船體三維網(wǎng)格圖形用戶界面設(shè)計(jì)探析

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摘要:由于船體三維立體顯示存在一定不足，且圖形特征匹配錯(cuò)誤等，導(dǎo)致當(dāng)前用戶界面設(shè)計(jì)無(wú)法有效輔助船體三維網(wǎng)格模型設(shè)計(jì)。為此，提出船體三維網(wǎng)格的圖形用戶界面設(shè)計(jì)方法。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)圖形用戶三維虛擬顯示界面。以此為基礎(chǔ)，通過(guò)識(shí)別不同手勢(shì)指令，無(wú)接觸虛擬操作用戶界面功能模塊，實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)交互，輔助完成船體網(wǎng)格模型模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明：與基于圖形推理、基于機(jī)械點(diǎn)陣以及基于數(shù)字圖像處理技術(shù)等3種方法設(shè)計(jì)的界面交互結(jié)果相比，所研究方法設(shè)計(jì)下的用戶界面交互匹配指數(shù)更高，每種手勢(shì)的平均反應(yīng)延遲更短，說(shuō)明該用戶界面表現(xiàn)更好。

關(guān)鍵詞：船體三維網(wǎng)格；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；手勢(shì)指令；圖形用戶界面

0引言

船舶作為海上重要的行駛工具，在貨物運(yùn)輸、海上巡航以及資源探測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。船舶在設(shè)計(jì)完成后，需要借助計(jì)算機(jī)技術(shù)生成船體三維網(wǎng)格模型，然后利用有限元分析技術(shù)仿真模擬船舶運(yùn)動(dòng)和各種載荷之間碰撞檢測(cè)，以事先了解船舶航行狀況，保證船舶行駛安全。然而，利用現(xiàn)有的二維交互界面進(jìn)行船體三維網(wǎng)格模型仿真模擬測(cè)試，經(jīng)常出現(xiàn)不適配的問(wèn)題，二維圖形無(wú)法有效展示三維模擬過(guò)程以及二維交互界面無(wú)法與三維網(wǎng)格模型實(shí)現(xiàn)有效交互[1]。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種滿足船體三維網(wǎng)格模型仿真模擬需要的圖形用戶界面。目前，關(guān)于用戶界面設(shè)計(jì)方法主要有3種，即基于圖形推理的界面設(shè)計(jì)方法、基于機(jī)械點(diǎn)陣的界面設(shè)計(jì)方法以及基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的界面設(shè)計(jì)方法。這3種方法雖然設(shè)計(jì)的界面能夠滿足圖形顯示和交互的需要，但由于缺乏有效三維交互手段，與船體三維網(wǎng)格模型之間無(wú)法通過(guò)界面實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且快速的交互，總是出現(xiàn)延遲和操作失效等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種針對(duì)船體三維網(wǎng)格的圖形用戶界面設(shè)計(jì)方法。通過(guò)本研究以期為船體三維網(wǎng)格仿真模擬提供可靠的輔助交互手段，提高船舶碰撞有限元仿真檢測(cè)的操作簡(jiǎn)便性和準(zhǔn)確性。

1船體三維網(wǎng)格模型的圖形用戶交互界面設(shè)計(jì)

為應(yīng)對(duì)船舶航行時(shí)的突發(fā)狀況，提前做好應(yīng)對(duì)處理策略，在船舶下海前，通過(guò)有限元分析技術(shù)建立船體三維網(wǎng)格模型，進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)和各種載荷之間碰撞的模擬測(cè)試至關(guān)重要。而碰撞模擬測(cè)試離不開交互界面的參與，它是人機(jī)交互的重要窗口，其圖形用戶界面設(shè)計(jì)合理性，能使模擬操作更為準(zhǔn)確，交互更加方便[2]?；诖?，針對(duì)船體三維網(wǎng)格模型設(shè)計(jì)圖形用戶交互界面。用戶界面設(shè)計(jì)分為界面顯示設(shè)計(jì)以及界面交互設(shè)計(jì)2個(gè)部分。

1.1圖形用戶界面顯示設(shè)計(jì)

要想有效顯示船體三維網(wǎng)格模型，其展示界面最好是與之配套的三維用戶界面。因此，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行三維圖形用戶界面顯示設(shè)計(jì)[3]。設(shè)計(jì)過(guò)程如下：步驟1明確圖形用戶界面設(shè)計(jì)目標(biāo)和需要。步驟2確定與艦船船體三維網(wǎng)格模型進(jìn)行交互所需要的圖形用戶界面上存在的功能模塊。步驟3基于圖像采集技術(shù)以及艦船設(shè)計(jì)方案圖紙，獲取用戶交互界面終端的幾何模型及其相關(guān)數(shù)據(jù)。步驟4建立三維船體網(wǎng)格場(chǎng)景和二維用戶界面顯示屏的坐標(biāo)映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)基本坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。步驟5基于虛擬建模軟件，如OpenGHz建立界面虛擬建模。步驟6視野全屏化窗口設(shè)計(jì)。艦船船體的碰撞模擬，需要一個(gè)全視角觀察窗口，需要在界面設(shè)計(jì)中加入視野全屏化窗口設(shè)計(jì)。步驟7紋理映射。為使三維虛擬用戶界面更為逼真，需要在界面虛擬模型上貼上紋理圖像。步驟8渲染，即對(duì)交互環(huán)境進(jìn)行光照處理，提升界面操作真實(shí)感，以便提高艦船船體三維網(wǎng)格模型仿真碰撞模擬的真實(shí)性。

