王世運(yùn)

(海南熱帶海洋學(xué)院,海南三亞 572022)

用戶體驗(yàn)是指用戶在使用相關(guān)產(chǎn)品的過(guò)程中建立起來(lái)的一種主觀感受。優(yōu)秀的產(chǎn)品是一個(gè)以用戶為中心的產(chǎn)品設(shè)計(jì),它將用戶的感覺(jué)、愛(ài)好、習(xí)慣、情緒、生理及心理反應(yīng)融合到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念中,使用戶在使用該產(chǎn)品時(shí)輕松、愉悅。

數(shù)字地形建模是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容,其實(shí)際應(yīng)用廣泛,目前數(shù)字地形建模主要應(yīng)用在這兩個(gè)場(chǎng)景,一是根據(jù)地學(xué)圖形的數(shù)據(jù)精確描述地形,一般是根據(jù)高程在給定的地形特征或地形參數(shù)下,通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生符合要求的真實(shí)三維地形;二是通過(guò)相關(guān)建模技術(shù)模擬自然場(chǎng)景或虛構(gòu)相關(guān)場(chǎng)景的地形,即虛擬建模[1]。本文的研究是虛擬建模,通過(guò)構(gòu)建相關(guān)的虛擬地形環(huán)境用于游戲、虛擬漫游等。

一般的虛擬漫游系統(tǒng)通過(guò)使用相關(guān)建模平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體對(duì)象或假想對(duì)象進(jìn)行地形構(gòu)造,主要是通過(guò)對(duì)地形特征的研究,進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)完整的虛擬地表區(qū)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越要求虛構(gòu)出來(lái)的三維地形也能和自然規(guī)律整合在一起,給用戶更貼近實(shí)際生活的體驗(yàn),這要求我們提供更好的地形模型,才能給用戶提供更好的人機(jī)交互體驗(yàn)感。本文在總結(jié)三維地形快速建模的基礎(chǔ)上,提出三維地形建模各個(gè)環(huán)節(jié)中如何融入用戶體驗(yàn)的要素,實(shí)現(xiàn)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維地形建模技術(shù)等技術(shù)軟件快速構(gòu)建三維地形虛擬場(chǎng)景。

1 數(shù)字地形建模的研究意義

隨著信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了數(shù)字地球的概念,互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)了以谷歌地球?yàn)榇淼奶摂M地球系統(tǒng),該系統(tǒng)以真實(shí)地球地貌建立了一個(gè)多視角、多分辨率、三維動(dòng)態(tài)的虛擬地球[2]。自數(shù)字地球提出來(lái)后,各種數(shù)字技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸從軍事領(lǐng)域推廣到民用領(lǐng)域,發(fā)展到現(xiàn)今的數(shù)字城市、虛擬漫游,還出現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字生活。不管是虛擬漫游還是虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字生活,用戶對(duì)虛擬系統(tǒng)的要求越來(lái)越高,強(qiáng)調(diào)各類游戲設(shè)計(jì)、虛擬體驗(yàn)等虛擬系統(tǒng)的地形建模要有真實(shí)感,要求地形能提供更多的用戶體驗(yàn)感,以增強(qiáng)游戲或虛擬體驗(yàn)帶來(lái)的舒適感。

地形數(shù)據(jù)在實(shí)際中有著非常重要的作用和廣泛的應(yīng)用,在軍事領(lǐng)域,比如巡航導(dǎo)彈、軍事電子地圖、飛行模擬、模擬攻擊演示等依賴對(duì)地形的建模,這些地形建模是需要對(duì)真實(shí)地形的建模,涉及到大規(guī)模、復(fù)雜的地表模型制作[3]。在民用領(lǐng)域,基于地形建模的三維地圖導(dǎo)航相對(duì)于二維平面導(dǎo)航能給用戶帶來(lái)更真實(shí)、更精確的導(dǎo)航,它也可以為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)提供最直接的表現(xiàn)形式。

隨計(jì)算機(jī)技術(shù),特別是相關(guān)VR設(shè)備的涌現(xiàn)(比如頭盔、步行機(jī)、顯示頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)鞋等),用戶對(duì)在游戲或虛擬漫游過(guò)程中對(duì)地形建模要求越來(lái)越高,用戶對(duì)地形的體驗(yàn)要求不光只是能行走,還提出要感受到不同地形的帶來(lái)的不同感覺(jué),要感覺(jué)到地形變化直接帶來(lái)的身體運(yùn)動(dòng)變化等相關(guān)細(xì)膩要求。

