用戶體驗視角下數(shù)字地形快速建模方法的優(yōu)化*

王世運

(海南熱帶海洋學院,海南三亞 572022)

用戶體驗是指用戶在使用相關產(chǎn)品的過程中建立起來的一種主觀感受。優(yōu)秀的產(chǎn)品是一個以用戶為中心的產(chǎn)品設計,它將用戶的感覺、愛好、習慣、情緒、生理及心理反應融合到產(chǎn)品的設計理念中,使用戶在使用該產(chǎn)品時輕松、愉悅。

數(shù)字地形建模是計算機圖形學的重要研究內(nèi)容,其實際應用廣泛,目前數(shù)字地形建模主要應用在這兩個場景,一是根據(jù)地學圖形的數(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,通過計算機產(chǎn)生符合要求的真實三維地形;二是通過相關建模技術模擬自然場景或虛構相關場景的地形,即虛擬建模[1]。本文的研究是虛擬建模,通過構建相關的虛擬地形環(huán)境用于游戲、虛擬漫游等。

一般的虛擬漫游系統(tǒng)通過使用相關建模平臺實現(xiàn)對實體對象或假想對象進行地形構造,主要是通過對地形特征的研究,進而構建一個完整的虛擬地表區(qū)域。隨著計算機技術和通信技術的發(fā)展,越來越要求虛構出來的三維地形也能和自然規(guī)律整合在一起,給用戶更貼近實際生活的體驗,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交互體驗感。本文在總結三維地形快速建模的基礎上,提出三維地形建模各個環(huán)節(jié)中如何融入用戶體驗的要素,實現(xiàn)以虛擬現(xiàn)實技術、三維地形建模技術等技術軟件快速構建三維地形虛擬場景。

1 數(shù)字地形建模的研究意義

隨著信息技術與通信技術的發(fā)展。20世紀90年代出現(xiàn)了數(shù)字地球的概念,互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)了以谷歌地球為代表的虛擬地球系統(tǒng),該系統(tǒng)以真實地球地貌建立了一個多視角、多分辨率、三維動態(tài)的虛擬地球[2]。自數(shù)字地球提出來后,各種數(shù)字技術、虛擬現(xiàn)實技術逐漸從軍事領域推廣到民用領域,發(fā)展到現(xiàn)今的數(shù)字城市、虛擬漫游,還出現(xiàn)了虛實結合的數(shù)字生活。不管是虛擬漫游還是虛實結合的數(shù)字生活,用戶對虛擬系統(tǒng)的要求越來越高,強調(diào)各類游戲設計、虛擬體驗等虛擬系統(tǒng)的地形建模要有真實感,要求地形能提供更多的用戶體驗感,以增強游戲或虛擬體驗帶來的舒適感。

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

隨計算機技術,特別是相關VR設備的涌現(xiàn)(比如頭盔、步行機、顯示頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)鞋等),用戶對在游戲或虛擬漫游過程中對地形建模要求越來越高,用戶對地形的體驗要求不光只是能行走,還提出要感受到不同地形的帶來的不同感覺,要感覺到地形變化直接帶來的身體運動變化等相關細膩要求。

2 數(shù)字地形模型的特征研究

目前,三維地形建模技術涉及到地形數(shù)據(jù)特征的分析,特別是在實時生成上,若采用較復雜或冗余的方式來構建三維地形,那對計算機的要求非常高,不適用于三維技術的推廣,一般來說,三維地形要在保持視覺效果的同時,也要提供較高的刷新頻率,基于這樣的需求,在計算機硬件無法提供更高的運算速度前提,就要求三維地形建模技術要從軟件上下手,從建模上解決大規(guī)模地形的實時顯示效率。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)庫的方式,采集收集更多更全的地形特征數(shù)據(jù),建立多個地形模型,以滿足不同的場景需求。這要求我們的建立三維地形數(shù)據(jù)庫時,要對地形各種特征進行采樣分析,選擇適當?shù)姆謮K技術,提高地形在虛擬系統(tǒng)中的真實感。

在數(shù)字地形建模中,地形模型由地表、地表以下等空間實體構成。用戶通過地表的形態(tài)、顏色等可以初步形成對該地表的視覺判斷,而地表以下的空間實體(地質(zhì)結構)則會對用戶在與地表發(fā)生接觸時給予相應的反饋信息,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景時,就應該有如身處現(xiàn)實世界般的感覺。

