System zur Erzeugung von Labyrinthlandschaften mit verbessertem visuellen Realismus [Übersetzung des Artikels von Jinmo Kim]

Hallo Habr!

In diesem Beitrag werde ich über einen Artikel von Jinmo Kim sprechen: "Maze Terrain Authoring System in immersiver virtueller Realität für neuen visuellen Realismus". Es wurde am 04/04/2019 veröffentlicht. Den vollständigen Text des Artikels finden Sie hier .

Kurze Beschreibung des Systems

Der Artikel schlägt das System des Autors zur Erstellung von Labyrinthlandschaften vor, mit dem der Benutzer automatisch verschiedene komplexe Muster in einem einfachen und intuitiven System erzeugen kann. Mit den im Programm berechneten Labyrinthinformationen wird schnell und effizient eine dreidimensionale Labyrinthlandschaft erzeugt.

Das vorgeschlagene System zur Erzeugung von Labyrinthlandschaften besteht aus drei Hauptfunktionen:

• die Funktion der automatischen Erzeugung eines Labyrinthgitters verschiedener Größen und Muster, implementiert unter Verwendung des klassischen Algorithmus zur Erzeugung von Labyrinthen;
• kreisförmige Labyrinth-Erzeugungsfunktion;
• die Funktion, ein Labyrinth aus einer manuellen Skizze mithilfe eines Bildverarbeitungsalgorithmus in ein 3D-Objekt umzuwandeln.

Mit dem vorgeschlagenen System, das aus diesen drei Funktionen besteht, ist es möglich, verschiedene Labyrinthe effektiv zu erzeugen, von homogen bis unregelmäßig. Diese Entwicklung ermöglicht es Ihnen, Labyrinthlandschaften verschiedener Konzepte direkt aus den Berechnungen zu generieren, die mit demselben System durchgeführt wurden. Zusätzlich analysiert diese Arbeit die Verbesserung des Effekts der Anwesenheit und des Eintauchens in die virtuelle Realität, d.h. visueller Realismus. In dieser Arbeit wurde auch anhand einer Umfrage die Eignung des vorgeschlagenen Autorensystems analysiert.

Warum virtuelle Realität?

Um eine realistische Erfahrung zu machen, müssen Sie mit den menschlichen Sinnen interagieren. Die virtuelle Realität ermöglicht es einer Person, eine solche Erfahrung durch Interaktion mit visuellen, akustischen und taktilen Gefühlen zu sammeln. In der virtuellen Realität ist der Präsenz-Effekt wichtig, wodurch der Benutzer eine realistische Erfahrung machen kann, die auf Gefühlen darüber basiert, wo er sich befindet, mit wem und welche Aktionen er ausführt.

Um den Effekt der Präsenz in der virtuellen Realität zu erhöhen, ist es wichtig, wie der Benutzer mit der virtuellen Umgebung interagiert. Nicht weniger wichtig ist jedoch, wie vielfältige virtuelle Szenen bereitgestellt werden, um den Benutzer visuell zufrieden zu stellen.

In Studien zu hardwareorientierten Virtual-Reality-Systemen (taktile Systeme, Bewegungsplattformen usw.) wurden zur realistischen Darstellung von Benutzeraktionen und -bewegungen in der virtuellen Realität nur experimentelle Szenen verwendet, in denen der Platz in ihnen begrenzt war und die Struktur der Szenen einfach war die meisten Fälle. Da die VR-Technologie in verschiedenen Bereichen wie der bildenden Kunst und dem Architekturdesign sowie in Spielen eingesetzt wird, sind spezielle Studien erforderlich, um einen komplexen virtuellen Raum gemäß VR zu schaffen. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit Studien zu Methoden zur automatischen Erstellung virtueller Szenen wie städtischer Räume und virtueller Landschaften durchgeführt, die komplexe Strukturen und verschiedene Merkmale aufweisen.

Eintauchen in die virtuelle Realität

Immersive virtuelle Realität (oder immersive virtuelle Realität) ist eine solche Realität, die im menschlichen Geist bei der Interaktion mit komplexen technischen Systemen wie Virtual-Reality-Systemen geboren wird. Es hat sein eigenes einzigartiges Chronotop, Logik, existiert nur relevant, während der Benutzer in dieser Realität "präsent" ist, Interaktivität hat, als die Fähigkeit, auf Benutzeraktionen zu reagieren.

