基于視覺傳達(dá)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)建模

朱力

摘 要： 介紹了視覺傳達(dá)技術(shù)的三個(gè)要素，給出感官建模思想。通過輸入信號(hào)的方式對(duì)虛擬環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行控制。利用幾何模型構(gòu)建、紋理特征提取和真實(shí)模型構(gòu)建實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境場(chǎng)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(cè)建模實(shí)現(xiàn)三維聲音建模。在不存在建模工具的情況下，通過設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)三維聲音建模。將傳感器看作人體動(dòng)作采集設(shè)備，依據(jù)系統(tǒng)需求對(duì)手勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過手勢(shì)交互實(shí)現(xiàn)觸覺建模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法可有效實(shí)現(xiàn)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官建模，建立模型臨在感強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 視覺傳達(dá)； 環(huán)境藝術(shù)； 設(shè)計(jì)； 感官體驗(yàn)； 建模； 紋理特征

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(guó)當(dāng)前環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)離不開感官體驗(yàn)的配合，為了增強(qiáng)真實(shí)感，幫助設(shè)計(jì)師充分展現(xiàn)其作品，需建立藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚1?2]。傳統(tǒng)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)建模方法僅針對(duì)某一感官體驗(yàn)進(jìn)行建模，無法使用戶切實(shí)感受環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)作品[3]，針對(duì)該弊端，本文提出一種新的基于視覺傳達(dá)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官建模方法。視覺傳達(dá)技術(shù)不但能夠改變?nèi)藗儗?duì)傳統(tǒng)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的體現(xiàn)形式，還能使人們得到更加真實(shí)的感官體驗(yàn)，是當(dāng)前環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的主要形式，能夠提供豐富的環(huán)境信息。

1 視覺傳達(dá)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)建模

1.1 建模思想

本文通過視覺傳達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)建模。隨著視覺傳達(dá)技術(shù)的發(fā)展，其多科學(xué)交叉性質(zhì)越來越顯著，能夠使人們?cè)谔摂M世界中存在真實(shí)的感官體驗(yàn)，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(dá)技術(shù)的三個(gè)要素。在虛擬世界中環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)能夠在感官上刺激體驗(yàn)者，體驗(yàn)者也可通過一定的行為動(dòng)作與虛擬環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)場(chǎng)景進(jìn)行交互。

本文主要從虛擬環(huán)境場(chǎng)景、外接裝置和交互方式兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)感官體驗(yàn)建模。

1） 外接裝置：外接裝置為人與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)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(huán)境：采用計(jì)算機(jī)建造一個(gè)虛擬環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)場(chǎng)景，從三維視覺、聽覺和觸覺效果入手，實(shí)現(xiàn)感官體驗(yàn)建模。

1.2 輸入信號(hào)采集

采用輸入信號(hào)的方式對(duì)虛擬環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行控制，通常利用外設(shè)裝置采集輸入信號(hào)，常用的輸入設(shè)備為鍵盤與鼠標(biāo)[7]。為了能夠得到更加真實(shí)的感官體驗(yàn)，人們研制了觸摸裝置、三維鼠標(biāo)等相對(duì)高級(jí)的外設(shè)裝置，這些裝置主要用于采集體驗(yàn)者的基本行為動(dòng)作。虛擬環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)空間中物體運(yùn)動(dòng)自由度存在6種，本節(jié)將其劃分成2類：第一類順著[X，Y，Z]軸進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)；第二類以[X，Y，Z]軸為旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖2描述的是虛擬三維空間中6個(gè)自由度的示意圖。

通過操控上述6個(gè)自由度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬物體的交互處理，若體驗(yàn)者輸入的行為動(dòng)作信號(hào)能夠與6個(gè)自由度對(duì)應(yīng)，例如，當(dāng)體檢者點(diǎn)頭時(shí)，虛擬視角會(huì)上下仰俯，會(huì)給體驗(yàn)者帶來真實(shí)的感官體驗(yàn)。

從體驗(yàn)者的感官角度進(jìn)行闡述，虛擬環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)場(chǎng)景中展現(xiàn)的內(nèi)容主要有：

1） 視覺展現(xiàn)：通過計(jì)算機(jī)構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，場(chǎng)景中的景象、物體會(huì)隨著體驗(yàn)者視角的變化發(fā)生相應(yīng)變化，換句話說就是輸出鏡頭可視區(qū)域；

2） 聽覺展現(xiàn)：對(duì)產(chǎn)生的立體聲音進(jìn)行播放，要求立體聲音擁有一定的方向感與距離感；

3） 數(shù)據(jù)展現(xiàn)：通過一定的行為動(dòng)作實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)者對(duì)虛擬場(chǎng)景的交互操作。