2 數(shù)字地形模型的特征研究

目前,三維地形建模技術(shù)涉及到地形數(shù)據(jù)特征的分析,特別是在實(shí)時(shí)生成上,若采用較復(fù)雜或冗余的方式來(lái)構(gòu)建三維地形,那對(duì)計(jì)算機(jī)的要求非常高,不適用于三維技術(shù)的推廣,一般來(lái)說(shuō),三維地形要在保持視覺(jué)效果的同時(shí),也要提供較高的刷新頻率,基于這樣的需求,在計(jì)算機(jī)硬件無(wú)法提供更高的運(yùn)算速度前提,就要求三維地形建模技術(shù)要從軟件上下手,從建模上解決大規(guī)模地形的實(shí)時(shí)顯示效率。為了讓三維地形建模效率更高,可采用建立地形模型數(shù)據(jù)庫(kù)的方式,采集收集更多更全的地形特征數(shù)據(jù),建立多個(gè)地形模型,以滿足不同的場(chǎng)景需求。這要求我們的建立三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí),要對(duì)地形各種特征進(jìn)行采樣分析,選擇適當(dāng)?shù)姆謮K技術(shù),提高地形在虛擬系統(tǒng)中的真實(shí)感。

在數(shù)字地形建模中,地形模型由地表、地表以下等空間實(shí)體構(gòu)成。用戶通過(guò)地表的形態(tài)、顏色等可以初步形成對(duì)該地表的視覺(jué)判斷,而地表以下的空間實(shí)體(地質(zhì)結(jié)構(gòu))則會(huì)對(duì)用戶在與地表發(fā)生接觸時(shí)給予相應(yīng)的反饋信息,比如用戶踩在地表上,地表給用戶反饋的地表的軟硬度、溫度、濕度等。人性化的三維數(shù)字地形建模,能讓用戶在第一眼看到地形場(chǎng)景時(shí),就應(yīng)該有如身處現(xiàn)實(shí)世界般的感覺(jué)。

現(xiàn)實(shí)世界中常見(jiàn)的地形有平原、山地、丘陵、高原、盆地等類型,不同的地形類型都有不同的建模方式。從影響用戶體驗(yàn)來(lái)看地形的特征,其共同的特征有:

(1)緯度。地形所處在的緯度是地形建模的主要參數(shù),它涉及到光照度、氣溫差、晝長(zhǎng)等。

(2)地形起伏。同一緯度,但海拔高度不一樣的平原、山地、丘陵、高原等又不一樣,它們的地表熱量不一樣,其中盆地?zé)崃坎灰咨⑹?同一海拔又存在陽(yáng)坡、陰坡等。

(3)海陸分布。近海、近河等受洋流的影響,溫度、濕度、風(fēng)速與內(nèi)陸的又不一樣。

(4)季節(jié)。同一地理位置,不同的季節(jié),濕度、溫度、氣流、雪水等又不一樣。

(5)地表植被。它與土壤、地形、水文、氣候以及地表上的植物密切相關(guān),比如森林、沼澤、草原、沙漠、灌叢等。

(6)地表粗糙度。它是地表水文特征的重要參數(shù),在三維地形建模中,要將地表粗糙度涉及到的空氣動(dòng)力學(xué)考慮進(jìn)去,也要考慮到地表凹凸不平給予用戶帶來(lái)的不同視覺(jué)沖擊和觸覺(jué)感受。

(7)土壤。它是地表一層疏松的物質(zhì),它可以是各種微生物、有機(jī)物質(zhì)、礦物質(zhì)或水分。土壤里的物質(zhì)也可以概括為氣體部分、液體部分、固體部分,一般的土壤大多是由這三部分混合構(gòu)成。

另外,地表的巖石、土壤、水面、植被、雪水等對(duì)太陽(yáng)輻射的反射率也不同,也會(huì)給用戶帶來(lái)了不同的視覺(jué)刺激。

綜上所述,在進(jìn)行三維地形建模時(shí),應(yīng)該盡可能將上述因素融合到地形建模中,從而提高三維數(shù)字地形的真實(shí)感,才能給用戶帶來(lái)更佳的觸覺(jué)與視覺(jué)刺激。

