基于虚拟现实技术的数字媒体艺术设计系统分析.pdf

计算机与图像技术Computer&Multimedia Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering162当前，数字媒体艺术设计领域呈现出快速发展的态势，逐渐对数字媒体艺术产品的质量与效率提出了更高的要求。针对这一情况，艺术设计领域结合计算机、物联网、云计算等多种技术，研发出多种类型的数字媒体艺术设计系统。对数字媒体艺术产品设计时，系统可自动对用户需求予以分析，准确了解用户的需求内容，并以此为基础，快速地得到数字媒体艺术产品设计方案，从而为现代社会更好的发展提供支持。虽然，现有数字媒体艺术设计系统存在诸多优势，但随着社会的进一步发展，使得现有设计系统逐渐体现出越来越多的不足，如与用户的交互体验不是很好等，制约了现有艺术设计系统的应用效果，不符合现代社会发展的需求。所以，现代数字媒体设计领域应对这一问题产生高度重视，针对整个领域的发展需求，利用科学、合理的技术手段，开发出性能更加良好，且功能更加完善的数字媒体艺术设计系统。这一背景下，我国越来越多的学者对新数字媒体艺术设计系统进行了研发，取得了较为不错的效果，为现代数字媒体艺术产品设计工作的开展提供了更大帮助1。通过对这些研究成果深入观察可以发现，将艺术设计系统中融入虚拟现实技术后，系统性能提升幅度最大，可以为用户提供最大的帮助。为此，本文以“基于虚拟现实技术的数字媒体艺术设计系统”为题进行了研究。1 相关概念介绍1.1 虚拟现实技术虚拟现实技术简称为 VR 技术，是融合计算机、大数据、模拟仿真等诸多先进技术而形成的一种新技术，本质上是创建出接近于现实的模拟环境，以此带给人类更加真实的感受，以此为各项工作的开展打下良好基础。VR 技术具有诸多特性，主要包括：（1）多感知性。对于传统计算机技术来说，通常只有视觉感知功能，可在一定程度上提升用户的感受效果。但现实社会不仅只有视觉感知，而且还包含听觉感知、触觉感知、味觉感知等多个方面，由于缺少这些感知，在一定程度上制约了计算机技术的应用效果。VR 技术则突破了这一屏障，在模拟场景构建时，可根据用户需求，随意融入多种不同类型的感知，使得用户体验到更加良好的感受。（2）存在感，即临场感。VR 技术所创建出来的模拟环境非常接近于现实社会，大大提升用户体验的真实感，在理想状态下，甚至会达到用户难以分辨场景真假的情况。（3）交互感。指的是用户对模拟环境中物体的可操作性及从环境得到反馈的自然程度。如在模拟环境内，用户提取物体时，用户可产生触摸的感觉，同时，手部移动时，物体的位置也不断发生改变。（4）自主性。即虚拟物体与现实物体一项，也要遵循相应的物理规律进行活动2。1.2 数字媒体艺术设计近年来，数字化技术更加成熟与完善，使得该技术应用范围越来越广泛，因而在现代社会各个领域当中，均能够发现各种类型的数字媒体艺术产品，如网络游戏画面、商品数字化包装、动漫影视作品等。现代数字媒体艺术产品越来越复杂，客户的要求越来越高，若依然采用传统数字媒体艺术产品设计方法，则很难设计出符合现代社会发展需求的艺术产品，对数字媒体及社会中基于虚拟现实技术的数字媒体艺术设计系统分析刘璐（德州职业技术学院 山东省德州市 253034）摘要：本文通过对虚拟现实技术及数字媒体艺术设计的简单介绍，进而以虚拟现实技术的为核心，从总体、硬件及软件三个方面出发，设计出一种数字媒体艺术设计系统，在硬件方面，主要由处理器、电源电路及存储器等构成；在软件方面，主要包括图像插件、视频插件及声音插件。最后，通过仿真测试的方式，对本系统性能进行了验证，通过测试可以发现，本系统性能良好，优于传统数字媒体艺术设计系统，可将本文设计的系统推广到社会当中。关键词：虚拟现实技术；数字媒体艺术设计；仿真测试计算机与图像技术Computer&Multimedia Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering163其他各个领域的发展均具有较大影响3。