動態圖形和視覺感知在艦船立體流線造型設計中的應用

余 旭

(江西工程學院，江西 新余 338000)

0 引 言

隨著數字技術的快速發展，數字技術在艦船立體流線造型設計中的影響力逐漸增大，靜態圖形設計不斷地被動態圖形設計所取代。動態圖形設計是一種以計算機等終端為媒介的視覺設計方法。視覺感知是利用計算機對圖片中的信息進行提取的一種技術，從同一個圖片中提取出的信息內容，由視覺感知算法或者模型的設計決定。從使用場景來看，視覺感知模型可以分成通用模型和專用模型2種，通用模型能夠處理絕大部分情況下的識別任務，專用模型通常是制定的專有算法模型，用于處理通用模型無法勝任的任務。本文融合動態圖形和視覺感知技術，研究艦船立體流線造型的優化設計方法。

1 動態圖形技術

1.1 動態圖形的定義及特征

作為一種視覺語言，動態圖形的目標是將相關的數據信息進行動態化以及圖形化顯示，因此動態圖形是一種新的視覺設計形式，這里的圖形是一種普遍的、抽象的符號，而不是某類具體的事物。動態圖形結合了平面設計以及動態設計，是一種基于時間并且對靜態圖形進行延伸的視覺設計。綜上分析，動態圖形可以定義成一種基于時間尺度的并以傳遞數據信息為目的動態視覺形式。

作為一種新興發展的視覺形式，動態圖形具有一些新的特點，包括動態化、抽象化、表現力豐富、視覺吸引以及視覺引導等。動態圖形的動態化是由其時間維度決定的，因為動態圖形本身是通過連續的動態來傳遞信息的；動態圖形在設計過程中使用抽象化的圖形來描述普遍的事物規律，能夠突出事物特點，達到表意清晰明確的目的。由于動態圖形對時間線進行擴展，因此可以對圖形縮放等效果進行呈現，并且可以加入交互以及聲音等元素，因此動態圖形的表現力很豐富。運動的事物容易引起視覺的注意，因此人眼會首先捕捉動態的事物，基于這個原理，動態圖形不但可以迅速地引起人眼的注意，而且可以控制人眼的關注點，以此提升信息傳遞的效率，這就是動態圖形的視覺吸引力。動態圖形的視覺吸引力實現了將信息傳遞給大眾的第一步，為了能夠促進大眾快速掌握這些信息，則需要進行視覺引導，動態圖形的視覺引導和視覺吸引一起發展，共同實現數據信息的快速高效地傳遞。因此和靜態圖形相比，動態圖形可以根據事先設計好的流程完成圖像的動態顯示，這樣可以對觀眾的偏好產生一定的影響，從而引導觀眾進行信息的接收。

1.2 動態圖形的信息結構

動態圖形的目標是為了傳遞信息，因此在動態圖像的設計過程中，必須考慮數據信息的組織以及表現形式，只有數據信息具備動態圖形的呈現結構，這樣才可以更好地傳遞數據信息。數據信息的框架結構主要有結構關系以及表達方式2種。對于傳統的動畫而言，通常使用線性的敘事結構，但是對于動態圖形而言，一般使用倒敘、插敘等非線性敘事方法，并且采用這些敘事方法之后，動態圖形則不存在主角和故事線，通常是根據數據信息之間的承接關系，以將事情描述清楚為目標。動態圖形在進行敘事的過程中，通常是以信息為中心，將主要觀點放在開頭，然后進行多線敘事，以概念信息為主線并配以補充說明為輔線，將各級數據信息展現出來。因此動態圖形的數據信息框架表現為樹狀，其信息主干清晰明了，可以在短時間內收集大量的數據信息。

和傳統的靜態圖形相比，時間尺度是動態圖形最本質的特征。任何動態形式都是基于時間尺度的，并且時間設計主要是以時間長度以及節奏快慢為主。動態圖形中各部分完成需要的時間稱作時長，一般以秒或者幀來衡量時長，動態圖形是通過多個靜止畫面共同構成的。為了能夠實現數據信息的高效傳輸，需要注意動態圖形的時長短這一重要特點。從表1可以看出，大部分的動態圖形時長在20～30 s，時間一旦過長，則會使得觀眾產生不耐煩的情緒。動態圖形各個部分時間的分配和敘事結構相結合，因此需要從時間方面對動態圖形進行整體把控，重要的信息時間長點，其余信息時間短點，這樣可以給觀眾足夠多的時間接收重要信息，不重要的則一帶而過。

表1 動態圖形標志時間Tab. 1 Dynamic graphic sign time

2 視覺感知技術

2.1 視覺感知技術原理

視覺感知系統將采集到的圖像信息轉變成數字信號，同時將轉換之后的數字信號傳送給相應的圖像處理系統中。圖像處理系統以圖像數字信號中的像素、灰度、對比度以及顏色等信息為基礎，利用相應的圖像處理算法對圖像的特征進行提取，接著以預先設置好的邊界條件為基礎，進行判斷，最后將判斷的結果傳送給目標操作系統設備。計算機的運算性能、圖像信息的獲取等技術極大地促進了視覺感知技術的發展，使得視覺感知技術具備十分廣闊的發展前景。

