基于Unity3D和VR技术的数字校园体感交互系统设计

陈亚静

(泉州信息工程学院，福建 泉州 362000)

0 引言

随着高校教学和课程改革的不断深入，进行数字化的校园建设和课堂交互设计，成为未来高校新课改的主要目标。采用人工智能的三维视景仿真和计算机图像处理技术进行数字校园体感交互系统的优化设计，在虚拟的软件环境中进行数字校园交互体验，能够提高课堂教学的针对性，满足多媒体信息环境下高校课堂教学改革的要求[1]。数字校园体感交互系统的设计是建立在数字校园体感交互的多媒体信息开发和数据处理的基础上的。采用VR渲染和三维视景技术，进行数字校园体感交互系统的三维几何建模，在嵌入式的Linux操作系统下进行数字校园体感交互系统的优化设计[2]，提出基于Unity3D和VR技术的数字校园体感交互系统设计方法，首先进行了系统的软件开发总体构架分析和开发环境描述，然后进行系统的模块化开发设计，最后进行仿真实验分析，得出有效性结论。

1 系统总体设计及开发环境描述

1.1 系统的总体构架

为了实现对数字校园体感交互系统的优化设计，首先进行系统的总体设计构架分析。构建在课改背景下的数字校园体感交互数据库，结合AD信息采样进行数字校园体感交互的教学资源信息采集，在大数据信息处理环境下，提高数字校园体感交互的信息融合和数字传输控制能力[3]。数字校园体感交互系统的网络结构体系采用物联网下的ZigBee组网体系设计，在嵌入式的BS总线调度下进行数字校园体感交互的数据库体系结构设计，采用交叉编译和PCI总线协议进行数字校园体感交互系统的资源信息采样和集成调度，在立体数字校园体感交互系统设计中，结合3D信息重构和VR仿真技术，进行数字校园体感交互的虚拟视景仿真。综上分析，得到设计的数字校园体感交互系统的总体构架如图1所示。

图1数字校园体感交互系统总体构架

根据图1的总体设计构架分析得知，数字校园体感交互系统的主要功能是实现对课堂教学的数据信息加工和多媒体信息调度等，并通过数据显示模块输出数字校园体感交互信息，在图像处理模块中进行3D信息重建，通过智能控制器进行校园教学的设备控制。数字校园体感交互系统设计分为三维数字校园体验的3D信息重构以及数字交互的信息处理两大部分，采用数据存储集成信息处理和人机交互设计方法，系统主要包括多媒体信息采集模块、数据库模型、3D图像分析模块、视景仿真模块、VR程序加载模块以及人机交互模块[4]。结合上述的总体构架，得到设计的数字校园体感交互系统的设计技术路线如图2所示。

图2 系统设计技术路线

1.2 系统功能模块及开发环境

根据上述对系统的总体设计构架，数字校园体感交互系统采用嵌入式设计技术，结合PCI总线调度和Unity3D仿真实验，进行数字校园体感交互系统的主机信息传输控制，实现数字校园体感交互系统的智能模式监测和嵌入式设计，结合LCDDMA、LPC3600进行数字校园体感交互过程中的AD转换和离散化数据调度[5]，提高数字校园体感交互的模式识别能力。综上分析，得到数字校园体感交互系统的功能模块开发如图3所示。

图3 系统的功能模块开发结构流程

设计的数字校园体感交互系统采用三层体系结构进行设计方案，在B/S构架体系下，进行数字校园体感交互系统的三层体系结构设计，采用体绘制方法进行数字校园体感交互系统设计过程中的纹理渲染，在嵌入式Linux中实现数字校园体感交互系统的软件开发设计，通过ADO.NET组件库建立数字校园体感交互系统的3D图像处理模型，采用ModelBuilder 3D中间件技术进行数字校园体感交互的应用程序配置和数字校园信息读写，采纹理跟踪和模板网格分割方法进行数字校园体感交互系统设计过程中的3D组合建模，结合Excel和Access技术构建数据库模块，根据上述系统的开发环境分析，进行数字校园体感交互系统的软件开发与设计[6]。

2 数字校园体感交互的图像处理算法设计

2.1 数字校园体感交互的数字图像采集及模板匹配

根据上述总体设计模型构建，采用视景仿真渲染工具Vega Prime进行数字校园体感交互系统设计，采用3DStudio max软件进行数字校园体感交互系统的三维实体模型构建，结合图像处理算法，进行数字校园体感交互的数字图像采集和特征提取，结合数字校园体感交互的VR视景仿真图像的颜色特征，结合超像素生成的规则性，通过模板匹配结果进行数字校园体感交互的VR视景仿真图像的自适应像素融合[7]，初始化聚类中心，得到数字校园体感交互的VR视景仿真图像的超像素生成统计特征量为：

(1)

(2)

式中：xi和xj分别为数字校园体感交互的VR视景仿真的每个像素分配点(i，j)处的聚类中心分布密度；dist(xi，xj)表示数字校园体感交互的VR视景仿真图像标记特征点xi和xj之间的欧式距离。在模糊控制参数σ的作用下，进行数字化校园体感交互的VR视景仿真图像区域快速分割，得到阈值。采用数字校园体感交互的VR视景仿真图像分布边缘像素点匹配方法，得到像素间的空间距离分布为：

P(yw3|xw3，θ，β)∝P(yw3|xw3，θ)(yw3|βi)

(3)

