一种基于用户意图与空间关系学的AR自适应可视化方法及系统

本发明属于增强现实人机交互，具体涉及一种基于用户意图与空间关系学的ar自适应可视化方法及系统，适用于智能工厂产线仿真评审、设备状态巡检及工业运维辅助决策等复杂工业场景下的增强现实信息自适应呈现。

背景技术：

1、增强现实（augmented reality, ar）技术通过将计算机生成的虚拟信息叠加至用户对真实环境的视野中，实现虚实融合的交互体验。近年来，随着头戴式ar设备（如hololens、magic leap等）的逐步成熟，ar技术在智能工厂产线仿真评审、设备状态巡检、工业装配指导等智能制造领域得到了日益广泛的应用。通过将设备状态参数、工艺指导信息、三维模型等虚拟内容锚定在物理设备或空间的对应位置上，ar技术为现场作业人员提供了直观的信息获取方式，从而显著提升运维效率和决策质量。

2、然而，现有ar信息可视化方法在面向复杂工业场景的实际应用中仍存在以下技术缺陷：

3、首先，固定坐标锚定导致视觉遮挡与信息过载。现有ar系统通常将虚拟信息面板固定在物理设备的相对空间坐标上。当用户在车间等复杂环境中移动或变换视角时，大量堆叠的虚拟信息面板容易与现实物体产生严重的视觉冲突，导致关键信息被遮挡；与此同时，信息在空间中的无序堆叠进一步加重了用户的视觉负担，造成信息过载，使用户难以从大量琐碎信息中快速筛选出当前任务所需的相关信息。

4、其次，细节层次僵化，缺乏基于空间关系的语义级自适应。现有ar系统普遍采用层次化细节（level of detail, lod）技术来优化渲染性能，但其应用主要停留在依据空间距离降低模型几何面片数以节省渲染算力的层面，未能根据用户与设备之间的空间关系动态调整信息呈现的语义密度与内容层级。无论用户在3米外进行宏观概览，还是在0.3米处进行细节检查，系统往往呈现相同的信息面板，导致远距离时视野信息过密、近距离检查时细节不足。此外，现有基于固定阈值的lod切换方案缺乏平滑过渡机制，当用户在区域边界附近移动时容易引发画面频繁闪烁和跳变，严重影响用户的视觉体验和任务执行效率。

5、最后，忽视用户意图，信息呈现被动僵化。现有ar系统难以通过用户的隐式行为（如注视模式、头部运动等）有效感知用户当前的任务意图，如用户究竟是在进行全局概览、详细检查，还是正在寻找特定设备。信息呈现缺乏面向任务的主动适配能力，导致无论是何种操作场景，系统均以相同的方式呈现信息，无法根据用户当前的任务需求主动调整信息的显示优先级和呈现方式，严重影响了虚拟评审和现场作业的效率。

6、综上所述，如何在增强现实环境中同时解决视觉遮挡与信息过载、实现基于空间关系的语义级自适应、主动感知用户意图并据此动态调整信息呈现，并确保显示切换过程的平滑无跳变，已成为本领域亟待解决的技术难题。

7、有鉴于此，特提出此发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于用户意图与空间关系学的ar自适应可视化方法及系统，主要用于解决现有增强现实信息可视化方法中存在的视觉遮挡与信息过载、细节层次僵化且缺乏基于空间关系的语义级自适应、忽视用户意图导致信息呈现被动僵化、以及显示层级切换时画面频繁闪烁跳变等技术问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

3、一方面，本发明提供了一种基于用户意图与空间关系学的ar自适应可视化方法，包括以下步骤：

4、步骤1、多模态数据采集：通过增强现实设备的传感器实时采集用户的空间状态数据与行为数据；所述空间状态数据至少包括用户头部中心位置、头部姿态及视线方向；所述行为数据至少包括注视时长、头部角速度、语音导航指令及环境告警信号；

5、步骤2、空间关系计算与区域划分：根据所述用户头部中心位置与场景中每一虚拟要素的空间位置计算欧氏距离；根据所述头部姿态与所述视线方向确定用户头部视线方向的单位向量，并根据所述用户头部中心位置与所述虚拟要素的空间位置确定用户头部中心指向目标虚拟要素中心的单位向量，再根据与计算视线夹角；依据所述欧氏距离将虚拟要素划分为交互区域、注意区域和无关区域，依据所述视线夹角将虚拟要素划分为聚焦区域、周边区域和忽略区域，从而获得该虚拟要素相对于用户的空间关系状态；