3 三維數(shù)字地形表達(dá)方法的適用范圍

數(shù)字地形模型最早是用于公路等工程設(shè)計(jì)上,涉及工程的面積、體積、坡度計(jì)算等。地球表面是曲面,是高低起伏,呈一種連續(xù)變化的曲面。平面地圖是無(wú)法表達(dá)地球的曲面,于是采用數(shù)字地球曲面的方法,即數(shù)字高程模型。當(dāng)數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時(shí)稱為數(shù)字高程模型,它是數(shù)字地形模型應(yīng)用最廣泛的模型。

數(shù)字高程模型是在一定范圍內(nèi),以密集的地形模型點(diǎn)的坐標(biāo)X、Y、Z表達(dá)地點(diǎn)形態(tài),數(shù)字地形模型是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá),是帶有空間位置和地形屬性特征的數(shù)字描述。數(shù)字地形模型的常見(jiàn)表達(dá)方法有:規(guī)則網(wǎng)格、等高線、不規(guī)則三角網(wǎng)等[4]。

(1)規(guī)則網(wǎng)格模型。規(guī)則網(wǎng)格,顧名思義就是由有規(guī)則的圖形。規(guī)則網(wǎng)格將地形中按一定的有規(guī)則的圖形(比如正方形、矩形、三角形等),將地形劃分若干格網(wǎng)單元,每個(gè)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值[5]。使用規(guī)則網(wǎng)格可以用普通計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算,它可以很容易計(jì)算出地形的坡度、坡向、陰影等。

在實(shí)際建模過(guò)程中,在規(guī)則網(wǎng)格中加入地形的其他特征點(diǎn),比如山脊線、谷底線等能描述出精度更高的地形結(jié)構(gòu),但規(guī)則網(wǎng)格中表達(dá)地勢(shì)平坦的地形時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余。

(2)等高線模型。該模型是用高程相等的且相近地面點(diǎn)連結(jié)成封閉曲線來(lái)表示連續(xù)遞變的地形。等高線是一條帶有高程值屬性的多邊形弧段或簡(jiǎn)單多邊形。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),等高線是海拔高度相等的各點(diǎn)的連線,等高線常用于表達(dá)山頂、盆地、山谷、陡崖等。

(3)不規(guī)則三角網(wǎng)模型。它相對(duì)于等高線表達(dá)方法來(lái)說(shuō),計(jì)算效率高,數(shù)據(jù)冗余低。它能隨著地形起伏變化而改變采樣點(diǎn)的密度和決定采集樣點(diǎn)的位置,能就會(huì)復(fù)雜的地形設(shè)計(jì),也能避免產(chǎn)生較多的數(shù)據(jù)冗余。

該模型適用于對(duì)精度要求較高的地形中,但它構(gòu)建的點(diǎn)線面和處理的開(kāi)銷較大,一般使用該模型構(gòu)建的地形是處于用戶視野范圍內(nèi),這樣用戶可以體驗(yàn)到更逼真、精度更高的地形,當(dāng)?shù)匦翁幱谟脩粢曇胺秶鈺r(shí),可以采用等高線或規(guī)則網(wǎng)格來(lái)建模。

4 基于數(shù)字高程模型的快速建模

數(shù)字地形建模的核心問(wèn)題是高程內(nèi)插,為什么要對(duì)數(shù)字地形模型進(jìn)行內(nèi)插呢？主要是地球表面崎嶇曲折、起伏不平,地質(zhì)不一樣、緯度不同、季節(jié)不同等影響著地形表面。地球表面的地形很難用一定的數(shù)字公式來(lái)表述,只能借助原始高程采樣數(shù)據(jù)。它有整體內(nèi)插、分塊內(nèi)插、逐點(diǎn)移面內(nèi)插等類型。

