虛擬文物互動展示平臺設計研究論文
0引言
2008年，比爾蓋茨提出“自然用戶界面”的概念，并預言人機交互在未來幾年內(nèi)會有很大的改變，鍵盤和鼠標將會逐步被更為自然的觸摸式、視覺性以及語音控制界面所代替。Kinect是一個動作捕捉設備，Kinect和用戶的結(jié)合就形成了一套完整的控制系統(tǒng)。
目前我國很多博物館所建立的虛擬博物館大多數(shù)是使用VRML語言進行建模，借助于WRL文件瀏覽器插件基于IE進行瀏覽，這樣用戶可以方便快捷地瀏覽。但是VRML是基于瀏覽器的一種腳本語言，對于相應事件的處理能力有限，與用戶的交互能力較差，并且也無法與數(shù)據(jù)庫連接，在構(gòu)建虛擬展館過程中需要手動添加文物模型[1].
針對以上問題，本文所設計的虛擬文物互動展示系統(tǒng)使用My SQL數(shù)據(jù)庫存儲文物的詳細信息； 使用FTP服務器來存儲3D模型文件，并由系統(tǒng)自行獲取； 使用Kinect手勢識別技術，讓用戶與文物模型隔空交互，從而有效地解決了交互能力差的問題。本文還提出了K-Means算法來有效地解決手型圖標的抖動問題。
可以想象到，在一個博物館里，觀眾只需要用手勢去觸碰虛擬的按鈕，就可以選擇你感興趣的文物，只需要變換手勢，就可以對文物進行移動、放大、旋轉(zhuǎn)。虛擬文物與參觀者互動的方式，讓展覽更具感染力。
1系統(tǒng)介紹
基于Kinect虛擬文物互動展示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由顯示模塊、文物控制模塊、UI交互模塊、文物存儲模塊以及動作捕捉與識別模塊構(gòu)成，各模塊之間協(xié)同合作，構(gòu)成了具有完備功能的虛擬文物展示系統(tǒng)，如圖1所示。
�。�1） 顯示模塊： 負責獲取場景中的用戶影像，并將虛擬文物模型與用戶影像進行融合并顯示。
�。�2） 文物控制模塊： 負責對虛擬文物模型的位置、大小和角度進行調(diào)整，并且接收動作捕捉與識別模塊發(fā)過來的控制信息，做出相應的變動。
�。�3）UI交互模塊： 負責獲取界面控件的位置，并且比對用戶手的位置，進行對應的響應。
（4） 手勢捕捉與識別模塊： 負責捕捉到用戶手的關鍵點，并且獲取手的深度信息，然后對信息進行處理，識別出用戶手勢的意思，并發(fā)送指令給文物控制模塊。
（5） 文物存儲模塊： 該系統(tǒng)包括My SQL數(shù)據(jù)庫以及FTP服務器。虛擬文物的.編號、朝代以及其他詳細信息數(shù)據(jù)會存儲到My SQL數(shù)據(jù)庫中。因為虛擬文物模型所占空間比較大，所以把模型放在FTP服務器中，由該軟件直接調(diào)用。
基于Kinect的虛擬文物互動展示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設計，提高了系統(tǒng)的靈活性，降低了模塊之間的耦合性，不同模塊之間通過接口進行通信，使得各個模塊能夠獨立高效地完成各自功能。
2 Kinect介紹
Kinect體感設備主要是由彩色攝像頭、深度攝像頭和紅外線投影機組成。Kinect設備與普通攝像頭的區(qū)別在于紅外線發(fā)射和紅外線接收功能，通過這個功能，Kinect可以獲取場景的深度信息。Kinect的基本原理是： 紅外投影機主動投射紅外光譜，照射到粗糙物體，或是穿透毛玻璃后，光譜發(fā)生扭曲，會形成隨機的反射斑點，也就是散斑，進而被紅外攝像頭讀取。這些散斑就有高度隨機性，并且隨著距離的變化，散斑也隨著改變，在同一空間中不同的散斑圖案都不相同[2].因此，只要使用散斑對空間編碼，當有物體進入空間時，即可定位。
3系統(tǒng)軟件設計
虛擬文物互動展示平臺軟件采用WPF進行開發(fā)。WPF是微軟推出的Windows Vista的用戶界面框架。它提供了統(tǒng)一的編程模型、語言和框架，真正做到了分離界面設計人員與開發(fā)人員的工作，同時它提供了全新的多媒體交互用戶圖形界面。WPF最重要的特色是支持3D模型，以及支持模型的點擊事件。整個虛擬文物展示系統(tǒng)軟件設計運用Kinect體感設備和WPF框架等技術手段，包括手勢識別、UI交互、文物展示以及文物存儲的智能交互展示系統(tǒng)，對虛擬文物展示實現(xiàn)了主動選擇、交互體驗良好、操作方便的目標。虛擬文物互動展示的主要功能模塊如圖2所示。
3. 1 GUI設計
在主界面上包括四個不同功能的懸浮按鈕，這四個懸浮按鈕是根據(jù)人體的合理肢體操作距離而設計的。這四個懸浮按鈕的功能分別為虛擬文物展示、虛擬文物詳情、博物館視頻簡介以及退出。在本項目設計中，最重要的是虛擬文物展示功能。當用戶選擇虛擬文物展示懸浮按鈕時，該軟件會彈出另一個窗口，用戶可以根據(jù)自己的興趣愛好，選擇不同朝代的文物來進行控制，比如根據(jù)不同的手勢來移動、放大以及縮小和旋轉(zhuǎn)文物。