因此，现代数字媒体艺术产品设计过程中，应注重对 VR 技术的应用，通过该技术构建出更加逼真的虚拟环境，在该环境内，设计人员可针对客户的实际需求，设计出相应的数字媒体艺术产品，并构建出相应的产品模型，通过对该模型的观察与分析，寻找出其中存在的缺陷，并及时予以改进，从而得到最佳的数字媒体艺术产品。2 基于虚拟现实技术的数字媒体艺术设计系统设计2.1 总体设计数字媒体艺术产品设计过程中，有效对 VR 技术进行应用，可通过专业的仪器设备，构建出相应的虚拟环境，用户佩戴相应的中断设备后，即可沉浸到虚拟环境内，不仅可以全面对整个产品进行观察，另一方面还可通过听觉、视觉等对产品进行感受，有利于了解产品设计的具体情况，为数字媒体艺术产品的设计与开发提供支持。因此，现代数字媒体领域想要更好的发展，必须加强对 VR 技术的重视程度，并以此为基础，根据数字媒体艺术产品设计需求，结合现有设计系统的具体情况，逐渐将 VR 技术融入进来，以提升数字媒体艺术产品的设计效果，赋予产品设计方案更强的表现力4。为此，本研究当中，开发出了一款基于虚拟现实技术的数字媒体艺术设计系统，该系统当中，核心为 VR 技术，并借鉴了传感器、数字集成等其他多种技术，以使整个系数具有更加良好的性能。在系统框架结构方面，主要包括：（1）摄像机，用于采集现场的数据信息，以此为数字媒体艺术产品的设计提供数据支持。（2）j30j 连接器，用于将现场采集数据传输到设计系统。（3）转单端，用于对采集信号的转换。（4）现场可编程门阵列（FPGA），用于处理后数据的传输。（5）处理器，用于对各种类型的分析与处理，以此控制系统完成设计工作。（6）以太网及 RJ45 连接器，可将处理后的结果传输给计算机等元件。（7）DDR2 内存，用于存储系统运行时产生的数据信息。具体如图 1 所示。2.2 硬件设计2.2.1 处理器现代数字媒体领域，已经存在一些艺术设计系统，这些系统当中，核心模块为 DDRS 控制器，虽然该控制器存在诸多优点，但也包含一个致命的缺陷，即只可以与 DDRE-1333 处理器连接到一起，使得现有艺术设计系统的高性能具有一定局限性5。针对这一情况，本系统开发过程中，可将 DDRS 控制器保留下来，以此当做数据处理单元的一部分，同时，还选择了TMS320C6657 处理器，其具有诸多特点，包括：功能强大，包含 850MHz、1.0GHz 或 1.25GHz 的定点/浮点CPU 内核；多核导航器性能良好，不仅包括列队管理器的 8192 个多用途硬件队列，而且还存在基于包的 DMA支持零开销传输；可同时与对个外设连接等。正是因为该元件具有诸多特点，将会赋予艺术设计系统更加强大的数据处理性能。TMS320C6657 处理器性能参数如表 1所示。2.2.2 电源电路艺术设计系统的运行，需要电源电路传输驱动力。本系统电源电路设计时，选择了电流电压模式，可保证电源远远不同地向系统各功能模块传输电能，以此驱动整个系统稳定运行。本系统当中，由诸多驱动电路构成，如数据处理电路、数据传输电路、数据转换电路等，各电路功能存在一定差异，因而在实际运行过程中，所要消耗的功率完全不同，电源需要针对各个模块的实际需求，传输充足的电力能源6。基于此，本系统设计时，对各电路进行了模拟分析，以此确定出各电路的电源电路方案，具体如表 2 所示。通过对表 2 的观察能够发现，本系统工作过程中，总功耗量是 14.38W，但需要注意图 1：基于虚拟现实技术的数字媒体艺术设计系统框架结构图计算机与图像技术Computer&Multimedia Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering164的是，各模块运行时可能受到环境、系统自身等因素的影响而使电流出现波动，因而在电流电路设计时，各模块均要留出一定余量，以提升各模块及整个系统的安全性。