在4×4子块的局部区域内建立数字校园体感交互的VR视景仿真图像分割的区域分布模型，构建超像素融合视域下的数字校园体感交互的VR视景仿真的模板匹配集，进行视景重构和数字化交互设计[8]。

2.2 数字校园交互的VR视景重构

采用多尺度的特征分解方法，进行数字校园体感交互的VR视景仿真及模糊降噪处理，得到数字校园体感交互的VR视景仿真图像的空间区域像素特征分量，构建数字校园体感交互的VR视景仿真图像的相关性检测模板匹配函数f(gi)为：

(4)

获得数字校园体感交互的VR视景图像三维动态区域特征值，采用边缘轮廓检测方法，在数字校园体感交互的VR视景仿真区域内进行信息重构，提取三维特征分布区域中的纹理值，采用模糊边缘轮廓分布式检测的方法，对数字校园体感交互的VR视景图像进行RGB特征分解，得到RGB特征分量分别为：

(5)

在3×3子块内，构建VR视景仿真区域像素特征分布模型，得到超像素特征量为：

(6)

根据融合性检测结果对数字校园体感交互的区域背景进行分离，采用总线传输控制技术，进行数字校园体感交互的模糊识别，把所研究的数字校园体感交互的VR视景仿真图像边缘特征点在二维网格区域中进行融合处理，融合结果表示为：

S={s=(x，y)|1≤i≤M，1≤j≤N}。

(7)

数字校园体感交互的VR视景仿真图像区域大小为M×N，M和N对应数字校园体感交互的VR视景仿真图像边缘的长度和宽度。按照数字校园体感交互的VR视景仿真图像结构纹理梯度方向进行区域信息拟合，在目标模板的边缘区域，得到数字校园体感交互的VR视景仿真图像各点附近的全息像素点分布为：

(8)

对数字校园体感交互的VR视景仿真图像的纹理结构信息进行自动检测，根据数字校园体感交互的VR视景仿真图像RGB值与邻域均值实现图像的自适应融合分割，得到视景重构的输出如下：

v(x)=g-1(g(1)-g(u(x)))，

(9)

式中：u(x)为VR视景仿真图像的邻域灰度相似度函数；g(·)为灰度像素聚类中心，满足g：[0，1]→[0，1]。提取数字校园体感交互的VR视景的亮度特征：

(10)

(11)

由此在超像素区域内实现数字校园体感交互的VR视景重构和特征识别[9]。

3 软件设计

在上述进行了数字校园体感交互系统的算法设计的基础上，进行系统的软件开发设计，采用3D Studio max软件进行数字校园体感交互系统的三维实体模型构建。采用Unity3D和VR技术进行视景仿真设计，以3D Studio max、SoftImage为交叉编译工具，结合渲染工具Vega Prime进行数字校园体感交互系统设计，系统设计分为多媒体信息采集模块、数据库模型、3D图像分析模块、视景仿真模块等。在观测体(Viewing Volume)模型中建立数字校园体感交互系统虚拟场景数据库，将场景数据库中的数字校园体感交互视景仿真数据通过VIX总线实现远程传输控制，采用Map Texture Tools贴图工具进行数字校园体感交互系统的实体图形建模，构建通过C应用程序接口加以数字校园体感交互的远程控制[10]。采用ZigBee协议栈，以Linux 2.6.32内核为平台模拟数字校园体感交互系统的实体对象，将场景数据库中的数字校园体感交互视景仿真数据通过可视化应用程序实现交叉编译，编译界面如图4所示。

构建Wifi无线网络，在ZigBee路由节点中进行VR虚拟数字校园体感交互系统的网络设计，在嵌入式ARM环境下实现VR虚拟仿真的数字校园体感交互系统的软件开发设计。综上分析，得到系统软件开发实现流程如图5所示。

图4 数字校园体感交互系统的编译界面

图5 系统软件开发实现流程

4 实验测试分析

为了测试设计的系统在实现数字校园体感交互控制和三维视景仿真中的应用性能，进行实验分析，实验采用MAC层交互协议进行数字校园体感交互的基线配置和图像加载，构建程序编译模块进行ADO对象控制和总线调度，采用16位5SNA2000K450300作为内核处理器，在Linux内核中进行指令加载控制，数字校园体感交互视景仿真的配置模式设定为B/S模式，得到数字校园体感交互系统运行延时测试结果如图6所示。

分析图6得知，采用该方法进行数字校园体感交互系统设计的运行延时较小，系统运行的实时性较强，测试数字校园体感交互系统的帧收发性能，得到结果如图7所示。

图6 系统的运行延时测试结果

图7 帧收发性能测试

分析得知，设计的系统具有很好的数字校园体感交互能力，帧收发能力较好，在教学课改中具有很好的应用价值。

5 结语

在虚拟的软件环境中进行数字校园交互体验，能够提高课堂教学的针对性，满足多媒体信息环境下高校课堂教学改革的要求。采用3DStudio max软件进行数字校园体感交互系统的三维实体模型构建，结合自适应的虚拟仿真设计方法进行数字校园体感交互的智慧化设计和三维仿真，结合数字校园体感交互的VR视景仿真图像的颜色特征，结合超像素生成的规则性，构建超像素融合视域下的数字校园体感交互的VR视景仿真的模板匹配集，进行视景重构和数字化交互设计。在嵌入式ARM环境下实现VR虚拟仿真的数字校园体感交互系统的软件开发设计。研究得知，设计系统具有很好的数字校园体感交互能力，系统的稳定可靠性较好，能有效促进课程改革。