1.3 環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)三維視覺建模

構(gòu)建環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)作品三維模型時(shí)，需對(duì)環(huán)境中各物體的幾何信息和紋理特征進(jìn)行提取。將簡(jiǎn)單的物體看成一個(gè)多面體，將相對(duì)復(fù)雜的物體看成由若干個(gè)多面體構(gòu)成的物體。

1.3.1 環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)幾何模型構(gòu)建

構(gòu)建幾何模型主要含有環(huán)境中各物體的空間位置以及各物體的三維信息。本節(jié)采用航空影像交互式采集方法對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集，多視角航空影像可以清楚地展示環(huán)境中各物體的位置分布。對(duì)于環(huán)境中各物體的幾何信息，則通過人工交互與數(shù)字化相結(jié)合的方式采集[8]。對(duì)環(huán)境中某一物體的幾何信息進(jìn)行采集，首先對(duì)物體邊緣的角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行采集，確定各點(diǎn)的頂點(diǎn)與底點(diǎn)；然后通過相鄰兩角點(diǎn)的頂點(diǎn)與底點(diǎn)構(gòu)建物體的側(cè)面，通過有序頂點(diǎn)確定物體頂面，通過有序地面點(diǎn)確定物體地面；最后，根據(jù)確定的頂點(diǎn)、底點(diǎn)以及各個(gè)面建立此物體的幾何模型。本節(jié)采用VC++進(jìn)行研發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)模型可視化設(shè)計(jì)。

1.3.2 紋理特征提取

一般航空影像僅可采集環(huán)境中物體的頂部物理信息，對(duì)側(cè)面紋理信息的采集量很少。本節(jié)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(huán)境中物體的多面紋理信息。通過物體坐標(biāo)和影像方位元素，利用共線方程將其投影至影像，得到環(huán)境中物體的像方坐標(biāo)：

[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(diǎn)的平面坐標(biāo)；[X0，][Y0，][l]表示影像的內(nèi)方位元素；[xr，][yr，][zr]為攝站點(diǎn)物方空間坐標(biāo)；[x，][y，][z]為物方點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；[αj，][βj，][γj]為影像外方位角元素構(gòu)成的9個(gè)方向余弦，其中，[j=1，2，3]。

依據(jù)像方坐標(biāo)獲取最優(yōu)判斷準(zhǔn)則，為所有側(cè)面選擇質(zhì)量最佳的影像，從而提取環(huán)境中的物體紋理。

1.3.3 真實(shí)模型建立

針對(duì)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(cè)量，形成數(shù)字表面模型，將其與正射影像結(jié)合在一起，即可實(shí)現(xiàn)地表物體的三維建模。

1.4 環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中三維聲音建模

利用三維聲音建模工具實(shí)現(xiàn)三維聲音建模的方式是一種有效的方式，其包括以下內(nèi)容：

1） 物理建模：在對(duì)環(huán)境中的物體進(jìn)行幾何建模時(shí)，對(duì)其不同組成的物理特征進(jìn)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(shí)體行為描述過程確定觸發(fā)和停止聲音的方式，將該過程和聲音匹配。

3） 碰撞檢測(cè)建模：利用碰撞檢測(cè)對(duì)撞擊與接觸聲音進(jìn)行區(qū)分。

在不存在建模工具的情況下，可通過設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)三維聲音建模，在內(nèi)存中設(shè)計(jì)一個(gè)表，該表描述的是建立環(huán)境實(shí)體和聲音間的關(guān)系。在一段時(shí)間內(nèi)，通過實(shí)體狀態(tài)對(duì)設(shè)計(jì)表進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定需發(fā)出的聲音。

1.5 交互設(shè)計(jì)觸覺建模

本節(jié)利用各種專業(yè)軟件將環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)視覺畫面、交互功能與系統(tǒng)集成方案導(dǎo)入實(shí)際工作中實(shí)施。將傳感器看作人體動(dòng)作采集設(shè)備，依據(jù)系統(tǒng)需求對(duì)手勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過手勢(shì)交互實(shí)現(xiàn)觸覺建模，從而控制環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)[9]，手勢(shì)交互流程用圖3進(jìn)行描述。

分析圖3可知，在進(jìn)行觸覺建模時(shí)，首先需對(duì)人們的肢體語言進(jìn)行研究，同時(shí)按照人的動(dòng)作習(xí)慣對(duì)手勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)；再通過設(shè)計(jì)的手勢(shì)對(duì)不同動(dòng)作進(jìn)行定義；最后利用傳感器采集人體動(dòng)作信號(hào)，將人體動(dòng)作和觸覺體驗(yàn)功能進(jìn)行映射，通過觸覺實(shí)現(xiàn)感官體驗(yàn)。