此外，还要对电流纹波、噪声予以检测，判断两者是否处于规定范围内，若不符合规定要求，则应予以适当处理。本系统电流纹波、噪声符合要求，因而无需进行处理。表 2：各模块电路情况编号电路模块电压(V)电流(A)功耗(W)1主数据处理模块1.264.65.622数据传输模块2.30.60.53子数据处理模块1.60.22.454SRIO 连接模块1.50.80.545DDR2 内存模块1.30.50.856EMAC 显示模块1.21.62.87时钟模块3.30.61.628总计14.38所以，本系统电源电路设计时，应确定合理的总功耗量，若功耗不足，无法满足各模块功耗的分配量，影响各模块的运行，严重情况下，甚至会导致系统彭奎；若功耗较高，将使电路设计更加困难，同时严重浪费电力资源，不符合现代社会可持续发展的要求。为了符合上述分析要求，本系统设计时，采用的是 AC-DC电路，同时，在使用之前，应转换输出精度与噪声的评估指标，以此缩短研发时间。电源设计时，采用的是 MUA30220S05 模块，该模块具有诸多优势，如转换率高，在 75%以上；转换效果非常精确，误差低于1%；噪声干扰较弱，一般只有 50mV。此外，该模块与 220V 交流电源连接后，由于电流过大，很容易使系统电源或其他模块烧坏，因而在两电源之间，插入一个TNR15G241K 电阻，以对系统电源予以保护。对交流电转换后，能够获得 6V 的电压，而数据处理系统运行时，标准电压为 5V，符合要求。2.2.3 存储器存储器是本系统中重要模块之一，用于对数据的存储，这一模块设计得好坏，直接关系到整个系统的运行效果。本系统存储器设计时，选择的是金字塔结构，共分为 4 层，每层存储不同类型的数据信息，由上至下依次为：（1）片内 SRAM 层，该层容量较高，存储速度非常低；（2）片外 DRAM 层，相对于片内 SRAM 层，该层的存储速度较高一些，同时容量略有增加；（3）Flash 存储器层，数据存储容量最为庞大，因而存储效率也远低于其他层级；（4）Web 分布式存储层，又称之为远程存储层，主要存储远程控制相关信息7。其中，在片内 SRAM 中，含有一个高速缓冲存储器（Cache）模块，用于数据的快速访问；在片外DRAM 中，含有一个块随机存储器（Block RAM），用于保存外部数据或程序。在 Flash 存储器中，含有程序引导功能，现场数据采集模块获得相关数据后，第一时间将这些数据传输到上位机，用于数据分析处理与存储。2.3 软件设计硬件模块的运行，需要通过相应的软件予以控制。为此，本系统硬件设计后，还应根据硬件控制的需求，设计出合理的控制软件，并通过插件的形式，融入到系统结构当中，用于驱动系统各模块的运行。具体来说，本系统当中包括 3 种插件，分别为：2.3.1 图像插件该插件主要完成虚拟场景的构建操作。这一插件设计时，以 MapInfo 平台为依托的，其中，含有一个OpenCV 库函数，利用该函数完成虚拟场景的构建。该插件当中，主要由 3 个控件构成，分别为：图像插入控件，主要输入图像绘制有关的数据，用 ImageLoader（）类实现；图像处理控件，主要控制数据的传输，并针对分析处理结果，将相关数据传输到系统之外，利用相应的回调函数实现；图像变换控件，将外部数据传输给系统，并针对处理需求，选取相应的控制算法，主要利用CVThresholdType（）类实现。表 1：TMS320C6657 处理器性能参数表编号性能指标参数1核心C66X2时钟频率峰值1GHz，1.25GHz3程序存储器大小125kB4数据 RAM 大小3MB5运行电源电压900mV to 1.1V6运行温度谷值-407运行温度峰值+1008接口类型EMAC、I2C、UPP 等9I/O 接口32计算机与图像技术Computer&Multimedia Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering1652.3.2 视频插件视频插件当中，共包含 3 种类型，获取视频图像后，对该图像予以转换，使其变成对应的 3D 图像。