻域，具体如图3所示。

如图3的子邻域当中，分别使用[m]方向以及[n]方向的Haar小波特征算子，得到动态环境中的Haar小波特征，并在所得到的结果当中计算的数值，作为该子邻域的区域特征。则每个特征点的特征描述便是其16个子邻域所组成的64维特征向量。由于特征点的提取过程当中并不存在方向性以及尺度，为此将提取过程当中，邻域圆周上响应值最大的像素点所对应的特征点与中心点的方向作为主方向，将尺度设置为1，完成特征描述的匹配。

2.3  动态特征区分

在环境特征的匹配完成后，利用匹配好的特征点计算动态位置以及姿态变化。但在动态环境当中，有可能会存在处于运动状态的物体，其动态特征点将会严重影响到视觉角度的估计。一旦有运动物体从视觉范围中经过，则会直接导致视觉里程计有误差产生[13?14]。为此需要依靠动态环境中静止物体上的特征点完成姿态位置估计。分割所提取的特征点，保留静态特征点，将运动物体上的动态特征剔除，其具体成像关系如图4所示。

式中：[q1]为[K1]中的一个特征点;[q2]為[q1]在[K2]中所对应的特征点。

式中：像素点[x1]与[x2]表示归一化平面上的坐标;[t^]表示[t]的反对称矩阵;[t^x2]表示同时垂直于[t]以及[x2]的垂直向量。

由上述计算能够得知，在静态环境当中，存在于图像中的全部特征点都能够满足对极约束。利用这一特性，能够在动态环境中将静态特征与动态特征相区分，并在此基础上实现动态环境设计系统的开发应用。

2.4  动态环境设计系统实现

在交互场景下完成环境特征的匹配，并将静态特征与动态特征准确区分后，利用计算机程序实现动态环境设计系统的开发，其部分关键代码如下：

{

fi_sum=sum（fi）;

fi_Size=（Oderfi/fi_sum）*Size;

}

通过上述关键代码实现动态环境信息的匹配，将场景交互与用户需求结合在一起，通过用户与场景之间信息数据的相互转换[15]，完成交互场景下的动态环境设计系统开发。

3  系统功能测试

为了检验所开发的交互场景下的动态环境设计系统的实现成果，确保该系统的功能可以满足预期中的设计需要，设计仿真对照实验，检测系统功能模块，将检测结果与原有的系统测试结果对照分析，完成系统功能测试。

3.1  测试准备过程

由于过程中需要模拟交互性场景下的实验环境，为此利用Framer Studio移动交互原型设计工具，以保证实验的顺利完成。但Framer Studio目前仅支持Mac平台操作，为此实验选用MUHR2CH/A型号计算机作为实验平台，其硬盘容量为256 GB SSD，四核处理器CPU速度为1.40 GHz，能够满足实验需求，支持Framer Studio的正常运行，其具体模拟过程如图5所示。

根据上述准备过程，模拟交互场景下的动态环境设计系统运行过程，通过计算机程序的自动分析，得到模拟结果，并将其与原有系统的运行分析结果相对照。

3.2  测试结果分析

通过Framer Studio软件模拟所设计系统的运行过程，检测其运行状态，得到其在1 s内访问量从0～1 625之间的响应时长，并与原有系统相对照，所得结果如图6所示。

由图6可知：与原有系统在相同条件下的响应时长相对比，能够明显看出，当用户访问量较低时，两者之间的响应时长差距并不明显。但随着访问量的逐渐增多，原有系统的响应时长曲线幅度明显增大，表示其系统性能无法满足用户需求，而所设计的系统与原有系统相比较，其曲线变化幅度较小，平均响应时长明显优于原有系统，由此可见，所开发的交互场景下的动态环境设计系统性能更佳。

4  结  语

本文将交互场景与动态环境设计相结合，使用户的使用感受得到满足，采用SURF特征描述方法，将动态环境划分为相等的多个子区域，寻找其动态特征，为用户带来更好的交互体验。实验结果表明，所开发的系统运行响应时长较原有系统有着明显缩短，能够为用户带来更好的使用体验。

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