基于視覺傳達的環境藝術設計感官體驗建模

朱力

摘 要： 介紹了視覺傳達技術的三個要素，給出感官建模思想。通過輸入信號的方式對虛擬環境藝術設計環境進行控制。利用幾何模型構建、紋理特征提取和真實模型構建實現虛擬環境場景三維建模。利用三維聲音建模工具，通過物理建模、行為建模、碰撞檢測建模實現三維聲音建模。在不存在建模工具的情況下，通過設計程序實現三維聲音建模。將傳感器看作人體動作采集設備，依據系統需求對手勢進行設計，通過手勢交互實現觸覺建模。實驗結果表明，所提方法可有效實現環境藝術設計感官建模，建立模型臨在感強。

關鍵詞： 視覺傳達； 環境藝術； 設計； 感官體驗； 建模； 紋理特征

中圖分類號： TN911?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0183?04

Visual communication based sensory experience modeling of environmental art design

ZHU Li

（Hubei University of Technology Engineering and Technology College， Wuhan 430068， China）

Abstract： Three elements of visual communication technology are introduced， and the sensory modeling thought is given. The art design environment in the virtual environment is controlled by the mode of input signal. The geometry model construction， texture feature extraction and real model construction are used to realize the 3D modeling of virtual environment scene. The 3D sound modeling tools are used to realize the 3D sound modeling by means of physical modeling， behavior modeling and collision detection modeling. Without the modeling tools， the 3D sound modeling is realized by means of design program. The sensor is regarded as a human action acquisition device. The gesture is designed according to the system requirements. The haptic modeling is realized by means of hand gesture interaction. The experimental results show that the proposed method can realize the sensory modeling of environmental art design effectively， and has strong model presence.

Keywords： visual communication； environmental art； design； sensory experience； modeling； texture feature

我國當前環境藝術設計離不開感官體驗的配合，為了增強真實感，幫助設計師充分展現其作品，需建立藝術設計感官體驗模型[1?2]。傳統環境藝術設計感官體驗建模方法僅針對某一感官體驗進行建模，無法使用戶切實感受環境藝術設計作品[3]，針對該弊端，本文提出一種新的基于視覺傳達的環境藝術設計感官建模方法。視覺傳達技術不但能夠改變人們對傳統環境藝術設計的體現形式，還能使人們得到更加真實的感官體驗，是當前環境藝術設計的主要形式，能夠提供豐富的環境信息。

1 視覺傳達的環境藝術設計感官體驗建模

1.1 建模思想

本文通過視覺傳達技術實現環境藝術設計感官體驗建模。隨著視覺傳達技術的發展，其多科學交叉性質越來越顯著，能夠使人們在虛擬世界中存在真實的感官體驗，具備一定的交互性、想象性以及沉浸性[4?5]。圖1描述的是視覺傳達技術的三個要素。在虛擬世界中環境藝術設計能夠在感官上刺激體驗者，體驗者也可通過一定的行為動作與虛擬環境藝術設計場景進行交互。

本文主要從虛擬環境場景、外接裝置和交互方式兩個方面實現感官體驗建模。

1） 外接裝置：外接裝置為人與虛擬現實環境間的橋梁，通常采用具備一定傳輸功能的傳感裝置[6]。

2） 虛擬環境：采用計算機建造一個虛擬環境藝術設計場景，從三維視覺、聽覺和觸覺效果入手，實現感官體驗建模。

1.2 輸入信號采集

采用輸入信號的方式對虛擬環境藝術設計環境進行控制，通常利用外設裝置采集輸入信號，常用的輸入設備為鍵盤與鼠標[7]。為了能夠得到更加真實的感官體驗，人們研制了觸摸裝置、三維鼠標等相對高級的外設裝置，這些裝置主要用于采集體驗者的基本行為動作。虛擬環境藝術設計空間中物體運動自由度存在6種，本節將其劃分成2類：第一類順著[X，Y，Z]軸進行水平運動；第二類以[X，Y，Z]軸為旋轉軸進行旋轉運動。圖2描述的是虛擬三維空間中6個自由度的示意圖。

