船體三維網格圖形用戶界面設計探析
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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，導致當前用戶界面設計無法有效輔助船體三維網格模型設計。為此，提出船體三維網格的圖形用戶界面設計方法。結合虛擬現實技術，設計圖形用戶三維虛擬顯示界面。以此為基礎，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，實現有效的人機交互，輔助完成船體網格模型模擬試驗。結果表明：與基于圖形推理、基于機械點陣以及基于數字圖像處理技術等3種方法設計的界面交互結果相比，所研究方法設計下的用戶界面交互匹配指數更高，每種手勢的平均反應延遲更短，說明該用戶界面表現更好。
關鍵詞：船體三維網格；虛擬現實技術；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域發揮了重要作用。船舶在設計完成后，需要借助計算機技術生成船體三維網格模型，然后利用有限元分析技術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，利用現有的二維交互界面進行船體三維網格模型仿真模擬測試，經常出現不適配的問題，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格模型實現有效交互[1]。針對上述問題，設計一種滿足船體三維網格模型仿真模擬需要的圖形用戶界面。目前，關于用戶界面設計方法主要有3種，即基于圖形推理的界面設計方法、基于機械點陣的界面設計方法以及基于數字圖像處理技術的界面設計方法。這3種方法雖然設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，與船體三維網格模型之間無法通過界面實現準確且快速的交互，總是出現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格的圖形用戶界面設計方法。通過本研究以期為船體三維網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確性。
1船體三維網格模型的圖形用戶交互界面設計
為應對船舶航行時的突發狀況，提前做好應對處理策略，在船舶下海前，通過有限元分析技術建立船體三維網格模型，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，其圖形用戶界面設計合理性，能使模擬操作更為準確，交互更加方便[2]。基于此，針對船體三維網格模型設計圖形用戶交互界面。用戶界面設計分為界面顯示設計以及界面交互設計2個部分。1.1圖形用戶界面顯示設計要想有效顯示船體三維網格模型，其展示界面最好是與之配套的三維用戶界面。因此，基于虛擬現實技術進行三維圖形用戶界面顯示設計[3]。設計過程如下：步驟1明確圖形用戶界面設計目標和需要。步驟2確定與艦船船體三維網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基于圖像采集技術以及艦船設計方案圖紙，獲取用戶交互界面終端的幾何模型及其相關數據。步驟4建立三維船體網格場景和二維用戶界面顯示屏的坐標映射關系，實現基本坐標轉換。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，需要在界面設計中加入視野全屏化窗口設計。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格模型仿真碰撞模擬的真實性。1.2圖形用戶界面交互設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，通過手勢識別技術構建一種非接觸式的交互方式[4]。該方式設計過程如下：步驟1設置指令與手勢的對應關系表；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；，，分別為權值。步驟5對圖像進行去噪，提高圖像質量，去噪方法通過計算圖像3×3模板內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；代表模板中像素數量。步驟6圖像邊緣提取，利用提取算子Canny提取圖像中目標手勢邊緣。步驟7圖像背景消除。基于提取的邊緣，實現目標手勢與背景的分割，只保留目標手勢部分區域。步驟8基于深度學習算法中的卷積神經網絡構建手勢識別分類器，識別手術類型，對比指令與手勢的對應關系表，得出手勢指令代表的含義，控制用戶界面操作，完成交互。通過手勢識別實現用戶界面操控，完成船體三維網格模擬的仿真碰撞模擬。
2算例分析
2.1船體三維網格模型
基于Abaqus軟件，建立船體三維網格模型，該模型示意圖如圖1所示。以該模型為基礎，進行下述用戶界面使用測試。
2.2指令與手勢的對應關系設置
在用戶界面設計中，按照表1給出的手勢指令實現人機交互，通過操作用戶界面功能模塊，對圖1進行船體三維網格模型碰撞仿真模擬。不同手勢對應不同的用戶界面操作指令，實現人機交互。
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計
在圖2場景中逐一擺出上述表1的交互手勢，重復10次過程，其流程如圖3所示。借助設計的界面，完成船體三維網格模型的碰撞仿真模擬。
3用戶界面應用性能測試
統計重復10次的界面使用的交互匹配指數以及每種手勢的平均反應延遲，并與相同條件下，基于圖形推理、基于機械點陣以及基于數字圖像處理技術等3種方法設計界面的交互結果進行對比，結果如表2所示。可以看出，應用4種不同設計方法設計出來的用戶界面進行交互，其中所研究方法設計出來的界面交互匹配指數更高以及每種手勢的平均反應延遲更短，由此說明該用戶界面表現更好，能給用戶帶來更好的交互體驗。
4結語
基于船體三維網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，發現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，針對船體三維網格模型設計圖形用戶交互界面。最后經算例分析，所研究方法設計出來的界面應用性能表面更好，體驗感更優秀，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雜，因此有待進一步擴展實驗，進一步驗證用戶界面設計的合理性。
作者:高圣斐 單位:江西科技學院