船體三維網(wǎng)格圖形用戶界面設(shè)計探析

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

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

0引言

船舶作為海上重要的行駛工具，在貨物運輸、海上巡航以及資源探測等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。船舶在設(shè)計完成后，需要借助計算機技術(shù)生成船體三維網(wǎng)格模型，然后利用有限元分析技術(shù)仿真模擬船舶運動和各種載荷之間碰撞檢測，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行船體三維網(wǎng)格模型仿真模擬測試，經(jīng)常出現(xiàn)不適配的問題，二維圖形無法有效展示三維模擬過程以及二維交互界面無法與三維網(wǎng)格模型實現(xiàn)有效交互[1]。針對上述問題，設(shè)計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)計方法主要有3種，即基于圖形推理的界面設(shè)計方法、基于機械點陣的界面設(shè)計方法以及基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的界面設(shè)計方法。這3種方法雖然設(shè)計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)格模型之間無法通過界面實現(xiàn)準(zhǔn)確且快速的交互，總是出現(xiàn)延遲和操作失效等問題。針對上述問題，提出一種針對船體三維網(wǎng)格的圖形用戶界面設(shè)計方法。通過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的操作簡便性和準(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

為應(yīng)對船舶航行時的突發(fā)狀況，提前做好應(yīng)對處理策略，在船舶下海前，通過有限元分析技術(shù)建立船體三維網(wǎng)格模型，進行船舶運動和各種載荷之間碰撞的模擬測試至關(guān)重要。而碰撞模擬測試離不開交互界面的參與，它是人機交互的重要窗口，其圖形用戶界面設(shè)計合理性，能使模擬操作更為準(zhǔn)確，交互更加方便[2]?；诖耍槍Υw三維網(wǎng)格模型設(shè)計圖形用戶交互界面。用戶界面設(shè)計分為界面顯示設(shè)計以及界面交互設(shè)計2個部分。

1.1圖形用戶界面顯示設(shè)計

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)實技術(shù)進行三維圖形用戶界面顯示設(shè)計[3]。設(shè)計過程如下：步驟1明確圖形用戶界面設(shè)計目標(biāo)和需要。步驟2確定與艦船船體三維網(wǎng)格模型進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)格場景和二維用戶界面顯示屏的坐標(biāo)映射關(guān)系，實現(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。艦船船體的碰撞模擬，需要一個全視角觀察窗口，需要在界面設(shè)計中加入視野全屏化窗口設(shè)計。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，即對交互環(huán)境進行光照處理，提升界面操作真實感，以便提高艦船船體三維網(wǎng)格模型仿真碰撞模擬的真實性。

1.2圖形用戶界面交互設(shè)計

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擊和輸入。為了與三維虛擬交互界面匹配，通過手勢識別技術(shù)構(gòu)建一種非接觸式的交互方式[4]。該方式設(shè)計過程如下：步驟1設(shè)置指令與手勢的對應(yīng)關(guān)系表；步驟2搭建手勢采集場景；步驟3利用攝像機采集交互手勢圖像；步驟4對圖像進行灰度化處理，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對圖像進行去噪，提高圖像質(zhì)量，去噪方法通過計算圖像3×3模板內(nèi)的像素均值來代替原有像素值。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；代表模板中像素數(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)手勢邊緣。步驟7圖像背景消除。基于提取的邊緣，實現(xiàn)目標(biāo)手勢與背景的分割，只保留目標(biāo)手勢部分區(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)建手勢識別分類器，識別手術(shù)類型，對比指令與手勢的對應(yīng)關(guān)系表，得出手勢指令代表的含義，控制用戶界面操作，完成交互。通過手勢識別實現(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)，進行下述用戶界面使用測試。

2.2指令與手勢的對應(yīng)關(guān)系設(shè)置

在用戶界面設(shè)計中，按照表1給出的手勢指令實現(xiàn)人機交互，通過操作用戶界面功能模塊，對圖1進行船體三維網(wǎng)格模型碰撞仿真模擬。不同手勢對應(yīng)不同的用戶界面操作指令，實現(xiàn)人機交互。

2.3界面交互場景搭建

為圖形用戶界面操作搭建場景，如圖2所示。

2.4用戶界面交互過程設(shè)計

在圖2場景中逐一擺出上述表1的交互手勢，重復(fù)10次過程，其流程如圖3所示。借助設(shè)計的界面，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)用性能測試

統(tǒng)計重復(fù)10次的界面使用的交互匹配指數(shù)以及每種手勢的平均反應(yīng)延遲，并與相同條件下，基于圖形推理、基于機械點陣以及基于數(shù)字圖像處理技術(shù)等3種方法設(shè)計界面的交互結(jié)果進行對比，結(jié)果如表2所示。可以看出，應(yīng)用4種不同設(shè)計方法設(shè)計出來的用戶界面進行交互，其中所研究方法設(shè)計出來的界面交互匹配指數(shù)更高以及每種手勢的平均反應(yīng)延遲更短，由此說明該用戶界面表現(xiàn)更好，能給用戶帶來更好的交互體驗。

4結(jié)語

基于船體三維網(wǎng)格模型的碰撞試驗是船舶出廠前必須進行的步驟，主要是對船舶的安全性能進行測試。然而，碰撞模擬測試過程中，發(fā)現(xiàn)用戶界面并不能很好地輔助完成測試，缺乏三維立體顯示以及有效地操控。為此，針對船體三維網(wǎng)格模型設(shè)計圖形用戶交互界面。最后經(jīng)算例分析，所研究方法設(shè)計出來的界面應(yīng)用性能表面更好，體驗感更優(yōu)秀，能滿足碰撞模擬測試的需要。然而，本研究所給出的樣本手勢較少，而實際情況中碰撞模擬測試操作指令更加復(fù)雜，因此有待進一步擴展實驗，進一步驗證用戶界面設(shè)計的合理性。

作者:高圣斐 單位:江西科技學(xué)院