基于虚拟交互模型的图书馆借阅系统平台研究

秦楠

(西安外事学院 图书馆, 陕西 西安 710077)

0 引言

虚拟交互技术是一种基于计算机理论和信息技术发展起来的技术，能够让使用者具有沉浸式的体验感[1-5]。虚拟交互技术能够将数字信息转变为视觉、听觉、触觉等多维度的信息表现形式，使用者通过该技术能够实现交互式的控制行为。用户在利用虚拟交互技术进行工作时，能够全方位地感受多维度的信息，通过沉浸式互动行为获取知识，具有极大的主观能动性。

在图书馆管理和图书借阅中，虚拟交互技术具有十分广泛的应用前景。虚拟交互技术是以人为中心，不仅能够将图书馆的信息进行分类组织，让使用者一目了然地、快速地获取自身所需要的信息；而且，还能基于使用者一种身临其境的体验感，激发使用者的阅读和学习欲望，对使用者的阅读具有引导性。利用该技术能够有效解决传统图书馆管理过程中记录繁多，效率低下等问题[6-8]。本文设计了一种用于图书馆借阅系统的虚拟交互系统平台，对结构、原理、建模、算法等关键技术进行介绍。

1 结构和原理

基于虚拟交互模型的图书馆借阅系统平台的整体架构包括了控制单元、显示单元、运动单元、客户终端、运动控制器单元和伺服驱动器单元。其中，控制单元为鼠标，通过USB与PC客户终端相连接，操作者利用鼠标控制虚拟人物在场景中视野、视角和运动交互；显示单元为通用的PC显示器，以HTML二维网页视图形式显示；PC客户终端对鼠标的输入信号进行处理，一方面将信号传输至显示器，经解码后以视图形式显示出来；一方面向运动控制器输出动作信号，运动控制器将动作信号解码并传输给伺服驱动器，从而完成虚拟人物在相应场景中的运动。

虚拟场景和运动平台之间的映射关系是基于Stewart平台的运动学反解模型建立起来的。如图1所示。

图1 Stewart平台结构

Stewart平台具有上下两个平台。其中，上平台的坐标原点为P；相应的动坐标系为P-xyz；P-x和P-y处于平台平面，P-z轴垂直于平台平面。下平台的坐标原点为O；相应的动坐标系为O-xyz；O-x和O-y处于平台平面，O-z垂直于平台平面。

假设上平台的广义坐标为a= [x,y,z,α,β,γ]，其中x、y、z为动坐标系原点P在静坐标系中的坐标，α、β、γ为动坐标系相对静坐标系的欧拉角，那么旋转矩阵则为式(1)。

(1)

若上平台中各顶点Ai的坐标为[xiP,yiP,ziP]，下平台中各顶点Bi的坐标为[xiO,yiO,ziO]，且i为1—6之间的整数，那么第i轴的驱动向量齐次坐标则为式(2)。

(2)

由此可得，第i轴驱动的长度为式(3)。

(3)

另外，虚拟人物在场景中发生运动后，需要进行复位，该系统采用洗出算法完成复位，洗出算法流程如图2所示。

图2 洗出算法流程框图

该系统将鼠标信号转变为洗出信号，将重力加速度g与线加速度a合成量比力f。然后将加速度中的高频和低频进行分离，高频部分经二次积分后得到位置信息；低频部分进行倾斜协调，得到角速度限幅；再与角速度的高频部分二次积分结果进行加和，得到相应的姿态信息。该平台通过在横向和纵向两个方向使用重力加速度的分向量，从而模拟了纵向加速度和横向加速度，完成了虚拟角色的俯仰运动和横滚运动。

2 可视化建模

本文以图书室的虚拟场景建模为例进行可视化建模的介绍。借阅室中的主要物品为书架、桌、椅。可视化模型建立是基于VRML语言建立的。其中，桌椅的可视化模型建立是通过碰撞测验进行搭建的；碰撞测验主要是通过包围盒法实现的，包围盒采用自上而下的构造方式，创造包围盒根节点，然后对模型进行分割，分割为多个模块，在采用递归调用的方法建立包围盒树。包围盒算法的基本流程如图3所示。