Studien zu Virtual-Reality-Tauchgängen wurden mit verschiedenen Ansätzen durchgeführt:

• Ein Display, das dreidimensionale visuelle Informationen vermittelt, um dem Benutzer eine realistische Erfahrung in einer virtuellen Umgebung zu bieten, die auf fünf Sinnen basiert
• Klangverarbeitung für eine verbesserte räumliche Wahrnehmung mit Surround-Sound
• Eine Methode zur Interaktion mit einer virtuellen Umgebung sowie ein taktiles System und eine Bewegungsplattform, die physische Reaktionen auf den menschlichen Körper (Arme, Beine usw.) zurückleiten.

Um den Effekt der Präsenz in der virtuellen Realität zu erzielen, muss der Benutzer visuell zufrieden sein. Aus diesem Grund besteht ein wachsendes Interesse an multimodaler Forschung, die sowohl visuelle und auditive Empfindungen oder visuelle und taktile Empfindungen untersucht als auch Studien zu pseudotaktilen Systemen, die visuelle Erfahrung und taktile Systeme kombinieren.

Verbesserung des visuellen Realismus

Für eine Vielzahl von VR-Anwendungen ist ein Verfahren zum Erzeugen einer virtuellen Szene erforderlich, das einen verbesserten Präsenzeffekt zusammen mit neuen visuellen Erfahrungen für den Benutzer in einer virtuellen Umgebung bieten kann. In Zukunft werden sich Virtual-Reality-Szenen von kleinen und begrenzten Räumen wie Innenräumen befreien und weite offene Landschaften wie Städte und virtuelle Welten schaffen, um den Benutzern mehr Auswahlmöglichkeiten zu bieten.

In dieser Arbeit wird ein optimiertes Authoring-System vorgeschlagen, um virtuelle Labyrinthszenen zu erstellen, die neue Erfahrungen bieten und die Wirkung der Benutzerpräsenz in der virtuellen Realität verbessern können. Es basiert auf traditioneller Forschung und kann vielfältigere virtuelle Labyrinthszenen in einer einfachen, intuitiven und benutzerfreundlichen Struktur erzeugen.

Labyrinth Landschaftssystem

Das vorgeschlagene System erstellt eine virtuelle Landschaft des Labyrinths mit dem Effekt, den visuellen Realismus für Benutzer in der virtuellen Realität mithilfe verschiedener visueller Effekte zu verbessern. Es enthält drei Grundfunktionen, die automatisch verschiedene Labyrinthmuster erzeugen und in Informationen umwandeln, die zum Erstellen einer dreidimensionalen Oberfläche des Labyrinths erforderlich sind.

Erzeugen Sie ein geradliniges Labyrinthmuster

Die erste Funktion des Labyrinth-Landschaftserstellungssystems besteht darin, automatisch Labyrinthmuster unter Verwendung des klassischen Labyrinth-Erzeugungsalgorithmus zu erzeugen. Ein wichtiger Faktor ist die Notwendigkeit, das endgültige Labyrinth zu erstellen. Es müssen verschiedene Pfade oder ein absoluter Pfad vorhanden sein, damit der Benutzer nicht im Labyrinth gefangen ist. Dies verhindert, dass Benutzer an einer VR-Krankheit leiden, die ein ernstes Problem der virtuellen Realität darstellt. Diese Funktion basiert auf dem Algorithmus von Lee et al., Der mit dem Prim-Algorithmus ein Labyrinthmuster erzeugt.

Der Algorithmus für die endgültige Erzeugung des Labyrinths von Lee usw. ist eine Methode, die mit den folgenden Prozessen beginnt: (1) Einstellen der Startposition und (2) zufälliges Einstellen der Straßenzelle aus den umgebenden Zellen. Dann (3) untersucht der Algorithmus vier Zellen in der Richtung (Bestimmen der Struktur der Zellschichten nach Hinzufügen dieser vier umgebenden Zellen zur Sammlung als Wandzellen). Dann wiederholt der Algorithmus die Prozesse (4, 5), um eine der aufgezeichneten Zellen der Wand zu finden, und erstellt dann eine Straße.

Die folgenden Abbildungen zeigen den Prozess der Erstellung einer geradlinigen Labyrinthschablone. Der Benutzer legt die Größe der Labyrinthvorlage fest. Wenn Sie auf die Schaltfläche „Labyrinth“ klicken, wird die Labyrinthvorlage automatisch berechnet und generiert.

Wenn der Benutzer die Vorlage des automatisch erstellten Labyrinths bearbeiten möchte, wird der Modus „Bearbeiten“ ausgewählt. Der Benutzer bearbeitet mit der Maus das Präsentationsfeld der Labyrinthvorlage, indem er auf die Zelle klickt. Anschließend wird sie automatisch von Wand zu Straße oder von Straße zu Wand konvertiert. Nachdem die Labyrinthvorlage erstellt wurde, hat der Benutzer die Möglichkeit, das resultierende Labyrinth im 3D-Format anzuzeigen.

