三维高精度场景搭建技术在虚拟现实交互设计研发中的应用

姚又龙

摘要：由于传统场景搭建技术对真实场景的还原度较低，文章针对三维高精度场景搭建技术在虚拟现实交互设计研发中的应用展开分析。本研究采集真实场景矢量数据并进行预处理，通过建模与渲染技术搭建三维高精度场景，基于语音识别技术实现虚拟现实交互方式。通过本文所提技术搭建的虚拟手术室场景模拟手术过程，该场景下手术器械的移动轨迹一直处于平滑稳定状态，对语音文件的音素识别错误率为1.29%、词汇识别错误率为1.02%，验证三维高精度场景搭建技术在虚拟现实交互设计研发中具有较好的应用效果。

关键词：三维高精度场景；场景搭建技术；虚拟现实；交互设计；应用分析

中图分类号：TP391.9

文献标志码：A

0 引言

随着社会信息化程度的加深，虚拟现实技术获得前所未有的进步与发展。虚拟现实技术能够为用户提供真实且灵活的视觉效果，可将空间效果以虚拟可视化场景呈现。通过虚拟现实技术的结合，原始二维的视觉宣传形式转变为三维可视性的形式，虚拟的三维场景与用户之间具有更高的互动性，从而提升行业之间的市场竞争力。虚拟现实技术的关键在于如何协调虚拟环境与用户之间的交互难题，确保真实场景的三维动态可视化呈现更好效果^［1］。国内有多位专家针对虚拟场景中的交互方式进行研究，但在进行场景搭建的过程中对场景的还原度较低，虚拟环境与用户之间的交互效果，难以满足用户在虚拟场景中对沉浸式人机交互行为的需求。因此，本文针对三维高精度场景搭建技术在虚拟现实交互设计中的应用展开研究。

1 采集真实场景矢量数据

本文通过参考地图来实时采集并更新真实场景的矢量数据，该方法更智能化，能够自动获取真实场景矢量数据^［2］。数据源主要包含真实场景的地理、遥感影像以及拓扑这三类矢量数据。其中，地理矢量数据是真实场景矢量数据的核心，遥感影像矢量数据和拓扑矢量数据则便于在搭建三维场景^［3］过程中快速找到目标区域。真实场景矢量数据源的采集过程如下式所示。

式中，S表示真实场景矢量数据源；S₁表示真实场景地理矢量数据；α₁表示包含真实场景地理特征的矢量数据；z（x₁，y₁）表示地理矢量数据节点坐标；S₂表示真实场景的遥感影像矢量数据；α₂表示包含真实场景遥感影像特征的矢量数据；z（x₂，y₂）表示遥感影像矢量数据节点坐标；S₃表示真实场景的拓扑矢量数据；α₃表示包含真实场景拓扑特征的矢量数据；z（x₃，y₃）表示拓扑矢量数据节点坐标；α₀表示无用数据。将采集的真实场景矢量数据源存储至地图服务数据库中，参考各类矢量数据的特点，为其配置相应功能，作为三维高精度场景^［4］搭建的数据支撑。

2 预处理矢量数据

由于遥感影像矢量数据与地理矢量数据之间可能存在一定偏移误差，为保障三维场景搭建的精度^［5］，本文通过对遥感影像矢量数据与地理矢量数据的配准来剔除二者之间偏移误差。根据同名控制点对真实场景的地理矢量数据进行切分，利用局部地理矢量数据与遥感影像矢量数据之间的映射函数，来实现二者的配准。通过DBSCAN算法聚类获得地理与遥感影像矢量数据同名点的偏移误差中心点，并将该点当作初始的离散点，从而实现地理矢量数据的切分操作。DBSCAN算法利用数据点空间分布的紧密程度来获得各聚类簇，假设真实场景的地理矢量数据控制点为D₁，遥感影像矢量数据控制点为D₂，那么二者之间的几何误差的表达式为：

式中，（W·x，W·y）表示真实场景地理矢量数据与遥感影像矢量数据之间的同名控制点。通过DBSCAN聚类获得各局部矢量数据的误差区域，然后结合矢量数据点的空间分布情况，将偏移误差较大的数据同名点剔除，再通过剩下的同名点来构建泰森多边形，即可实现真实场景地理矢量数据的切分^［6］。

切分后的真实场景局部地理矢量数据进行几何纠正后，会造成连接线断裂，所以本文通过仿射变换对局部数据进行拼接，进而实现整体数据的配准。设置一个合适的阈值，根据该阈值将处于分割线相交的矢量数据筛选出来；利用式（3）对局部矢量数据进行配准操作：