6、步骤3、用户意图识别：根据所述注视时长、所述视线夹角、头部角速度、语音导航指令及告警触发事件，识别用户处于详细分析、概览浏览或导航寻址中的一种或多种意图状态，并生成用户意图权重向量，所述用户意图权重向量包含分别对应于详细分析意图、概览浏览意图和导航寻址意图的权重分量，且各分量之和为1；

7、步骤4、交互关联度计算：获取每一所述虚拟要素预设的语义重要性权重；根据所述用户意图权重向量分别确定距离权重对应的第一加权系数、角度权重对应的第二加权系数和语义重要性权重对应的第三加权系数；依据所述欧氏距离确定距离权重，依据所述视线夹角确定角度权重，所述距离权重随所述欧氏距离增大而递减，所述角度权重随所述视线夹角增大而递减；按照如下公式计算每一所述虚拟要素在当前时刻的交互关联度：

8、

9、步骤5、自适应显示策略决策：根据所述交互关联度与预设阈值的比较结果，确定每一虚拟要素的显示细节层级和信息面板展开程度；同时根据所述欧氏距离和所述交互关联度调整虚拟要素的模型面片数和信息显示密度；

10、步骤6、平滑渲染与遮挡重定位：在虚拟要素的显示层级发生切换时，根据用户移动前后的欧氏距离差值计算过渡时间，并在所述过渡时间内对模型面片数及信息面板的展开程度分别进行平滑渐变；同时检测所述虚拟要素及其信息面板是否被真实实体遮挡，当满足预设触发条件时触发面板坐标重算，并通过缓动函数控制面板移动至可视区域，以消除画面跳变。

11、进一步地，步骤2中，所述视线夹角的计算公式为：

12、

13、式中，为用户头部视线方向的单位向量，为用户头部中心指向目标虚拟要素中心的向量。

14、进一步地，步骤2中，依据所述欧氏距离将虚拟要素划分为交互区域、注意区域和无关区域的具体方式为：当所述欧氏距离小于第一距离阈值时判定为交互区域，当所述欧氏距离大于或等于所述第一距离阈值且小于第二距离阈值时判定为注意区域，当所述欧氏距离大于或等于所述第二距离阈值时判定为无关区域；

15、依据所述视线夹角将虚拟要素划分为聚焦区域、周边区域和忽略区域的具体方式为：当所述视线夹角小于第一角度阈值时判定为聚焦区域，当所述视线夹角大于或等于所述第一角度阈值且小于第二角度阈值时判定为周边区域，当所述视线夹角大于等于所述第二角度阈值时判定为忽略区域。

16、进一步地，步骤3中，所述用户意图的识别方式为：当用户视线注视某一虚拟要素且停留超过第一时间阈值时，判定为详细分析意图并赋予高分析权重；当用户头部角速度高于预设角速度阈值且无超过所述第一时间阈值的注视行为时，判定为概览浏览意图并赋予高浏览权重；当系统接收到导航语音指令或触发紧急告警事件时，判定为导航寻址意图并赋予高导航权重。

17、进一步地，步骤4中，所述第一加权系数、第二加权系数和第三加权系数由所述用户意图权重向量驱动的具体方式为：当识别为详细分析意图时，增大所述第一加权系数和所述第二加权系数的值；当识别为概览浏览意图或导航寻址意图时，增大所述第三加权系数的值。

18、进一步地，步骤5中，当所述视线夹角处于聚焦区域且注视时长超过设定时间阈值时，在注视点周围设定半径范围内划分高精度子网格，并对所述高精度子网格的纹理分辨率乘以提升倍率因子，同时执行边缘高亮渲染以实现局部细节增强。

19、进一步地，步骤6中，所述过渡时间的计算公式为：

20、

21、式中，为预设的时间系数，和分别为用户移动前后的欧氏距离。

22、进一步地，步骤6中，在所述过渡时间内，所述模型面片数采用如下线性插值公式进行平滑渐变：

23、

24、式中，为模型面片数，和分别为相邻两级lod标准下的目标面片数，为过渡起始时间，为过渡结束时间，为当前时间。

25、进一步地，步骤6中，所述预设触发条件包括位置阈值和时间更新阈值；当用户头部移动位移的绝对值超过所述位置阈值，或用户头部静止超过所述时间更新阈值且无新指令输入时，触发面板坐标重算。