2 感官體驗(yàn)評(píng)估和實(shí)驗(yàn)

2.1 感官體驗(yàn)評(píng)估

針對(duì)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)的評(píng)估，當(dāng)前無法獲取準(zhǔn)確的評(píng)估公式，本節(jié)針對(duì)不同感官體驗(yàn)依次進(jìn)行主觀衡量，從虛擬環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)體驗(yàn)背景出發(fā)，總結(jié)了以下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)公式：

[Q=θVVt+θAAt+θFFt+θSSt-θCCt-θΔΔt] （3）

式中：[Q]用于描述整體環(huán)境藝術(shù)感官體驗(yàn)評(píng)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(yàn)者背景，若體驗(yàn)者對(duì)環(huán)境藝術(shù)較為熟悉，則其對(duì)視覺傳達(dá)虛擬環(huán)境的新鮮感會(huì)減少，弱化感官體驗(yàn)效果；[Δ]用于描述干擾因素，是用戶對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境專注度的體現(xiàn)；[θi]用于描述各感官的感知權(quán)重，其累計(jì)值為1，所有感知權(quán)重的最大閾值不可超過該感官在實(shí)際環(huán)境中的感知程度。

影響用戶對(duì)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)的因素主要包括用戶經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和職業(yè)等。不同感官之間也會(huì)互相影響。本節(jié)針對(duì)兩種類型環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)作品，探索用戶對(duì)其感官體驗(yàn)的主觀感受，以驗(yàn)證本文方法的有效性。

對(duì)52位志愿者進(jìn)行問卷調(diào)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(yàn)相應(yīng)感官，2分代表不愿意體驗(yàn)相應(yīng)感官，3分代表體驗(yàn)或不體驗(yàn)相應(yīng)感官均可，4分代表愿意體驗(yàn)相應(yīng)感官，5分代表非常愿意體驗(yàn)相應(yīng)感官。對(duì)問卷調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求出其平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果用表1進(jìn)行描述。

分析圖4可知，在對(duì)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行感官體驗(yàn)時(shí)，針對(duì)兩種類型的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)作品，用戶對(duì)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(shí)現(xiàn)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)聽覺、視覺和觸覺的建模，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的有效性。

2.2 臨在感測(cè)試

臨在感是一種主觀感受，為了研究用戶對(duì)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)的臨在感，通過問卷調(diào)查的形式進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試用戶臨在感時(shí)選用Bob G.wintmer臨在感調(diào)查問卷。當(dāng)前問卷一共有7個(gè)項(xiàng)目，被歸納至7個(gè)影響臨在感的因素中，依次為真實(shí)度、操控性、仔細(xì)觀察可能性、績(jī)效評(píng)估、聽覺、觸覺、視覺。其中，仔細(xì)觀察可能性即用戶能夠仔細(xì)觀察藝術(shù)設(shè)計(jì)作品的可能性，績(jī)效評(píng)估即用戶在進(jìn)行環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)時(shí)的表現(xiàn)。問卷分?jǐn)?shù)從1～7，1分為最低分，7分為最高分。20個(gè)項(xiàng)目中1，8，18代表真實(shí)度，3，17代表操控性，5，10，16代表仔細(xì)觀察可能性，2，12代表績(jī)效評(píng)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(jié)將CG方法和GIS方法作為對(duì)比，在進(jìn)行臨在感調(diào)查問卷中對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，求出平均值，如表2所示，將其歸納至7個(gè)影響臨在感的因素中，繼續(xù)進(jìn)行平均值計(jì)算，結(jié)果用表3進(jìn)行描述。

綜合分析表2和表3可知，針對(duì)本文方法得到的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)建模結(jié)果，用戶體驗(yàn)后對(duì)真實(shí)度、操控性、仔細(xì)觀察可能性、績(jī)效評(píng)估、聽覺、觸覺和視覺的評(píng)價(jià)結(jié)果均高于CG方法和GIS方法，說明本文方法建模結(jié)果臨在感強(qiáng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法的有效性。

3 結(jié) 論

本文提出基于視覺傳達(dá)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官體驗(yàn)建模方法，給出感官建模思想。分析了虛擬環(huán)境場(chǎng)景三維視覺建模、三維聲音建模和交互觸覺的建模過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法可有效實(shí)現(xiàn)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)感官建模，建立模型的臨在感強(qiáng)。

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