光学论文
摘 要： 现有的场景管理系统由于成像技术的原因，进行人机交互时出现画面卡顿、清晰度下降的现象，因此，设计一种基于三维激光成像技术的场景管理系统设计。系统中的画面显示主要应用的是三维激光成像技术，系统的硬件设计中，根据激光测距的过程，选择测量距离、测量精度等参数合适的激光测距仪;在软件设计中，需要对动态碰撞检测进行优化，采用了八叉树空间剖分法对需要成像的空间进行分割，利用场景管理器完成相交情况查询，优化命名需要碰撞的物体并在后台代码中手动添加判断条件，选择色彩空间以及着色器，实现场景美化，至此完成系统设计。为验证设计系统的有效性，对三种系统进行测试，测试结果表明，设计的系统具有良好的FPS值与图像清晰度，说明设计的系统在实际应用中相对于现有系统具有更好的成像性能。
关键词 : 三维激光成像技术;虚拟现实技术;场景管理;八叉树空间剖分;
Abstract： Due to the reason of imaging technology,the existing scene management system appears the phenomenon of picture jam and sharpness decline when human-computer interaction. Therefore,a scene management system design based on 3 D laser imaging technology is designed. The main application of the screen display in the system is3 D laser imaging technology. In the hardware design of the system,according to the process of laser ranging,the laser rangefinder with suitable parameters such as measuring distance and measuring accuracy is selected. In the software design,the dynamic collision detection needs to be optimized,the space that needs to be imaged is segmented by octree space division method,and the scene management is used The system completes the intersection query,optimizes the naming of objects to be collided,manually adds judgment conditions in the background code,selects color space and shaders,realizes scene beautification,and thus completes the system design. In order to verify the effectiveness of the design system,three systems are tested. The test results show that the designed system has good FPS value and image clarity,which shows that the designed system has better imaging performance compared with the existing system in practical application.
Keyword： 3D laser imaging technology; virtual reality technology; scene management; octree space division;
1、 引言
场景管理可以使人们对现有场景有一个直观的认识，实现场景布局、环境设置等自动化的功能，帮助人们进行下一步的行动[1,2,3]。目前场景管理应用的领域十分广泛，但现有的场景管理系统由于成像技术的原因，进行人机交互时出现画面卡顿、清晰度下降的现象，因此，将三维激光成像技术引入场景管理系统设计中，设计了一种基于三维激光成像技术的场景管理系统，经过测试结果表明，设计的系统具有良好的FPS值与图像清晰度，说明设计的系统在实际应用中相对于现有系统具有更好的成像性能。
2 、基于三维激光成像技术的场景管理系统设计
2.1、 硬件设计
