基于虚拟现实技术的图像处理平台研究

狄轶娟 殷诚铭 蔡纪鹤 单梦娜

摘 要：为了更好地培养在图像处理方面的实践能力、创新能力，就有必要研究一个图像处理平台，使学生能掌握有关数字图像处理的基本概念、方法、原理及应用，进而培养和增强学生创新意识和创新思维，提高实际动手能力、创新能力及学术研究能力。因此，在本论文的研究中提出使用3D Max和VRP结合来研究图像处理虚拟仿真平台。通过该系统，不仅可以学习图像处理基础知识、图像处理方法及其MATLAB仿真，还可以动画演示七巧板的识别和匹配过程，可以对工业生产中零部件的装配过程起到模拟示范作用。

关键词：虚拟现实;图像处理;3D Max;VRP

0 引言

随着信息化与智能化时代的到来，图像处理技术在各等领域都有很好的发展空间[1]。传统的学习图像处理技术的方法主要是通过书本上一些公式的推导以及程序的说明，这种方法过于枯燥，而且学生对于知识的理解也只浮于表面。虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种新兴的技术综合性很强的学科，它融合了数字图像处理技术、传感器技术、多媒体交互技术等热门发展方向，通过外部硬件与计算机软件相结合的方式，为用户塑造了一个能够交互的、带感知的虚拟世界[2]。虚拟仪器由于在组建上具有高效性与灵活性，能够适应测试功能的多样化，以及可用表格、图形快速准确显示结果，达到一机多用，从而具备了传统工艺难以比拟的优势[3]。

虚拟现实技术的发展无疑为图像处理技术的传播提供了一个新的平台，该平台拟在MATLAB环境下使用图形用户界面（Graphical User Interface，简称 GUI）构建图像处理平台，然后再在此基础上使用3D Studio Max（3D Max）、VRP研究图像处理虚拟平台[4]。

通过这种“虚实结合，互相补充，能实不虚”的平台，利用新颖的教学方法，可以让学生在主动实践中了解图像处理的基础知识，在操作观看动画中对图像处理的方法有一个更加深刻的理解和研究。

1 系统设计

图像处理虚拟仿真平台的设计对象主要是一个交互界面和虚拟工作台。交互界面主要包括图像处理技术的各部分知识点和在MATLAB仿真处理后得到的图片数据;虚拟工作台则是模拟机械臂对已有模板的识别、拾取、匹配的过程。

虚拟图像处理平台类似于虚拟实验室的一种，旨在丰富学生图像处理与分析方面的知识，以综合设计和创新能力為出发点，让学生在实践过程中学习掌握图像处理的相关知识，结合动画演示提高对学习的兴起，从而弥补教学中讲授课程缺少练习的缺点，使得学生对图像处理技术有深刻理解，具有图像处理与分析的创新能力、实践能力和科研能力，为学生以后从事相关方向的研究打下了坚实的基础。

系统设计主要包括：

（1）使用三维建模和渲染技术构建虚拟工作台

首先使用 Photoshop，对建立虚拟平台的所有素材进行修改，为贴图材料做准备;然后使用3D Max构建虚拟工作台的模型并制作模板匹配的动画，再对建好的模型进行材质贴图和烘焙渲染;最后将在3D Max中创建的场景导出到 VRP（虚拟现实平台），为后期制作做准备。

（2）使用 VRP 制作虚拟交互界面

首先导入 3D Max中建模和渲染后的模型;然后利用高级界面中的控件设计交互界面;最后利用控件事件脚本编辑器编写控件的交互事件，最终实现交互功能。

2虚拟工作台的设计和功能实现

本文研究的虚拟现实技术的图像处理系统的的建模和动画制作过程包括：

（1）素材采集。本系统建模对象的元素有：七巧板、流水线工作台、单轨机械臂、以及CMOS摄像头。

（2）虚拟工作台建模。虚拟现实场景真实性的好坏，很大程度上是由建立模型的优劣决定的。选择容易建模的素材，能为后期的工作打下良好的基础。利用3D Max自带的标准几何体和修改器工具可以完成大多数简易模型的制作，通过将复杂模型分割成几部分简易模型的方法，可以提高建模效率，降低后期制作的难度。