Sehen Sie sich das Labyrinth in 3D an

Die Methode zum Erstellen eines kreisförmigen Labyrinths

Die zweite Funktion des vorgeschlagenen Autorensystems zur Erstellung einer Labyrinthlandschaft ist die Methode zur Erzeugung eines kreisförmigen Labyrinths. Diese Methode erstellt automatisch kreisförmige Labyrinthe mit verschiedenen Größen und Mustern und ist eine gute Ergänzung zur Funktion der Erzeugung von Labyrinthmustern in Form eines rechteckigen Gitters. Somit erweitert diese Methode das visuelle Erlebnis der Benutzer in der virtuellen Realität. Der Prozess der Erstellung und Installation von Wänden und Straßenzellen ist grundsätzlich identisch. Bei einem kreisförmigen Labyrinth sind die Eingabeeigenschaften der Radius des Labyrinths und die Anzahl der Einträge im Labyrinth.

Wenn der Benutzer den gewünschten Radius des Labyrinths betritt, werden zunächst die Wände der Wände des kreisförmigen Labyrinths automatisch vom Algorithmus zum Zeichnen eines Kreises von einem zentralen Punkt aus berechnet. Dann wird die Wand des kreisförmigen Labyrinths viele Male mit einem bestimmten Intervall (ns) vom äußeren Kreis dupliziert. Basierend auf der Anzahl der vom Benutzer eingegebenen Einträge werden Passagen erstellt, indem die Wandzellen so oft gedreht werden, wie die Eingaben aus dem äußersten Kreis stammen sollen.

Die Zellen, die als Ausgangspunkt für den Eintritt in den äußeren Kreis dienen, werden so oft zufällig ausgewählt, wie die Anzahl der Eingänge in das Labyrinth sein sollte. Dann wird in der ausgewählten Zelle eine Wandzelle ausgewählt, deren Länge mit dem Intervall (ns) zwischen den kreisförmigen Wänden übereinstimmt und die sich gerade genug dreht, um die innere kreisförmige Wand zu berühren.
Wenn schließlich eine Wandzelle in der Position auftritt, in der sie gedreht wird und die innere kreisförmige Wand berührt, wird der obige Algorithmus wiederholt.

1: nr ←   . 2: ne ←    . 3: procedure     (nr, ne) 4: ns ←       . 5: while nr > ns do 6:         . 7: nr = nr - ns. 8: end while 9: nc ←    . 10: Arre[ne] ←  ,  ne      . 11: for i = nc, 0 do:     . 12: for j = 0, ne do 13:     ns    (Arre[j]). 14:   . 15:  Arre[j],  ,      . 16: end for 17: end for 18: end procedure 

 nr ← radius of the circular maze. ne ← number of maze entrances. procedure CIRCULAR MAZE GENERATION PROCESS(nr, ne) ns ← interval between maze for user road. while nr > ns do define wall cell by using Bresenham's circle drawing algorithm. nr = nr - ns. end while nc ← number of drawing circles. Arre[ne] ← as many entrance cells as ne are selected from wall cell of the outermost circle. for i = nc, 0 do: generate passages in every circle. for j = 0, ne do select cells with length of ns in entrance cell (Arre[j]). rotate selected cells. renew Arre[j] by finding a cell that meets the inner circle after rotation. end for end for end procedure 

Der obige Algorithmus dieses Prozesses basiert auf den Eingabeparametern des Radius des kreisförmigen Labyrinths und der Anzahl der vom Benutzer eingegebenen Eingaben. Die folgende Abbildung zeigt auch den Vorgang zum Erstellen eines kreisförmigen Labyrinths.

Skizzenbasiertes Labyrinth

Die letzte Funktion des Labyrinth-Erstellungssystems in dieser Arbeit ist die Erzeugung des Labyrinths basierend auf der Skizze. Muster von geradlinigen und kreisförmigen Labyrinthen sind homogene Labyrinthe. In den meisten Fällen hat der Labyrinthpark, dem wir im Alltag begegnen können, jedoch eine unregelmäßige Form. Daher wird in dieser Arbeit eine Funktion vorgeschlagen, die aus einem handgezeichneten Skizzenbild eines Benutzers leicht eine natürliche Oberfläche des Labyrinths sowie eine Labyrinthvorlage in elektronischer Form erstellen kann. Mit dieser Funktion können Sie die Labyrinthabschnitte in verschiedenen Anwendungen verwenden, z. B. in Wegfindungssystemen oder in virtuellen Parks.