图3 包围盒算法的基本流程

首先获取物体的几何信息，然后将其转换为包围盒，依次执行Sweep and Prune算法以及层次包围盒相交算法；进行包围盒精确碰撞，确定碰撞与否。若进行碰撞，则进行碰撞物体运动控制；若不进行碰撞，则对场景进行建模，并创建场景，再进行碰撞物体运动控制。

书架是采用纹理贴图技术进行虚拟场景搭建的。可视化模型构建的主要过程包括：采集文理图像进行渲染、利用二维坐标进行纹理切割、基于VRML语言得到纹理映射图像、最终于物体表面进行纹理合成。其中利用Transform节点实现移动，Translation节点实现数据转化，Rotation节点实现旋转，Box节点实现尺寸定义，相应VRML语言源代码如下。

DEF shelf1 Transform{

Transition 0 2 1.4

Rotation 2 0 0 -0.5

Box 3.3 1.4 0.1}

DEF shelf2 Transform{

Transition 0 2 1.4

Rotation 2 0 0 -0.5

Box 3.3 1.4 0.1}

……

DEF shelfn Transform{

Transition 0 2 1.4

Rotation 2 0 0 -0.5

Box 3.3 1.4 0.1}

3 虚拟交互技术的实现

该图书馆借阅系统平台的虚拟交互技术主要包括节约交互、管理交互和视觉交互三个部分。

其中，借阅交互功能主要体现在图书的检索功能方面。该借阅系统的检索入口显示形式为网页形式，是基于VRML语言建立的。通过将Script节点导入到HTML文本中，从而实现对数据库的处理。该系统所采用的搜索方法为人工智能算法，相似度计算如式(4)。

(4)

其中，Q1和Q2分别代表不同的句子；Ti和Tj代表的向量；wi和wj代表句子中关键词的权值。利用上述算法计算相似度的过程是首先将句子Q1和Q2中的关键词进行加权，权值分别为wi和wj，然后将权值引入到向量Ti和Tj空间。

管理交互功能主要涉及该系统平台的运行和维护。该功能也是通过VRML语言建立起来的。通过对Script节点进行修改，然后调用相应的Java程序。在管理交互功能中涉及到了图书书名的重叠或是词语具有歧义等情况，所以需要对数据管理进行改进。该系统算法中引入了词性影响系数z的概念，当z值为1时，说明两个词语的词性和词义都相同；当z值为0.5时，说明两个词语词义相同，但词性不同。该系统词语相似度计算方法如式(5)。

(5)

其中，Q1和Q2分别代表不同的词语;zi和zj分别代表该算法中的词性影响系数;wi和wj代表的是词语中的权值。

该平台视觉交互是通过插补器来实现的。其中人物坐标是通过PositionInterpolator来定义的；视觉角度是利用ViewPoint来定义；视觉点是通过OrientationInterpolator定义的，且数目与插补器数目相同；人与虚拟场景的交互是通过传感器ProximinitySensor实现，数据的实时交互是通过时间传感器TimeSensor实现。在进行交互时，首先TimeSensor通过fraction_changed算法向PositionInterpolator和OrientationInterpolator节点输出数据；然后在PositionInterpolator和OrientationInterpolator节点通过value_changed算法传送给ViewPoint节点，在ViewPoint节点中通过set_position和set_orientation来输入事件，实现交互。

4 总结

本文建立了一种基于虚拟交互模型的图书馆借阅系统，并对其结构和原理进行了介绍。虚拟场景中的运动通过洗出算法实现，虚拟场景建模采用包围盒算法和纹理贴图技术实现。该借阅平台的借阅和管理交互均是基于VRML语言建立的，通过导入Script节点或修改Script节点调用Java程序，从而实现虚拟交互功能。