通過操控上述6個自由度即可實現對虛擬物體的交互處理，若體驗者輸入的行為動作信號能夠與6個自由度對應，例如，當體檢者點頭時，虛擬視角會上下仰俯，會給體驗者帶來真實的感官體驗。

從體驗者的感官角度進行闡述，虛擬環境藝術設計場景中展現的內容主要有：

1） 視覺展現：通過計算機構建虛擬場景，場景中的景象、物體會隨著體驗者視角的變化發生相應變化，換句話說就是輸出鏡頭可視區域；

2） 聽覺展現：對產生的立體聲音進行播放，要求立體聲音擁有一定的方向感與距離感；

3） 數據展現：通過一定的行為動作實現體驗者對虛擬場景的交互操作。

1.3 環境藝術設計三維視覺建模

構建環境藝術設計作品三維模型時，需對環境中各物體的幾何信息和紋理特征進行提取。將簡單的物體看成一個多面體，將相對復雜的物體看成由若干個多面體構成的物體。

1.3.1 環境藝術設計幾何模型構建

構建幾何模型主要含有環境中各物體的空間位置以及各物體的三維信息。本節采用航空影像交互式采集方法對環境信息進行采集，多視角航空影像可以清楚地展示環境中各物體的位置分布。對于環境中各物體的幾何信息，則通過人工交互與數字化相結合的方式采集[8]。對環境中某一物體的幾何信息進行采集，首先對物體邊緣的角點坐標進行采集，確定各點的頂點與底點；然后通過相鄰兩角點的頂點與底點構建物體的側面，通過有序頂點確定物體頂面，通過有序地面點確定物體地面；最后，根據確定的頂點、底點以及各個面建立此物體的幾何模型。本節采用VC++進行研發，從而實現模型可視化設計。

1.3.2 紋理特征提取

一般航空影像僅可采集環境中物體的頂部物理信息，對側面紋理信息的采集量很少。本節通過多視角航空影像，利用傾斜攝影方式，最大程度地通過航空影像采集環境中物體的多面紋理信息。通過物體坐標和影像方位元素，利用共線方程將其投影至影像，得到環境中物體的像方坐標：

[X=X0-lα1x-xr+β1y-yr+γ1z-zrα3x-xr+β3y-yr+γ3z-zr] （1）

[Y=Y0-lα2x-xr+β2y-yr+γ2z-zrα3x-xr+β3y-yr+γ3z-zr] （2）

式中：[X，Y]為像點的平面坐標；[X0，][Y0，][l]表示影像的內方位元素；[xr，][yr，][zr]為攝站點物方空間坐標；[x，][y，][z]為物方點的物方空間坐標；[αj，][βj，][γj]為影像外方位角元素構成的9個方向余弦，其中，[j=1，2，3]。

依據像方坐標獲取最優判斷準則，為所有側面選擇質量最佳的影像，從而提取環境中的物體紋理。

1.3.3 真實模型建立

針對貼在地面上的物體，如車道、草地等，可利用正射影響獲取位置和紋理特征，通過航空攝影測量，形成數字表面模型，將其與正射影像結合在一起，即可實現地表物體的三維建模。

1.4 環境藝術設計中三維聲音建模

利用三維聲音建模工具實現三維聲音建模的方式是一種有效的方式，其包括以下內容：

1） 物理建模：在對環境中的物體進行幾何建模時，對其不同組成的物理特征進行描述，并且將聲音作為物理特征的一種。

2） 行為建模：利用實體行為描述過程確定觸發和停止聲音的方式，將該過程和聲音匹配。

3） 碰撞檢測建模：利用碰撞檢測對撞擊與接觸聲音進行區分。

在不存在建模工具的情況下，可通過設計程序實現三維聲音建模，在內存中設計一個表，該表描述的是建立環境實體和聲音間的關系。在一段時間內，通過實體狀態對設計表進行檢驗，以確定需發出的聲音。

1.5 交互設計觸覺建模

本節利用各種專業軟件將環境藝術設計視覺畫面、交互功能與系統集成方案導入實際工作中實施。將傳感器看作人體動作采集設備，依據系統需求對手勢進行設計，通過手勢交互實現觸覺建模，從而控制環境藝術設計感官體驗[9]，手勢交互流程用圖3進行描述。