1.2圖形用戶界面交互設(shè)計(jì)

用戶界面不僅起到操作功能顯示的作用，還起功能交互的作用，也就是用戶操作指令的點(diǎn)擊和輸入。為了與三維虛擬交互界面匹配，通過(guò)手勢(shì)識(shí)別技術(shù)構(gòu)建一種非接觸式的交互方式[4]。該方式設(shè)計(jì)過(guò)程如下：步驟1設(shè)置指令與手勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表；步驟2搭建手勢(shì)采集場(chǎng)景；步驟3利用攝像機(jī)采集交互手勢(shì)圖像；步驟4對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，灰度化處理公式如下：ξ(i,j)=0.30R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j)。(1)ξ(i,j)R(i,j)G(i,j)B(i,j)0.300.590.11式中：代表灰度化處理后的圖像；，，代表色彩三分量；，，分別為權(quán)值。步驟5對(duì)圖像進(jìn)行去噪，提高圖像質(zhì)量，去噪方法通過(guò)計(jì)算圖像3×3模板內(nèi)的像素均值來(lái)代替原有像素值。公式如下：T(i,j)=1N∑f∈sf(i,j)(2)T(i,j)f(i,j)sM式中，代表去噪后的圖像；為原圖像的灰度值；代表模板所有鄰域像素集合；代表模板中像素?cái)?shù)量。步驟6圖像邊緣提取，利用提取算子Canny提取圖像中目標(biāo)手勢(shì)邊緣。步驟7圖像背景消除?；谔崛〉倪吘墸瑢?shí)現(xiàn)目標(biāo)手勢(shì)與背景的分割，只保留目標(biāo)手勢(shì)部分區(qū)域。步驟8基于深度學(xué)習(xí)算法中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建手勢(shì)識(shí)別分類器，識(shí)別手術(shù)類型，對(duì)比指令與手勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，得出手勢(shì)指令代表的含義，控制用戶界面操作，完成交互。通過(guò)手勢(shì)識(shí)別實(shí)現(xiàn)用戶界面操控，完成船體三維網(wǎng)格模擬的仿真碰撞模擬。

2算例分析

2.1船體三維網(wǎng)格模型

基于Abaqus軟件，建立船體三維網(wǎng)格模型，該模型示意圖如圖1所示。以該模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行下述用戶界面使用測(cè)試。

2.2指令與手勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)置

在用戶界面設(shè)計(jì)中，按照表1給出的手勢(shì)指令實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)操作用戶界面功能模塊，對(duì)圖1進(jìn)行船體三維網(wǎng)格模型碰撞仿真模擬。不同手勢(shì)對(duì)應(yīng)不同的用戶界面操作指令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2.3界面交互場(chǎng)景搭建

為圖形用戶界面操作搭建場(chǎng)景，如圖2所示。

2.4用戶界面交互過(guò)程設(shè)計(jì)

在圖2場(chǎng)景中逐一擺出上述表1的交互手勢(shì)，重復(fù)10次過(guò)程，其流程如圖3所示。借助設(shè)計(jì)的界面，完成船體三維網(wǎng)格模型的碰撞仿真模擬。

3用戶界面應(yīng)用性能測(cè)試

統(tǒng)計(jì)重復(fù)10次的界面使用的交互匹配指數(shù)以及每種手勢(shì)的平均反應(yīng)延遲，并與相同條件下，基于圖形推理、基于機(jī)械點(diǎn)陣以及基于數(shù)字圖像處理技術(shù)等3種方法設(shè)計(jì)界面的交互結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯瑧?yīng)用4種不同設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來(lái)的用戶界面進(jìn)行交互，其中所研究方法設(shè)計(jì)出來(lái)的界面交互匹配指數(shù)更高以及每種手勢(shì)的平均反應(yīng)延遲更短，由此說(shuō)明該用戶界面表現(xiàn)更好，能給用戶帶來(lái)更好的交互體驗(yàn)。

4結(jié)語(yǔ)

基于船體三維網(wǎng)格模型的碰撞試驗(yàn)是船舶出廠前必須進(jìn)行的步驟，主要是對(duì)船舶的安全性能進(jìn)行測(cè)試。然而，碰撞模擬測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)用戶界面并不能很好地輔助完成測(cè)試，缺乏三維立體顯示以及有效地操控。為此，針對(duì)船體三維網(wǎng)格模型設(shè)計(jì)圖形用戶交互界面。最后經(jīng)算例分析，所研究方法設(shè)計(jì)出來(lái)的界面應(yīng)用性能表面更好，體驗(yàn)感更優(yōu)秀，能滿足碰撞模擬測(cè)試的需要。然而，本研究所給出的樣本手勢(shì)較少，而實(shí)際情況中碰撞模擬測(cè)試操作指令更加復(fù)雜，因此有待進(jìn)一步擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證用戶界面設(shè)計(jì)的合理性。

作者:高圣斐 單位:江西科技學(xué)院