前言:想要寫(xiě)出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了船體三維網(wǎng)格圖形用戶界面設(shè)計(jì)探析范文,希望能給你帶來(lái)靈感和參考,敬請(qǐng)閱讀。
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(kāi)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?,實(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(lèi)器,識(shí)別手術(shù)類(lèi)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?,應(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