（3）虚拟工作台材质和贴图。在完成模型的建立以后，还需要给模型贴上材质，经过渲染烘焙，才能使模型更加真实。3D Max自带的材质编辑器有24个材质球可供设置不同的材质。利用前期收集的材料图片，可以制作模型的贴图。

（4）虚拟工作台的渲染和烘焙。3D Max建立的模型是三维的，不仅占用空间大，也不易于观察，为了将三维模型输出成二维图像，就需要进行渲染操作。经过渲染的模型更加接近于真实环境，给人更加直观的感受。

（5）动画制作。3D Max的动画分为两类：刚体动画（rigid body animation）和柔体动画（soft animation）。对于大多数物理可模拟的对象来说，完成的运动一般都是刚体动画，柔体动画则多是指水流等没有固定形状的对象。本次论文除了建立虚拟工作台模型以外，还需要制作一个模板匹配的动画。动画的主要内容为通过摄像头对比工作台上摄像区内的标准件七巧板模型的位置，利用机械臂调整另一边工作台上散件的位置，使其达到和标准件一样的布置，实现模板匹配的功能。

3 VRP交互功能实现

在完成3D Max中的所有操作以后就可以将模型导入VRP中进行交互界面的设计了。在VRP的高级界面中，新建一个窗口，利用控件中的按钮、组合框、静态图片控件设计交互界面，再添加脚本，即可实现交互功能。

（1）3D Max导出VRP。由于本设计包含模板匹配的刚体动画，所以在导入VRP前还需要为刚体模型建立一个集。具体步骤为：a.选择界面上方主工具栏中的“编辑命名选择集”工具，弹出“命令选择集”窗口;b.点击该窗中的“创建新集”按钮，即可创建一个默认命名的集，点击“加号”;c.点击模型中带帧动画的部分，即可添加到集中，将集的名称改为{vrp_rigid}，就完成刚体动画集的创建。

（2）交互界面设计。本系统交互界面布局主要包括四级界面，分别是VRP使用说明界面、交互主界面、二级标题界面、三级介绍界面，通过这四个界面的组合，可以完成对数字图像处理基础知识的介绍以及动画的演示。

（3）控制事件脚本设计。对交互界面设计内的按钮控件、组合框控件添加脚本，就可以完成交互功能的实现。

结 论

本论文研究的基于虚拟现实技术的图像处理平台，以虚拟现实为平台、七巧板为处理对象，为图像处理技术的知识点设计了一种新的讲解方式，可以让学生在实践中加深对图像处理技术的理解，为以后工作打下基础，同时也有益于工业生产中零件装配等产业链的发展。本论文依托图像处理技术，在设计虚拟工作台和VRP交互界面时都有条理的融入图像处理的知识点，从理论和实践两个角度出发，对设计中遇到的问题进行分析研究。

参考文献：

[1] 章毓晋. 中国图像工程：2018[J].中国图象图形学报，2019（05）：665-676.

[2] 刘炜，夏兆旺，包国治，王军.虚拟现实技术引入机械类课程的技术与难点分析[J].计算机时代，2019（05）：80-83.

[3] C. Oikonomou， A. Lioret， M. Santorineos and S. Zoi， "Experimentation with the human body in virtual reality space： Body， bacteria， life-cycle，" 2017 9th International Conference on Virtual Worlds and Games for Serious Applications （VS-Games）， Athens， 2017， 185-186.

[4] 胡新艷，霍文晓，车晓岩，张爱英，曹红波.基于MATLAB GUI的数字信号处理实验仿真平台设计[J].电子技术与软件工程，2019（08）：58-59.

作者简介：

狄轶娟（1981.2-），女，博士，讲师，主要研究方向：图像处理、虚拟现实技术、电力系统优化。

*基金项目：常州工学院校级虚拟仿真实验教学项目（YB-18-014）;常州工学院校级大学生创新创业计划项目（2018202Y）;江苏省建设系统科技项目（2016ZD85）