3. 2懸浮按鈕
懸浮按鈕控制流程如圖3所示。懸浮按鈕其實是一個普通的控件，有三種狀態(tài)分別為經(jīng)過、按下和離開，可以有效地解決不小心點擊的問題[3].通過Kinect SDK首先識別出用戶舉起的是左手還是右手，再獲取左手或者右手的三維坐標數(shù)據(jù)，然后激活界面的一張手型圖標，通過坐標映射的方法，把手的三維坐標轉(zhuǎn)換成二維坐標，轉(zhuǎn)換過的二維坐標映射到手型圖標上，這樣界面上的手型圖標會隨著用戶的手在界面上移動。當用戶的手型圖標沒有接觸到該懸浮按鈕的時候，它沒有任何變化。當手型圖標移動到按鈕區(qū)域時，手型圖標周圍會出現(xiàn)進度條控件，當時間超過2 s后，會觸發(fā)懸浮按鈕On Click事件，當手型圖標不在按鈕區(qū)域時，懸浮按鈕恢復初始狀態(tài)。
3. 3解決手型圖標抖動問題
Kinect每 秒 鐘會 采 集30幀 的 深度/RGB數(shù) 據(jù)，每 幀所獲 取 的骨骼的 三維坐 標 都是不相 同的，轉(zhuǎn)變成二維坐標也是不相同的，所以把二 維 坐標映射 到手型圖標上，手型圖標會出現(xiàn)抖動的情況。在軟件編程中，取出30幀的二維坐標數(shù)據(jù)如圖4所示。
本文的設計考慮到抖動這一問題，提出采用K-Means算法[4]的解決方案，其基本方法為： 首先在軟件中提取出最近的6個幀的骨骼三維數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換成二維坐標數(shù)據(jù)。再使用K-Means算法，隨機在圖中取K個種子點，然后對所有點求出到其K個種子點的距離，假如點pi離種子點最近，那么pi屬于si點群。接下來，把種子點移動到屬于它的點群中心。然后重復上述步驟，直到種子點沒有移動。最后使用各個點的X/Y坐標的平均值，計算出點群中心的坐標。把6幀二維坐標的點群中心坐標映射到手型圖標上可以有效地解決抖動的問題。具體算法流程如圖5所示。
3. 4文物選擇與控制
該系統(tǒng)首先根據(jù)客戶的需求，對用戶的手勢行為做了規(guī)范協(xié)議[5],如表1、表2所示。如果用戶的手勢不是協(xié)議中所規(guī)定的，系統(tǒng)將不會做出任何響應。
用戶操作虛擬文物的流程如圖6所示。用戶可以用自己的左右手來選擇查看哪個朝代的文物，只需要把手放在圖標按鈕2 s即可。當用戶選擇了清朝的文物，界面右邊會出現(xiàn)文物的二維圖片，用戶可以繼續(xù)選擇具體的文物。當用戶選擇了一個自己比較感興趣的文物時，界面會出現(xiàn)一個3D文物模型，用戶可以根據(jù)手勢協(xié)議來操作模型，例如對模型旋轉(zhuǎn)、放大等。當用戶想查看其他的文物時，只需要把當前文物撤銷即可。用戶想要和當前文物模型合影時，只需要把手放在照相按鈕上，系統(tǒng)會把圖片保存到文件夾上。
4實驗結(jié)果
為了驗證系統(tǒng)的可靠性以及響應時間，進行了如下的現(xiàn)場測試。測試環(huán)境為Win10 + WPF + Kinect for WindowsSDK 1. 8.測試者站在Kinect正前方，做出不同的手勢，以驗證不同手勢識別的準確性。表3為測試者做出不同手勢的結(jié)果。
實驗結(jié)果表明，使用Kinect能夠正確判斷出用戶手勢的意思，通過相應的算法以及手型圖標抖動問題的解決，進而實現(xiàn)了對虛擬文物的位置、角度、姿態(tài)的控制，充分驗證了基于Kinect的虛擬文物互動展示系統(tǒng)的可行性。
5結(jié)束語
基于Kinect的虛擬文物互動展示系統(tǒng)是一個新穎而又充滿意義的課題。本文使用Kinect與WPF完成了一套用戶體驗良好、功能完備的用戶與虛擬文物互動系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過Kinect來獲取人體骨骼坐標數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析與綜合識別出用戶的肢體語言，然后映射到3D文物上，實現(xiàn)用戶與3D文物之間的互動。本文還提出了使用K-Means算法來解決手型圖標在屏幕上的抖動問題，使用戶具有更好的體驗。下一步研究方向是采用手機App和Unity3D的開發(fā)方式，如通過掃描文物圖片，在手機屏幕上出現(xiàn)3D文物模型，用戶通過觸屏的方式與3D文物進行互動。這樣可以有效地解決用戶多的問題，讓每位用戶都可以積極參與到博物館展覽之中。
參考文獻
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