基于數(shù)位屏設(shè)備的速度模仿顯示方案設(shè)計*

夏文利， 律睿慜， 陳 偉

(江南大學(xué) 人工智能與計算機(jī)學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

0 引 言

書法的傳承一直是中國傳統(tǒng)文化教育中不可或缺的課題。而傳統(tǒng)字帖中的范字為靜態(tài)圖像，初學(xué)者難以揣摩書寫范字時的運筆速度、運筆力度等對學(xué)習(xí)書法至關(guān)重要的動態(tài)信息。書寫速度變化是筆跡變化的最基本因素之一[1]，也是常見的書寫指標(biāo)[2]?；诖耍Y(jié)合如今各式各樣的計算機(jī)相關(guān)技術(shù)發(fā)展，提出兩個問題，1)不同的顯示方式是否會對學(xué)習(xí)者模仿線條運行軌跡存在不同程度的促進(jìn)作用。2)線條軌跡運動速度的動態(tài)顯示是否會更優(yōu)于傳統(tǒng)的靜態(tài)顯示方案。

本文以運筆速度為參考量，提出了一個基于數(shù)位屏和無線壓感筆設(shè)備的速度模仿顯示的設(shè)計方案，將預(yù)先設(shè)計的線條運動數(shù)據(jù)以不同的顯示方式進(jìn)行展現(xiàn),并收集測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，來驗證不同的顯示方式是否會對學(xué)習(xí)者模仿有不同程度的促進(jìn)作用。

1 相關(guān)研究

近年來,計算機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也推動了書寫學(xué)的發(fā)展。Alamargot D等人將眼動設(shè)備與書寫板進(jìn)行結(jié)合[3]；有團(tuán)隊組合使用壓力感應(yīng)設(shè)備和電子筆進(jìn)行測量握筆力度和書寫位置[4]； Morikawa A等人采用Leapmotion傳感器開發(fā)一種書法筆法自我訓(xùn)練系統(tǒng)[5]。硬件的發(fā)展使書寫運動方面的量化研究迅速發(fā)展,而書寫學(xué)常見的動態(tài)指標(biāo)中最重要的就是速度指標(biāo)。Accardo A P等人通過數(shù)字平板電腦執(zhí)行特定任務(wù)測試書寫速度[6]。Nishino H等人實現(xiàn)了一個強(qiáng)大的3D畫筆模型，用于實時可視化手寫過程[7]。但目前書法學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的主要方式還是臨帖，而字帖只能展現(xiàn)單一的線條。因此探討不同的線條顯示模式對于學(xué)習(xí)者模仿學(xué)習(xí)的效率的影響具有研究意義。

2 框架與顯示模式設(shè)計

2.1 實驗基本思路與研究框架

為了研究不同速度可視化方案對于臨摹效果的影響，需要讓測試者在不同的速度顯示模式下對于多種運動推移過程進(jìn)行模仿，記錄其模仿數(shù)據(jù)并與參照運動數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，量化地得出樣本與參照數(shù)據(jù)之間的差異性?；诖怂悸?，本文提出一個書寫速度測試系統(tǒng)，其研究框架流程如圖1所示。因此,本文實驗第一步就是構(gòu)造參照數(shù)據(jù)(即運動類型數(shù)據(jù))和設(shè)計不同的書寫速度顯示模式。

圖1 研究框架

2.2 運動類型數(shù)據(jù)構(gòu)造

文獻(xiàn)[8]提出了線條節(jié)奏控制的5種類型，根據(jù)這5種類型可以構(gòu)造出5個不同的運動類型數(shù)據(jù)(在后續(xù)的圖中均以data0，data1…表示)。構(gòu)造過程為利用貝塞爾曲線構(gòu)造出位移—速度曲線(curve)。取一個足夠小的時間間隔Δt，及起點位置x0，利用曲線curve可以得到x0對應(yīng)的速度v0，則x1=x0+v0*Δt，通過x1得到v1，依此類推，可以得到該曲線的位移、速度及時間的對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)并保存為本地文件作為不同運動類型參考數(shù)據(jù)。構(gòu)造出的5種數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。每幅圖下方的圖片為該運動類型的一種顯示方案的展示。