分析圖3可知，在進行觸覺建模時，首先需對人們的肢體語言進行研究，同時按照人的動作習慣對手勢進行設計；再通過設計的手勢對不同動作進行定義；最后利用傳感器采集人體動作信號，將人體動作和觸覺體驗功能進行映射，通過觸覺實現感官體驗。

2 感官體驗評估和實驗

2.1 感官體驗評估

針對環境藝術設計感官體驗的評估，當前無法獲取準確的評估公式，本節針對不同感官體驗依次進行主觀衡量，從虛擬環境藝術設計體驗背景出發，總結了以下環境藝術設計感官體驗公式：

[Q=θVVt+θAAt+θFFt+θSSt-θCCt-θΔΔt] （3）

式中：[Q]用于描述整體環境藝術感官體驗評估值；[V]用于描述視覺；[A]用于描述聽覺；[F]用于描述觸覺；[S]用于描述嗅覺；[C]用于描述體驗者背景，若體驗者對環境藝術較為熟悉，則其對視覺傳達虛擬環境的新鮮感會減少，弱化感官體驗效果；[Δ]用于描述干擾因素，是用戶對實驗環境專注度的體現；[θi]用于描述各感官的感知權重，其累計值為1，所有感知權重的最大閾值不可超過該感官在實際環境中的感知程度。

影響用戶對環境藝術設計感官體驗的因素主要包括用戶經驗、知識和職業等。不同感官之間也會互相影響。本節針對兩種類型環境藝術設計作品，探索用戶對其感官體驗的主觀感受，以驗證本文方法的有效性。

對52位志愿者進行問卷調查，問卷問題集中于視覺、觸覺、聽覺、嗅覺方面，1分代表極不愿意體驗相應感官，2分代表不愿意體驗相應感官，3分代表體驗或不體驗相應感官均可，4分代表愿意體驗相應感官，5分代表非常愿意體驗相應感官。對問卷調查結果進行統計，求出其平均值與標準差，結果用表1進行描述。

分析圖4可知，在對環境藝術設計進行感官體驗時，針對兩種類型的環境藝術設計作品，用戶對視覺、聽覺與觸覺的需求比重明顯高于嗅覺，而本文方法可有效實現環境藝術設計聽覺、視覺和觸覺的建模，驗證了本文系統的有效性。

2.2 臨在感測試

臨在感是一種主觀感受，為了研究用戶對環境藝術設計感官體驗的臨在感，通過問卷調查的形式進行測試。測試用戶臨在感時選用Bob G.wintmer臨在感調查問卷。當前問卷一共有7個項目，被歸納至7個影響臨在感的因素中，依次為真實度、操控性、仔細觀察可能性、績效評估、聽覺、觸覺、視覺。其中，仔細觀察可能性即用戶能夠仔細觀察藝術設計作品的可能性，績效評估即用戶在進行環境藝術設計感官體驗時的表現。問卷分數從1～7，1分為最低分，7分為最高分。20個項目中1，8，18代表真實度，3，17代表操控性，5，10，16代表仔細觀察可能性，2，12代表績效評估，4，15，19代表聽覺，6，7，13，20代表觸覺，9，11，14代表視覺。

本節將CG方法和GIS方法作為對比，在進行臨在感調查問卷中對所有數據進行累加，求出平均值，如表2所示，將其歸納至7個影響臨在感的因素中，繼續進行平均值計算，結果用表3進行描述。

綜合分析表2和表3可知，針對本文方法得到的環境藝術設計感官體驗建模結果，用戶體驗后對真實度、操控性、仔細觀察可能性、績效評估、聽覺、觸覺和視覺的評價結果均高于CG方法和GIS方法，說明本文方法建模結果臨在感強，進一步驗證了本文方法的有效性。

3 結 論

本文提出基于視覺傳達的環境藝術設計感官體驗建模方法，給出感官建模思想。分析了虛擬環境場景三維視覺建模、三維聲音建模和交互觸覺的建模過程。實驗結果表明，所提方法可有效實現環境藝術設計感官建模，建立模型的臨在感強。

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