Mit der vorgeschlagenen Funktion zur Erzeugung von Labyrinthen kann der Benutzer ein Labyrinthmuster verwenden, das mit einer Grafiksoftware wie Photoshop gezeichnet wurde, oder eine gescannte Skizze, die von Hand auf ein Blatt Papier gezeichnet wurde. Das Bild wird in ein System geladen, in dem der Bildverarbeitungsalgorithmus angewendet wird, wodurch das Bild in eine Labyrinthtexturkarte umgewandelt wird. Dieser Vorgang erfolgt in drei Schritten.

• Der erste Schritt ist der Prozess des Erhaltens eines Skizzenbildes im System. Um Berechnungen nachfolgender Prozesse durchzuführen, wird ein Miniaturbild in ein Einkanalbild in Graustufen konvertiert.
• Der zweite Schritt ist das Brechen von Wänden und Straßen mithilfe der Binarisierung. Hier ist der Schwellenwert ein wichtiges Element zur Bestimmung von Mauern und Straßen. Das System kann den Eingabeschwellenwert über die Schnittstelle bearbeiten.
• Die dritte Stufe ist das Füllen der Löcher, die während des Binarisierungsprozesses entstehen.

Durch diese Schritte entsteht ein natürliches Labyrinth. Das System bietet auch einen Menüpunkt, mit dem der Benutzer die Anzahl der Iterationen des Füllvorgangs steuern kann.
Die folgende Abbildung zeigt den Prozess des Erzeugens einer Labyrinth-Texturkarte in einem schrittweisen Modus aus einer vom Benutzer gezeichneten Skizze des Labyrinths.

Labyrinthgenerierung aus Benutzerskizze

Experimentelle Ergebnisse und Analyse

Das vorgeschlagene System zum Erstellen einer Labyrinthlandschaft wurde mit Microsoft Visual Studio 2013, OpenCV 2.4.11 und DirectX SDK 9.0c implementiert. Darüber hinaus wurde die Unity 2017.3.1f1-Engine (64-Bit) verwendet, um eine Labyrinthlandschaft zu erstellen, die mithilfe grafischer Arbeiten auf der Grundlage einer Labyrinth-Texturkarte fertiggestellt wurde, die automatisch mit dem Labyrinth-Erstellungssystem des Autors erstellt wurde. Um diese Landschaft zu testen und das Ergebnis in der virtuellen Realität anzuzeigen, wurde das System mithilfe des HMD-Geräts Oculus Rift CV1 und des Oculus SDK (ovr_unity_utilities 1.22.0) in die Unity3D-Engine integriert. Schließlich verfügte der für das Experiment und die Implementierung verwendete PC über Intel Core i7-6700-Spezifikationen, 16 GB RAM (Direktzugriffsspeicher) und einen Geforce 1080-Grafikprozessor.

Die folgende Abbildung zeigt drei virtuelle Labyrinthlandschaften. Dies sind die Ergebnisse der Relieferzeugung aus den Labyrinthmustern, die unter Verwendung der betrachteten Funktionen dieses Entwicklungssystems berechnet wurden. Darüber hinaus können Sie sehen, dass verschiedene virtuelle Labyrinthumgebungen erstellt werden, indem grafische Faktoren gemäß dem Konzept hinzugefügt werden.

Darüber hinaus wurde eine Pilotumfrage durchgeführt, die sich auf gemeinsame Teilnehmer konzentrierte. Zunächst wurde in Bezug auf die Systemleistung unter Verwendung von Vergleichstests mit der Funktion, Landschaften kommerzieller Spiele-Engines zu erstellen, bestätigt, dass das vorgeschlagene System es Benutzern (Entwicklern) ermöglicht, die gewünschten Abschnitte des Labyrinths einfach und intuitiv zu bearbeiten. Dies reduzierte den Zeitaufwand und führte zu einer hohen Benutzerzufriedenheit mit dem System.

Durch eine Umfrage zum Gefühl der Präsenz wurde bestätigt, dass die Labyrinthlandschaften in der virtuellen Realität den Benutzern ein neues visuelles Erlebnis bieten können. Unter Verwendung einer statistischen Analyse wurde auch bestätigt, dass alle Stellen, die unter Verwendung der vorgeschlagenen drei Funktionen erhalten wurden, ohne signifikante Unterschiede zwischen ihnen zufriedenstellend waren. In Zukunft wird das System verfeinert, um eine großflächige virtuelle Labyrinthumgebung wie einen Labyrinthpark oder einen Themenpark bereitzustellen, in der mehrere Benutzer den Labyrinthraum gemeinsam in der virtuellen Realität erleben können.