現(xiàn)實世界中常見的地形有平原、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。從影響用戶體驗來看地形的特征,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,其中盆地熱量不易散失;同一海拔又存在陽坡、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,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力學考慮進去,也要考慮到地表凹凸不平給予用戶帶來的不同視覺沖擊和觸覺感受。

(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成。

另外,地表的巖石、土壤、水面、植被、雪水等對太陽輻射的反射率也不同,也會給用戶帶來了不同的視覺刺激。

綜上所述,在進行三維地形建模時,應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)字地形的真實感,才能給用戶帶來更佳的觸覺與視覺刺激。

3 三維數(shù)字地形表達方法的適用范圍

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

數(shù)字高程模型是在一定范圍內(nèi),以密集的地形模型點的坐標X、Y、Z表達地點形態(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,是帶有空間位置和地形屬性特征的數(shù)字描述。數(shù)字地形模型的常見表達方法有: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,每個單元對應一個數(shù)值[5]。使用規(guī)則網(wǎng)格可以用普通計算機進行處理計算,它可以很容易計算出地形的坡度、坡向、陰影等。

在實際建模過程中,在規(guī)則網(wǎng)格中加入地形的其他特征點,比如山脊線、谷底線等能描述出精度更高的地形結構,但規(guī)則網(wǎng)格中表達地勢平坦的地形時會產(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連結成封閉曲線來表示連續(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單多邊形。簡單來說,等高線是海拔高度相等的各點的連線,等高線常用于表達山頂、盆地、山谷、陡崖等。

(3)不規(guī)則三角網(wǎng)模型。它相對于等高線表達方法來說,計算效率高,數(shù)據(jù)冗余低。它能隨著地形起伏變化而改變采樣點的密度和決定采集樣點的位置,能就會復雜的地形設計,也能避免產(chǎn)生較多的數(shù)據(jù)冗余。

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

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題是高程內(nèi)插,為什么要對數(shù)字地形模型進行內(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、逐點移面內(nèi)插等類型。

4.1 整體內(nèi)插

在某個設計區(qū)域用一個數(shù)字曲面函數(shù)來表述地形表面,整體內(nèi)插函數(shù)一般采用高次多項式。整體內(nèi)插存在的缺點有:當描述大范圍的地形時,因整體內(nèi)插選取的參考點數(shù)較少,不足以描述整個地形,但選取較多的參考點時,會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)場;特別是整體內(nèi)插不能提供某個地形區(qū)域的局部特征。

隨著計算機技術和用戶對產(chǎn)品體驗感提升的要求,整體內(nèi)插上的天然不足導致數(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)地形的復雜程序和相關數(shù)據(jù)源來確定。它分塊的核心是如何對當前的地形進行分塊,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、多項式內(nèi)插、樣條函數(shù)內(nèi)插等。

從用戶體驗角度來看,進行分塊內(nèi)插時可以采用局部函數(shù)內(nèi)插,它可根據(jù)地形復雜程度、網(wǎng)絡傳輸速度或用戶客戶端的計算機性能等因素來確定要劃出的面積的大小,劃出的面積越小,該面積內(nèi)部的起伏就越小且用數(shù)學描述時越簡單。用該方法描述地形真實感較佳。

4.3 逐點移面內(nèi)插

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

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,使移面參考點數(shù)與數(shù)學面系數(shù)數(shù)相等;確定內(nèi)插數(shù)學模型;根據(jù)內(nèi)插點的X、Y坐標得出內(nèi)插點的高程。

從用戶體驗角度來看,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造出相應的三維地形,這樣的內(nèi)插方式,函數(shù)計算方法簡單,對計算機的要求較低,系統(tǒng)的消耗較少,適合對地形快速渲染的場景。

5 總結

本文從用戶體驗角度出發(fā),對現(xiàn)有的三維地形建模設計思路進行了分析,為三維地形建模提出關鍵建模環(huán)節(jié)的設計思路。在此基礎上提出了在關鍵建模步驟上的優(yōu)化思路和意見,即從前期地形特征研究開始,總結各類地形要重點考慮的特征,然后針對不同地形,結合用戶體驗需求,選擇合適的地形建模技術,在建模時,要加入其他輔助的地形信息,最后形成地形的相關核心建模數(shù)據(jù)以及相關輔助數(shù)據(jù)。