基于三维视觉的室内环境感官设计建模研究

高婧泉

（辽宁城市建设职业技术学院，辽宁 沈阳 110122）

通常进行室内环境设计时，需对环境进行一系列标准化模拟，使用虚拟技术来模拟环境空间，由于利用该技术对室内环境进行视觉数据采集时过程十分复杂，导致数据采集精准度较低，因此，通过视觉感官技术可弥补上述不足。感官体验模块包括视觉模块、听觉模块、触觉模块、味觉模块和嗅觉模块，其中视觉模块是通过人眼所看到的视频、色彩和形状；听觉模块是通过耳朵听到的声音；触觉模块是通过身体接触来感知；味觉模块是通过尝试不同菜品和饮料来获取味道；嗅觉模块是通过鼻子闻到的气味，这五种感官共同构成综合体验。我国当前室内环境设计离不开感官体验配合，为增加真实感，需建立感官体验模型。传统建模方法仅针对某一个感官模块进行建模分析，受到其他干扰因素影响，导致用户体验效果较差，无法保证用户能够真实感受实际环境。因此，提出了一种视觉欣赏下小型室内环境感官体验建模研究，并进行实验分析。

一、建模原理

在视觉欣赏下实现小型室内环境感官体验建模，需结合多个科学交叉性质，使人们能够在模拟世界中真实体验到现实设计结果，该过程具备一种交互性和想象性。在模拟世界中室内环境设计能够通过感官体验给用户带来真实感觉，而用户也可通过视觉、听觉和触觉对虚拟环境进行交互。将具备一种传输功能传感装置作为用户与虚拟环境之间纽带，利用计算机构建虚拟空间，分别从视觉、听觉和触觉三方面进行建模分析，可实现虚拟环境场与交互方式相融合感官体验。

二、室内环境感官模型

完成室内环境三维视觉空间点的匹配后，使用ElasticFusion 算法构建室内环境感官模型。建模流程如下：首先，使用ElasticFusion 算法直接优化空间点，再使用直接法提高位姿估计精度。相关文献表明，ElasticFusion 算法构建的三维视觉模型精度较高，尤其是在匹配过程中，可以有效剔除长时间不稳定的点。其次，初始化图像，依据基础矩阵F 恢复相机运动，获取相机的初始位姿信息，再使用欧氏算法优化获取结果，如图1 所示。

需要注意的是，在初始化时所有关键帧除了第1 帧外都要参与优化。获取关键帧后，使用ElasticFusion 算法求取关键帧相对位姿，并根据局部优化结果优化关键帧位姿估计。由图1b）所示：假设要优化POS3，就需要同时优化相邻的关键帧POS2。在回环监测时，要根据误匹配的数量进行优化，否则会影响模型精度。基于三维视觉的室内环境感官设计模型流程如图2 所示。

完成所有三维视觉关键帧优化后，借助最终优化的关键帧数据，重建室内环境空间点。最后得到的空间点是稀疏的，若出现此现象，可以不重建空间点，但是要重建所有关键帧的像素点，这样才能获得室内环境三维图像。具体流程：先创建新线程，用于判定插入的关键帧，若获取的关键帧为RGB 图像，要根据对应的时间戳索引获取深度图像帧，最后融合RGB图像与深度图像。将得到的感知信息进行回环监测，由此得到三维视觉图像的关键帧位姿变换矩阵，运用式求取完整的室内环境三维图像。

由此完成基于三维视觉室内环境感官设计模型的研究。

三、信号采集

通过外设传感装置采集输入信号，利用该信号对虚拟环境进行控制，为提高感官体验真实感，研制触摸装置用于采集用户基本行为动作。虚拟环境空间中物体运动自由度可分为两大类，共6种，其中第一类为顺着X轴、Y 轴和Z 轴水平运动；第二类为沿着X 轴、Y 轴和Z 轴旋转运动。通过控制两类自由度即可实现对室内环境与虚拟空间的交互处理，如果用户输入行为信号分别与这6 种自由度相对应，那么就会给用户带来真实感官体验。从用户感官角度进行信号采集，其中主要采集内容有：1.视觉信号采集：通过计算机技术构建虚拟空间，在该空间中的影像与物体会随着用户视角变化而发生改变，因此，可从输出镜头可视区域进行视觉信号采集；2.听觉信号采集：对产生声音进行播放，要求声音具有一定方向感，因此，可通过立体声音方位、距离进行听觉信号采集；3.触觉信号采集：用户进行一系列行触觉信号采集。

四、触觉设计

触觉是感知器官中相对直接地感受与反馈外在的事物的、感性与主观因素的综合载体。放松肌体、认识事物、培养情感是触觉的三大基本作用。触觉可以帮助人们更好地表达情感、传递信息，可以使我们清晰感受到自身周围的事物，因此触觉感受在设计思考中的地位不言而喻。使用者通过自身的肢体接触，自我反馈身心感受这一过程称为触觉体验，通过分析研究用户的触觉体验而进行的设计即为触觉设计。由于触觉的直接性能够将最真实的感受传递给使用者，因此将触觉设计融入室内设计中，运用独特的材质、不同的色彩以及特殊的造型，使体验者在生理和心理上有所感受。

五、听觉体验建模

通过三维声音建模工具建立听觉感官体验模型，具体内容如下所示：在对环境中的物体进行建模时，需先提取几何信息，通过用户具体行为确定动作开始与停止的声音数值，将该数值与几何信息进行匹配，利用碰撞检测区分不同物体的碰撞声音。通过摄像头捕捉用户在虚拟空间移动的位置信息，根据位置信息分析声学的声像关系，使用Fmod 声音渲染引擎，使系统能实时产生渲染的三维立体声音，为充实用户声音体验感知交互增添内容。

结语：通过研究基于机器视觉的室内环境感官设计模型存在的问题，提出一种新的基于三维视觉的室内环境感官设计模型，该模型适合用于室内环境建图，可以匹配多个空间点，限制远距离空间点之间的矛盾。文章的创新之处在于，在实验中，提出一种评价方法，对空间点深度值进行评价，检测两个模型剔除空间点的准确率。实验结果表明，所提模型可以有效提高配准精度。