圖2 運動類型數(shù)據(jù)的位移—速度曲線

2.3 顯示模式設(shè)計

因為實驗主要研究不同顯示模式對于臨摹效果的影響，要盡可能控制其他因素的干擾，所以,在模式設(shè)計上均取固定縱坐標(biāo)的水平運動。本文以文獻(xiàn)[8]提出的顯示方案為基礎(chǔ)，設(shè)計了兩種靜態(tài)方案和兩種動態(tài)方案。

1)顯示模式1:如圖3(a)所示，對所選數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)規(guī)則為從這條路徑上等距離選取7個點，用相應(yīng)的符號進(jìn)行標(biāo)記速度。模式1對書寫速度進(jìn)行標(biāo)記使用的符號意義如表1所示。

表1 符號與意義

2)顯示模式2:如圖3(b)所示,對所選數(shù)據(jù)的顯示方式為單個小球沿相應(yīng)路徑按照記錄的速度數(shù)據(jù)向右運動。

3)顯示模式3:如圖3(c)所示,根據(jù)所選數(shù)據(jù)，在相應(yīng)的等時間間隔的位置放置一個半透明的白色小球形成運動路徑。

4)顯示模式4:如圖3(d)所示,根據(jù)所選數(shù)據(jù)，會生成5個運動的小球，每個小球均沿相應(yīng)路徑按照記錄的速度數(shù)據(jù)向右運動，小球為等時間間隔依次生成。

圖3 顯示模式設(shè)計方案

2.4 測試交互

測試者在參考系統(tǒng)界面上方黑色框中的顯示后，在界面下方的黑色框中用無線壓感筆在液晶數(shù)位屏上畫線進(jìn)行書寫速度的模仿。手寫筆的信號將被實時捕獲，轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信息存儲于本地文件。系統(tǒng)以壓感筆接觸數(shù)位屏的時刻為開始記錄數(shù)據(jù)的時刻，以壓感筆離開數(shù)位屏的時刻為結(jié)束記錄數(shù)據(jù)的時刻。用戶錄入的原始數(shù)據(jù)包括測試者書寫時的時間、筆位置、書寫速度及筆壓力。數(shù)據(jù)形式如表2所示。

表2 樣本存儲數(shù)據(jù)

3 書寫實時信息獲取

系統(tǒng)采用數(shù)位屏和無線壓感筆作為測試工具，基于Wintab系統(tǒng)接口實時捕獲手寫運動信號。Wintab驅(qū)動程序為用戶提供了API，文獻(xiàn)[9]介紹了如何調(diào)用這個API庫。整個系統(tǒng)是基于Windows操作系統(tǒng)，以Unity為開發(fā)平臺進(jìn)行編程設(shè)計的。在Unity中使用WintabAPI規(guī)范，可以實時獲取到手寫筆的輸入位置、筆壓力、筆傾斜等手寫數(shù)據(jù)進(jìn)而進(jìn)行記錄和分析。

4 實驗設(shè)計

實驗對象為27名工科研究生，其專業(yè)為軟件工程，男女比例為13︰14，年齡在23～26歲之間，視力或矯正視力正常，在電腦上進(jìn)行實驗。在正式測試之前，先讓志愿者們熟悉測試模型并進(jìn)行簡單訓(xùn)練，訓(xùn)練時間大約為10 min，確保志愿者們對于操作過程有全面了解，避免由操作失誤帶來的過大誤差。然后開始正式的測試，志愿者們被要求按順序完成4種模式速度模仿測試，每種模式重復(fù)測試20次，測試者需要在20 s之內(nèi)完成當(dāng)次測試，每次測試的運動類型數(shù)據(jù)均隨機(jī)從5種類型中取得。每次測試結(jié)束3 s之后會繼續(xù)進(jìn)行下一次測試。