4.1 整體內(nèi)插

在某個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域用一個(gè)數(shù)字曲面函數(shù)來(lái)表述地形表面,整體內(nèi)插函數(shù)一般采用高次多項(xiàng)式。整體內(nèi)插存在的缺點(diǎn)有:當(dāng)描述大范圍的地形時(shí),因整體內(nèi)插選取的參考點(diǎn)數(shù)較少,不足以描述整個(gè)地形,但選取較多的參考點(diǎn)時(shí),會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)場(chǎng);特別是整體內(nèi)插不能提供某個(gè)地形區(qū)域的局部特征。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和用戶對(duì)產(chǎn)品體驗(yàn)感提升的要求,整體內(nèi)插上的天然不足導(dǎo)致數(shù)字高程模型基本不采用整體內(nèi)插法了。

4.2 分塊內(nèi)插

分塊內(nèi)插,就是分而治之,將需要建立的數(shù)字地形按一定的方法進(jìn)行分塊,分成有一定尺寸的規(guī)劃分塊,它的分塊尺寸根據(jù)地形的復(fù)雜程序和相關(guān)數(shù)據(jù)源來(lái)確定。它分塊的核心是如何對(duì)當(dāng)前的地形進(jìn)行分塊,并保證分塊后地形的連續(xù)性。分塊內(nèi)插常用的方法有:多層曲面疊加、雙線性內(nèi)插、多項(xiàng)式內(nèi)插、樣條函數(shù)內(nèi)插等。

從用戶體驗(yàn)角度來(lái)看,進(jìn)行分塊內(nèi)插時(shí)可以采用局部函數(shù)內(nèi)插,它可根據(jù)地形復(fù)雜程度、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度或用戶客戶端的計(jì)算機(jī)性能等因素來(lái)確定要?jiǎng)澇龅拿娣e的大小,劃出的面積越小,該面積內(nèi)部的起伏就越小且用數(shù)學(xué)描述時(shí)越簡(jiǎn)單。用該方法描述地形真實(shí)感較佳。

4.3 逐點(diǎn)移面內(nèi)插

逐點(diǎn)移面內(nèi)插是以待插點(diǎn)為中心,劃定一個(gè)范圍,然后計(jì)算內(nèi)插點(diǎn)的高程值。分塊內(nèi)插是在劃分的分塊內(nèi)大小和位置都保持不變。逐點(diǎn)移面內(nèi)插是以待插點(diǎn)為中心,定義一個(gè)函數(shù)去擬合周圍或鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn),以適當(dāng)?shù)陌霃饺ゲ蹲竭m當(dāng)數(shù)目的數(shù)據(jù)點(diǎn),它的數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍隨待插點(diǎn)位置的變化而變化。

它的建模步驟是:根據(jù)地形特征將數(shù)字高程模型覆蓋的范圍劃分為不含地貌特征線的子區(qū);根據(jù)參考點(diǎn)密度確定移面尺寸;將有貫穿地貌特征的移面再次分割成不含地貌特征線的子區(qū),循環(huán)到都分割成不含有地貌特征線的子區(qū);調(diào)整移面尺寸,使移面參考點(diǎn)數(shù)與數(shù)學(xué)面系數(shù)數(shù)相等;確定內(nèi)插數(shù)學(xué)模型;根據(jù)內(nèi)插點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)得出內(nèi)插點(diǎn)的高程。

從用戶體驗(yàn)角度來(lái)看,采用逐步移面內(nèi)插建模的方式靈活多樣,可以根據(jù)不同的地形特征或需求構(gòu)造出相應(yīng)的三維地形,這樣的內(nèi)插方式,函數(shù)計(jì)算方法簡(jiǎn)單,對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較低,系統(tǒng)的消耗較少,適合對(duì)地形快速渲染的場(chǎng)景。

5 總結(jié)

本文從用戶體驗(yàn)角度出發(fā),對(duì)現(xiàn)有的三維地形建模設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了分析,為三維地形建模提出關(guān)鍵建模環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)思路。在此基礎(chǔ)上提出了在關(guān)鍵建模步驟上的優(yōu)化思路和意見(jiàn),即從前期地形特征研究開(kāi)始,總結(jié)各類地形要重點(diǎn)考慮的特征,然后針對(duì)不同地形,結(jié)合用戶體驗(yàn)需求,選擇合適的地形建模技術(shù),在建模時(shí),要加入其他輔助的地形信息,最后形成地形的相關(guān)核心建模數(shù)據(jù)以及相關(guān)輔助數(shù)據(jù)。