船体三维网格图形用户界面设计探析

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摘要:由于船体三维立体显示存在一定不足，且图形特征匹配错误等，导致当前用户界面设计无法有效辅助船体三维网格模型设计。为此，提出船体三维网格的图形用户界面设计方法。结合虚拟现实技术，设计图形用户三维虚拟显示界面。以此为基础，通过识别不同手势指令，无接触虚拟操作用户界面功能模块，实现有效的人机交互，辅助完成船体网格模型模拟试验。结果表明：与基于图形推理、基于机械点阵以及基于数字图像处理技术等3种方法设计的界面交互结果相比，所研究方法设计下的用户界面交互匹配指数更高，每种手势的平均反应延迟更短，说明该用户界面表现更好。

关键词：船体三维网格；虚拟现实技术；手势指令；图形用户界面

0引言

船舶作为海上重要的行驶工具，在货物运输、海上巡航以及资源探测等领域发挥了重要作用。船舶在设计完成后，需要借助计算机技术生成船体三维网格模型，然后利用有限元分析技术仿真模拟船舶运动和各种载荷之间碰撞检测，以事先了解船舶航行状况，保证船舶行驶安全。然而，利用现有的二维交互界面进行船体三维网格模型仿真模拟测试，经常出现不适配的问题，二维图形无法有效展示三维模拟过程以及二维交互界面无法与三维网格模型实现有效交互[1]。针对上述问题，设计一种满足船体三维网格模型仿真模拟需要的图形用户界面。目前，关于用户界面设计方法主要有3种，即基于图形推理的界面设计方法、基于机械点阵的界面设计方法以及基于数字图像处理技术的界面设计方法。这3种方法虽然设计的界面能够满足图形显示和交互的需要，但由于缺乏有效三维交互手段，与船体三维网格模型之间无法通过界面实现准确且快速的交互，总是出现延迟和操作失效等问题。针对上述问题，提出一种针对船体三维网格的图形用户界面设计方法。通过本研究以期为船体三维网格仿真模拟提供可靠的辅助交互手段，提高船舶碰撞有限元仿真检测的操作简便性和准确性。

1船体三维网格模型的图形用户交互界面设计

为应对船舶航行时的突发状况，提前做好应对处理策略，在船舶下海前，通过有限元分析技术建立船体三维网格模型，进行船舶运动和各种载荷之间碰撞的模拟测试至关重要。而碰撞模拟测试离不开交互界面的参与，它是人机交互的重要窗口，其图形用户界面设计合理性，能使模拟操作更为准确，交互更加方便[2]。基于此，针对船体三维网格模型设计图形用户交互界面。用户界面设计分为界面显示设计以及界面交互设计2个部分。1.1图形用户界面显示设计要想有效显示船体三维网格模型，其展示界面最好是与之配套的三维用户界面。因此，基于虚拟现实技术进行三维图形用户界面显示设计[3]。设计过程如下：步骤1明确图形用户界面设计目标和需要。步骤2确定与舰船船体三维网格模型进行交互所需要的图形用户界面上存在的功能模块。步骤3基于图像采集技术以及舰船设计方案图纸，获取用户交互界面终端的几何模型及其相关数据。步骤4建立三维船体网格场景和二维用户界面显示屏的坐标映射关系，实现基本坐标转换。步骤5基于虚拟建模软件，如OpenGHz建立界面虚拟建模。步骤6视野全屏化窗口设计。舰船船体的碰撞模拟，需要一个全视角观察窗口，需要在界面设计中加入视野全屏化窗口设计。步骤7纹理映射。为使三维虚拟用户界面更为逼真，需要在界面虚拟模型上贴上纹理图像。步骤8渲染，即对交互环境进行光照处理，提升界面操作真实感，以便提高舰船船体三维网格模型仿真碰撞模拟的真实性。1.2图形用户界面交互设计用户界面不仅起到操作功能显示的作用，还起功能交互的作用，也就是用户操作指令的点击和输入。为了与三维虚拟交互界面匹配，通过手势识别技术构建一种非接触式的交互方式[4]。该方式设计过程如下：步骤1设置指令与手势的对应关系表；步骤2搭建手势采集场景；步骤3利用摄像机采集交互手势图像；步骤4对图像进行灰度化处理，灰度化处理公式如下：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：代表灰度化处理后的图像；，，代表色彩三分量；，，分别为权值。步骤5对图像进行去噪，提高图像质量，去噪方法通过计算图像3×3模板内的像素均值来代替原有像素值。公式如下：T(i,j)=1N∑f∈sf(i,j)(2)T(i,j)f(i,j)sM式中，代表去噪后的图像；为原图像的灰度值；代表模板所有邻域像素集合；代表模板中像素数量。步骤6图像边缘提取，利用提取算子Canny提取图像中目标手势边缘。步骤7图像背景消除。基于提取的边缘，实现目标手势与背景的分割，只保留目标手势部分区域。步骤8基于深度学习算法中的卷积神经网络构建手势识别分类器，识别手术类型，对比指令与手势的对应关系表，得出手势指令代表的含义，控制用户界面操作，完成交互。通过手势识别实现用户界面操控，完成船体三维网格模拟的仿真碰撞模拟。

2算例分析

2.1船体三维网格模型

基于Abaqus软件，建立船体三维网格模型，该模型示意图如图1所示。以该模型为基础，进行下述用户界面使用测试。

2.2指令与手势的对应关系设置

在用户界面设计中，按照表1给出的手势指令实现人机交互，通过操作用户界面功能模块，对图1进行船体三维网格模型碰撞仿真模拟。不同手势对应不同的用户界面操作指令，实现人机交互。

2.3界面交互场景搭建为图形用户界面操作搭建场景，如图2所示。

2.4用户界面交互过程设计

在图2场景中逐一摆出上述表1的交互手势，重复10次过程，其流程如图3所示。借助设计的界面，完成船体三维网格模型的碰撞仿真模拟。

3用户界面应用性能测试

统计重复10次的界面使用的交互匹配指数以及每种手势的平均反应延迟，并与相同条件下，基于图形推理、基于机械点阵以及基于数字图像处理技术等3种方法设计界面的交互结果进行对比，结果如表2所示。可以看出，应用4种不同设计方法设计出来的用户界面进行交互，其中所研究方法设计出来的界面交互匹配指数更高以及每种手势的平均反应延迟更短，由此说明该用户界面表现更好，能给用户带来更好的交互体验。

4结语

基于船体三维网格模型的碰撞试验是船舶出厂前必须进行的步骤，主要是对船舶的安全性能进行测试。然而，碰撞模拟测试过程中，发现用户界面并不能很好地辅助完成测试，缺乏三维立体显示以及有效地操控。为此，针对船体三维网格模型设计图形用户交互界面。最后经算例分析，所研究方法设计出来的界面应用性能表面更好，体验感更优秀，能满足碰撞模拟测试的需要。然而，本研究所给出的样本手势较少，而实际情况中碰撞模拟测试操作指令更加复杂，因此有待进一步扩展实验，进一步验证用户界面设计的合理性。

作者:高圣斐 单位:江西科技学院