實驗工具為一臺DELL筆記本電腦和Wacom DTZ—1200W液晶數(shù)位屏及無線壓感筆。

5 結(jié)果討論

5.1 實驗數(shù)據(jù)的處理過程

對于樣本數(shù)據(jù)的分析，旨在得出不同顯示模式下，樣本數(shù)據(jù)在不同位置上速度的變化趨勢是否與原始運動類型數(shù)據(jù)具有一致性。若將書寫過程看作是一個沿水平走向的時序信號，那么若要度量信號的一致性，則可計算樣本信號與原始參考數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

因此，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行以下操作：首先，對原始運動類型數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，為了使所有數(shù)據(jù)點最大程度位于擬合曲線上，本文使用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到擬合函數(shù)[10]。之后，對樣本數(shù)據(jù)與擬合函數(shù)進(jìn)行計算皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Pearson correlation coefficient,PCC)，PCC用于衡量不同變量之間關(guān)系密切程度[11],該系數(shù)可用于判斷樣本數(shù)據(jù)運動趨勢與原數(shù)據(jù)運動趨勢的相似度。再對所有系數(shù)分類進(jìn)行方差分析(analysis of variance，ANOVA)，ANOVA用于2個及2個以上樣本均值差別的顯著性檢驗[12]。取α顯著水平為0.05，若計算出的ANOVA表中概率p值小于α，則代表不同顯示模式對于樣本PCC值具有顯著影響。對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)于運動類型和顯示模式類型的雙因素方差分析，可以計算出這兩個因素及其交互效應(yīng)對結(jié)果的影響程度。

5.2 不同模式下臨摹效果分析

實驗總共收集到2 142份有效數(shù)據(jù)樣本,對所有數(shù)據(jù)按照顯示模式分類計算PCC平均數(shù)，得到結(jié)果如表3所示。從表中PCC平均值可以看出，mode3樣本的相關(guān)性顯著高于其他三種模式，其次為mode1。

表3 計算結(jié)果

對所有PCC按運動類型分別繪制箱體圖，如圖4所示，箱體從下到上5條線分別代表最小值、下四分位數(shù)、中位數(shù)、上四分位數(shù)和最大值。從圖中可以看出，在不同運動類型中，靜態(tài)顯示模式的mode1和mode3表現(xiàn)優(yōu)于動態(tài)顯示模式的mode2和mode4。

圖4 不同運動類型下樣本PCC箱體

對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)于不同模式的單因素方差分析,得到圖5所示箱體圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，在樣本總體分析下，mode3和mode1的表現(xiàn)情況仍然優(yōu)于mode2和mode4。

圖5 所有數(shù)據(jù)PCC箱體

得到的單因素方差分析表如表4所示。表中p值小于0.05,可以得出不同模式對于樣本PCC值具有顯著影響。

表4 單因素ANOVA

對不同模式和運動類型進(jìn)行雙因素方差分析，得到的方差分析表如表5所示。表中行、列及交互效應(yīng)的p值均小于0.05，為具有顯著影響水平;且影響程度為：顯示模式>交互效應(yīng)>運動類型。

表5 雙因素ANOVA

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種研究書寫模仿的顯示方案的實驗系統(tǒng)。實驗發(fā)現(xiàn)，測試者模擬的數(shù)據(jù)在不同的顯示方案下的表現(xiàn)存在明顯差異，動態(tài)顯示方案并不如設(shè)想中的比靜態(tài)方案表現(xiàn)好，反而靜態(tài)顯示方案比動態(tài)顯示方案有更好的表現(xiàn)，并且實驗中提出的新的靜態(tài)顯示方案表現(xiàn)效果明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[8]中提出的靜態(tài)顯示方案。通過實驗證明了新的顯示方案能夠顯著提升學(xué)習(xí)者對于線條速度模仿的準(zhǔn)確性，因此,視覺顯示效果確實對于書法臨摹學(xué)習(xí)有重要作用，可為后續(xù)更多顯示方案的設(shè)計和應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。本文僅比較了4種不同的可視化方案的優(yōu)劣性，還未對影響其臨摹效果的感知機(jī)制進(jìn)行深入研究，可以預(yù)見，對它的進(jìn)一步研究有助于尋找更優(yōu)化的運筆動作可視化方案。