式中，（X¹_n，Y¹_n）表示配准前的真实场景矢量数据中第n个数据节点的坐标；（X²_n，Y²_n）表示配准后的真实场景矢量数据中第n个数据节点的坐标；（X_n，Y_n）表示配准后并进行光滑处理的真实场景矢量数据中第n个数据节点的坐標；m表示真实场景矢量数据节点的数量。根据式（3）对真实场景^［7］局部地理矢量数据与影像矢量数据进行配准，再将配准结果拼接，即可实现整体真实场景矢量数据的配准。

3 搭建三维高精度场景

三维高精度场景的搭建过程主要分为构建模型与渲染场景两个步骤^［8］，在确保模型层次细节的基础上选取Solidworks软件作为建模工具。该软件功能强大，可在实现精细化建模的同时，最大程度降低三维模型复杂度，节约占用资源^［9］。场景渲染可为三维模型添加纹理、灯光及阴影等效果，提升虚拟现实交互的真实感^［10］。当虚拟设备中输入变换的场景数据，需要利用变换矩阵将场景中Camera的视角进行更新^［11］，那么Camera自身位置的计算公式为：

式中，C表示三维场景中Camera位置；L表示三维场景中Camera位置C与目标物体位置C₁之间的距离；C₀表示整个虚拟场景的视角位置；J表示变换矩阵。通过控制Camera的方式即可实现三维高精度场景的实时驱动，在后续虚拟现实交互过程中也需利用Camera位置的更新来实现视角的转换。

4 设计虚拟现实交互方式

语音交互是用户通过语音指令来启动并控制虚拟的三维场景^［12］，而三维场景需具备高效的语音识别功能，才能对用户的语音指令进行精准判断^［13］。此方式对语音信号进行转换与提取，提取出的数字化语音信号稳定性较差，需将信号相关的声学特征进行提取。声学特征可呈现用户语音的音质、音准等特征，是三维虚拟场景^［14］识别用户语音的关键指标，提取出的语音信号MFCC特征可呈现出用户语音指令的动态特征，根据该特征进行识别，即可达到预期的虚拟场景交互效果。

依据失真度最小原则，通过输入语音信号与数据库模板中信号的逐一比对，获取最接近模板的识别结果^［15］，通过虚拟设备来应答反馈用户指令，从而达到人机交互目的。

5 实例应用

选取基于草绘图的三维场景搭建技术与基于OSGEarth的三维场景搭建技术作为实验对照组，分别使用这3种技术搭建一个相同的虚拟手术室场景，让实验员于虚拟场景中进行模拟手术，在整个手术过程中，实验员先操作手术器械与软组织进行交互操作，再与较硬的骨头进行交互操作，最后回到软组织。根据各场景下手术器械移动轨迹来比较其稳定性，获得结果如图1所示。

由图1可知，在利用草绘图技术搭建的三维手术室场景中，手术器械的移动轨迹稳定较差，难以按照期望的轨迹进行平滑移动。在利用OSGEarth技术搭建的三维手术室场景中，在与软组织进行交互操作时，手术器械可以按照预定轨迹平滑移动，当遇到硬度较大的骨头时，手术器械的移动轨迹出现波动，三维虚拟场景难以维持交互稳定性。在本文所提技术搭建的三维手术室场景中，无论是与软组织还是硬度较大的骨头进行交互操作，手术器械的移动轨迹均保持平滑稳定状态，说明本文在虚拟现实交互设计研发中搭建的三维高精度场景具有良好的稳定性，可以有效支撑用户与虚拟场景进行交互。

为进一步判断三维高精度场景搭建技术在虚拟现实交互设计研发中的应用效果，随机录制并制作3个语音文件，将其分别输入文中上述3个虚拟手术室场景中，进行语音识别实验，获得识别结果如表1所示。

由表1可知，本文所提技术搭建的三维高精度场景对语音文件的音素识别错误率平均为1.29%，较对照组降低2.31%，5.44%，词汇识别错误率平均为1.02%，较对照组降低3.7%，7.68%，说明本文所提技术具有更高精度的语音识别准确率，该虚拟场景下的人机交互性能更优越。综上所述，三维高精度场景搭建技术在虚拟现实交互设计研发中的应用效果良好，可为用户提供一个稳定且真实的虚拟体验。

6 结语

为提高三维场景中对真实场景的还原度，本文对三维高精度场景的搭建技术进行详细分析，将其应用于虚拟现实交互设计研发中，并应用本文所提技术搭建虚拟手术室场景，模拟手术过程，对三维手术室场景进行了高精度还原。此技术对语音文件的音素和词汇识别错误率较低，有效实现虚拟现实交互，证明应用本文技术搭建的三维高精度场景具有良好的稳定性，可为用户呈现出具有真实感的视觉三维的动态体验。

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（编辑 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