26、另一方面，本发明还提供了一种基于用户意图与空间关系学的ar自适应可视化系统，用于执行上述所述的方法，包括：

27、数据采集模块，用于实时采集用户的空间状态数据与行为数据；

28、空间关系计算模块，与所述数据采集模块连接，用于根据所述用户头部中心位置与场景中每一虚拟要素的空间位置计算欧氏距离和视线夹角，并依据所述欧氏距离将虚拟要素划分为交互区域、注意区域和无关区域，依据所述视线夹角将虚拟要素划分为聚焦区域、周边区域和忽略区域；

29、用户意图识别模块，与所述数据采集模块连接，用于根据所述注视时长、头部角速度、语音导航指令及告警触发事件识别用户意图状态并生成用户意图权重向量；

30、交互关联度决策模块，分别与所述空间关系计算模块和所述用户意图识别模块连接，用于获取每一所述虚拟要素预设的语义重要性权重，根据所述用户意图权重向量分别确定距离权重对应的第一加权系数、角度权重对应的第二加权系数和语义重要性权重对应的第三加权系数，依据所述欧氏距离确定距离权重，依据所述视线夹角确定角度权重，并对所述距离权重、所述角度权重和所述语义重要性权重进行加权求和，以计算每一所述虚拟要素在当前时刻的交互关联度；所述交互关联度决策模块还用于根据所述与预设阈值的比较结果输出显示策略决策信号；

31、自适应可视化渲染模块，与所述交互关联度决策模块连接，用于根据所述决策信号调整所述虚拟要素的显示细节层级、模型面片数、纹理分辨率及信息面板展开程度；

32、遮挡检测与布局重定位模块，与所述数据采集模块和所述自适应可视化渲染模块连接，用于检测所述虚拟要素及其信息面板是否被真实实体遮挡，并在遮挡发生时重计算信息面板的显示位置；

33、平滑过渡控制模块，分别与所述交互关联度决策模块、所述遮挡检测与布局重定位模块及所述自适应可视化渲染模块连接，用于在显示层级切换时根据用户移动前后的欧氏距离差值计算过渡时间并执行平滑渐变，以及在面板重定位时执行缓动函数平滑移动。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

35、1、本发明通过构建的“意图-空间-语义”三维融合交互关联度模型，以交互关联度实现多因素协同决策，使信息呈现随用户意图和空间关注度动态适配，相比于现有技术仅依据单一因素调整lod，实现了从几何级到语义级的跨越；通过多模态隐式行为融合判定用户意图并驱动加权系数动态调整，使信息呈现从被动固定式转变为面向任务的主动适配式，有效解决了远距离信息过密与近距离细节不足、忽视用户意图导致信息呈现被动僵化的技术问题。

36、2、本发明通过双阈值空间区域划分（距离维度：交互区域/注意区域/无关区域；视线维度：聚焦区域/周边区域/忽略区域）实现了用户与虚拟要素空间关系的精细化描述，为交互关联度计算提供了精准的空间权重输入；在此基础上，当视线夹角处于聚焦区域且注视时长超过设定时间阈值时触发局部细节增强，即在注视点周围划分高精度子网格并提升纹理分辨率，结合边缘高亮渲染，模拟了人眼中央凹的高精度视觉感知特性，使高精度渲染资源仅聚焦于用户当前注视的核心区域，在保证视觉体验的前提下有效降低了整体渲染开销。

37、3、本发明通过基于用户移动前后欧氏距离差值的过渡时间计算与线性插值平滑渐变，使lod层级切换过程中的模型面片数和信息面板展开程度实现连续平滑变化，消除了传统固定阈值切换引发的画面频繁闪烁和跳变；配合位置阈值与时间更新阈值的双阈值防抖机制，有效过滤了用户头部微小晃动带来的无效触发，配合缓动函数使面板重定位过程平滑连续，显著提升了视觉舒适度和交互连贯性；同时，通过遮挡检测与面板重定位机制确保虚拟信息在复杂物理环境中始终处于可读位置，从根源上解决了视觉遮挡与信息过载的问题。

38、4、本发明在系统层面构建了从数据采集、空间关系计算、意图识别、交互关联度决策到自适应渲染输出的完整闭环数据处理链路，各模块之间连接关系清晰、数据流向明确，实现了“感知—计算—决策—渲染”的一体化协同，可部署于智能工厂产线仿真评审、设备状态巡检及工业运维辅助决策等多种工业场景；同时通过语义级lod与局部细节增强的协同配合，在保证视觉体验的前提下有效降低了整体渲染开销，提升了三维渲染性能与帧率稳定性。