系统之所以能够进行场景管理，主要是经过传感器将场景环境进行拍摄，并最终合成三维场景，通过VR技术展现在客户面前，因此，传感器的拍摄质量直接影响系统的成像效果。激光测距仪是系统中的重要传感器，具有测量精度高、测量范围广的特点。由于测距仪的测量效率高，时间短，因此，可以在不使用反射板的情况下，应用远距离激光测距仪测量自然物体的距离和速度[4,5,6]。测量过程如图1所示:
图1 激光测距仪测量过程
选择的激光测距仪型号为LDM301，应用了一个1级测量激光和一个2级瞄准激光，这两种激光都属于950 nm红外不可见激光，激光测距仪的相关参数如表1所示。
表1 激光测距仪参数
从表1可知，选择测距仪的工作范围比较大、测量时间短，在不使用反光板的情况下，能够对串行口、数字量和模拟量进行编程，实现与外部设备的同步测量。
2.2 、软件设计
2.2.1、 优化动态碰撞检测
在该系统的设计中，需要将场景管理的场景渲染出来，在这个过程中会发生实时交互的碰撞处理，来增强系统对于场景展现的真实性。碰撞处理主要包括碰撞检测、碰撞确定和碰撞响应[7,8]。碰撞检测主要是判断在三维空间移动物体时，被移动的物体是否会与其他物体发生碰撞，当判断为发生碰撞的相关信息时，针对两物体之间发生的具体碰撞情况来决定采取什么操作。系统采用的是八叉树空间剖分技术，在三维场景管理中八叉树是一种非常有效的管理方式[9,10,11]。八叉树的空间剖分过程如图2所示。
假设场景简化为一个长方体盒子，将该长方体平均分成形状全部相同8个小长方体，遍历场景多边形，判断场景中多边形与小长方体之间的位置关系，并将其添加到代表该小长方体节点的多边形列表中，查看每个非空的小长方体中多边形各个面的数量[12,13]。将这些小长方体作为八叉树的非叶子节点，进行递归剖分。直到剖分达到一定深度或子节点空间中包含的多边形数量在给定的阈值范围内。如果剖分得到的某个子节点为空，将其设为叶节点，并停止剖分。在进行剖分的过程中，若某个多边形存在于两个或两个以上的小长方体盒子中，可将该多边形按照正常分属在不同节点长方体中的部分进行分割，并将分割得到的小多边形加入到对应节点小长方体的多边形列表中，增加场景中多边形的数量。针对系统中松散的八叉树数据结构，通过八叉树场景管理器完成相交查询，粗略判断目标节点的长方体所在局部空间内物体的相交情况，排除掉不会发生碰撞的大部分物体，并创建碰撞几何体，实施相应的算法[14,15]。将所有需要碰撞的物体进行优化命名，在后台代码中手动添加判断条件。
图2 八叉树剖分示意图
2.2.2 、场景美化
系统中的场景美化关系到最终的成像效果，能够更加逼真地展示出最终画面的视觉感受。系统的色彩空间选择的是Linear模式，该模式能够让场景随着光线的变化而产生线性过度，更加接近现实情况下的反光效果[16,17,18]。在场景管理中，家具等物体的材质制作也是场景美化中的重点，利用编码的着色器能够渲染图像，将获取到的网格物体或模型与提前输入的色彩，通过贴图或既定方法进行组合输出，得到一个材质，且该材质能够根据接口数值的改变而产生变化。
3 、系统测试
3.1、 搭建测试环境
为了验证设计的系统具有良好的使用性能，需要对系统进行测试，选择现有的两种系统在相同实验条件下进行对照实验。将设计的系统在PC平台上发布，测试者佩戴头盔显示器，通过追踪技术控制视角和显示路径。系统的测试环境为无线局域网，主机服务器的操作系统为Windows XP，匹配SQL数据库服务器。
在测试开始前，启动系统，检查系统的开始界面、头盔操作等功能是否存在异常，确保系统的正常运行。经过加载后，系统显示初始状态如图3所示。
图3 三种系统的初始状态
图3中，图(a)和图(b)为两个原有系统的初始状态，图(c)为系统的初始状态。点击开始按钮后，测试者不断变换视角，并测试三个系统的成像清晰度以及变换视角过程中图像由模糊恢复到清晰的过程时长，并将实验结果进行对比。
3.2、 实验结果与分析
三个系统在测试过程中的成像状态如图4所示。
图4 三种系统在角度变换时的成像效果
图4中，图(a)为原有系统1的成像效果，图(b)为原有系统1的成像效果，两图(c)为系统的成像效果。经过多次测试，两系统的每秒传输帧数与图像清晰度的平均测试结果如表2所示:
表2 系统测试结果
当FPS高于60帧/秒时，人类肉眼察觉不到卡顿情况。根据上述的测试结果可以看出，系统在进行角度变换操作时，FPS与图像清晰度均高于两种原有系统，且FPS高于60帧/秒，测试者总体感觉良好，说明设计的系统具有一定的有效性。
4 、结束语
三维激光成像技术给人们带来了更棒的场景体验感受，基于三维激光成像技术，针对传统场景管理系统存在的缺陷，设计了一种体验感更好的场景管理系统，通过激光成像技术进行多媒体资源的采集，对三维空间进行优化以增强真实感。最后通过测试结果表明，设计的系统的实用成像性能具有一定优越性。但是由于时间和技术的限制，系统还有一定的不足，有待进一步完善和优化。
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