系统工作时，利用安装在现场的摄像头，自动拍摄有关信息，然后，以视频插件为媒介，对数据进行处理，处理过程为：（1）在 VR 技术的作用下，对图像数据进行检索，并针对检索结果，调用系统内部存储的视频源，进而形成 CvCaptutre 对象，即视频文件读取帧的信息。（2）重复调用 CvQueryFrame 函数，在 CvCapture对象当中，采集对应的帧数据，并进行迭代计算，直到达到预期需求位置。另外，为了提升结果的准确性，还在该插件内添加了 C+程序代码，以此控制帧数据的输送8。2.3.3 声音插件本插件主要用于声音的采集，通过 BASS 实现的，先在 BassLoader 控件的作用下，获取现场的声音数据，并传输给设计系统，之后将输出参数作为句柄，以显示出归一化处理后的浮点数。最后，在数据模块当中，通过 WebcamProvider（）类的调用，控制帧数据向摄像头的传输。最后，调用 Smooth 控件及 CvContourExtractor控件，获取图像轮廓数据。3 仿真测试为了了解本系统的性能水平，本研究当中，按照上述设计方案开发出数字媒体艺术设计系统，同时选取原有系统作为对照，进而通过模拟分析的方式，对两个系统运行情况进行评估。本次测试时，共选择了10个用例，测试结果如表 3 所示。通过表 3 观察能够发现，在原有艺术设计系统当中，共有 4 个用例测试结果未达标，达标率仅有 40%；而在本文设计的系统当中，所有用例测试结果均达标，达标率为 100%。由此表明，本系统性能更加良好，远优于原有艺术设计系统，可将其大规模推广。4 总结本文提出了一种基于虚拟现实技术的数字媒体艺术设计系统方案，该方案主要有两大模块构成，一个是硬件模块，包含处理器、电源电路、存储器等元件；另一个是软件模块，即图像、视频及声音插件，在两部分共同作用下，可快速、准确地对数字媒体艺术产品进行设计。参考文献1 梅朵.景德镇陶瓷艺术设计展示中虚拟现实技术的应用与价值分析 J.陶瓷科学与艺术,2023,57(03):20-22.2 李赫,周颖.浅谈虚拟现实技术对数字媒体艺术设计的影响J.数字通信世界,2023,25(01):188-190.3 于欣.基于虚拟现实技术的环境艺术设计系统设计J.信息与电脑(理论版),2022,34(17):90-92.4 汤颖.计算机 VR 技术在数字媒体系统设计中的应用方法 J.数字技术与应用,2022,40(03):207-209.5 阮莹.沉浸式虚拟现实技术在高校艺术设计专业应用的改革方向及策略 J.中国多媒体与网络教学学报(上旬刊),2021,08(11):04-06.6 袁星.“四重螺旋”艺术设计类学生创新创业教育问题分析及生态系统模式 J.西北美术,2021,14(03):101-104.7 付志荣.基于 B/S 结构框架的计算机辅助艺术设计系统研究 J.长春师范大学学报,2021,40(02):70-76.8 斯庆,刘蓉.艺术设计课程教育教学改革与虚拟现实技术在艺术设计课程中的应用 J.中国多媒体与网络教学学报(上旬刊),2020,30(01):11-12.作者简介刘璐（1989-），女，山东省德州市人。研究生，讲师。研究方向为数字媒体。表 3：仿真测试结果表用例数据量（b）目标数量原有系统(ms)本系统(ms)操作时间是否达标操作时间是否达标用例 1512*300813.154 未达标 11.444达标用例 222.154达标1.473达标用例 368.485达标7.121达标用例 41010.143达标9.154达标用例 523.154未达标1.154达标用例 655.513达标4.154达标用例 7611.154 未达标 10.154达标用例 8410.431达标9.451达标用例 967.154未达标6.154达标用例 1023.514达标1.154达标