對于不同大小的特征圖，視覺感知算法可以制定相應個數的先驗框，并且視覺感知算法以窗框比為基礎，對先驗框進行配置，同時先驗框的大小可以隨著特征圖的減小而線性增長，特征圖和先驗框之間的關系如下式：

根據公式（1）中的比例關系，可以得到先驗框的寬度和高度，如下式：

式中：a為先驗框的長度和寬度的比值，在視覺感知系統中，a通常取{1,2,3,1/2,1/3}。因此視覺感知算法會產生6個先驗框給每個特征圖，則每個先驗框的坐標位置可以用公式（4）和公式（5）計算得到，最終獲得先驗框的坐標為（w,h）。

為了降低視覺感知過程中產生的誤差，使用最小化的損失函數來增加視覺感知過程中的準確性，如下式：

式中：G()函數為所使用的視覺感知系統；為視覺感知系統參數。視覺感知損失值比例和迭代次數之間關系如圖1所示。

2.2 視覺感知系統的評價指標

視覺感知技術的評價指標主要是性能評價指標，使用平均精度值作為視覺感知技術的性能評價指標的衡量標準，視覺感知的平均精度值越高，則表明視覺感知的表現越好。準確率、召回率以及精確率是視覺感知過程中的3個基本評價標準，平均精度值的取值和這3個基本的評價指標有著緊密的聯系。

準確率是指視覺感知系統認為感知正確的樣本數量占樣本總數的百分比，如下式：

精確率是指視覺感知系統實際感知正確的樣本數量占總樣本個數的百分比，如下式：

圖1 損失值比例-迭代次數關系曲線圖Fig. 1 Loss value ratio iteration times curve

召回率是指實際為正確的樣本并且被視覺感知系統正確判斷的樣本個數占總樣本的百分比，如下式：

圖2 精度值-召回率關系曲線圖Fig. 2 Precision-recall curve

3 艦船立體流線造型優化設計

3.1 船體曲面變形技術

船體曲面變形技術是艦船立體流線造型設計的基礎，本文在船體曲面修改過程中，使用了平移、自由變形以及徑向函數等技術，同時通過調整曲面控制網格，完成船體曲面調整的目的，調整之后的曲面依舊屬于NURBS曲面。為了確保船體全局形變的連續性，本文設計出一種用于調整曲面網格的修改函數，如下式：

式中：為船體形變起始位置；為船體形變結束位置；為形變最大值。艦船立體流線造型優化設計過程中，先使用NURBS曲線解算出控制頂點，同時得出相關節點的矢量以及基函數，接著結合、兩個參數得出NURBS曲面，最終通過多個曲面得到船體的立體流線造型。利用船體曲面變形技術，可以自行修改相關參數變量以及權重因子，完成船體型線的優化。本文使用計算曲線和原曲線之前的絕對誤差ε來衡量重構曲線的精度，如下式：

式中：p為原始曲線點，(u)為曲線插值點。誤差結果如圖3所示，可以看出，優化之后的曲線最大誤差為0.073 1 mm，平均誤差為0.046 7 mm。

圖3 船體形變位置和誤差之間的關系Fig. 3 Relationship between ship shape change position and error

3.2 船型優化計算

艦船立體流線造型優化設計系統中集成了船體幾何重構、近似模型、興波阻力預警以及智能優化模塊。為了測試驗證該艦船立體流線造型優化設計系統的實用性，本文利用該系統對船體進行優化設計，并對設計的立體流線造型進行有限元驗證。基于曲面控制網格，采用勢流算法對船體的阻力進行預報。同時采用智能算法以及近似模型，極大地提升了艦船立體流線造型的優化效率。對艦船立體流線造型進行優化設計，不斷需要對設計變量進行約束，還需要對船體濕表面積以及排水量進行控制，數學模型如下式：

為了對艦船立體流線造型的優化結果進行測試驗證，采用粘性的有限元分析法對優化前以及優化之后艦船的阻力進行計算，阻力系數的計算方法如下式：

4 結 語

和靜態圖形相比，動態圖形具備很多獨特的作用，動態圖形設計在探索過程中不斷發展，動態圖形在圖形設計領域發揮的作用越來越大。隨著人工智能以及大數據技術的快速發展，視覺感知技術得到了跨越式提升，將智能感知技術應用到視覺圖形設計中，同時提取有用的信息并進行處理分析，將對視覺圖形設計方法起到十分巨大的推動作用。本文基于動態圖形技術以及視覺感知技術，研究艦船立體流線造型優化設計方法，提升艦船造型設計效率。