基于视觉传达的环境艺术设计感官体验建模

朱力

摘 要： 介绍了视觉传达技术的三个要素，给出感官建模思想。通过输入信号的方式对虚拟环境艺术设计环境进行控制。利用几何模型构建、纹理特征提取和真实模型构建实现虚拟环境场景三维建模。利用三维声音建模工具，通过物理建模、行为建模、碰撞检测建模实现三维声音建模。在不存在建模工具的情况下，通过设计程序实现三维声音建模。将传感器看作人体动作采集设备，依据系统需求对手势进行设计，通过手势交互实现触觉建模。实验结果表明，所提方法可有效实现环境艺术设计感官建模，建立模型临在感强。

关键词： 视觉传达； 环境艺术； 设计； 感官体验； 建模； 纹理特征

中图分类号： TN911?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 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

我國当前环境艺术设计离不开感官体验的配合，为了增强真实感，帮助设计师充分展现其作品，需建立艺术设计感官体验模型[1?2]。传统环境艺术设计感官体验建模方法仅针对某一感官体验进行建模，无法使用户切实感受环境艺术设计作品[3]，针对该弊端，本文提出一种新的基于视觉传达的环境艺术设计感官建模方法。视觉传达技术不但能够改变人们对传统环境艺术设计的体现形式，还能使人们得到更加真实的感官体验，是当前环境艺术设计的主要形式，能够提供丰富的环境信息。

1 视觉传达的环境艺术设计感官体验建模

1.1 建模思想

本文通过视觉传达技术实现环境艺术设计感官体验建模。随着视觉传达技术的发展，其多科学交叉性质越来越显著，能够使人们在虚拟世界中存在真实的感官体验，具备一定的交互性、想象性以及沉浸性[4?5]。图1描述的是视觉传达技术的三个要素。在虚拟世界中环境艺术设计能够在感官上刺激体验者，体验者也可通过一定的行为动作与虚拟环境艺术设计场景进行交互。

本文主要从虚拟环境场景、外接装置和交互方式两个方面实现感官体验建模。

1） 外接装置：外接装置为人与虚拟现实环境间的桥梁，通常采用具备一定传输功能的传感装置[6]。

2） 虚拟环境：采用计算机建造一个虚拟环境艺术设计场景，从三维视觉、听觉和触觉效果入手，实现感官体验建模。

1.2 输入信号采集

采用输入信号的方式对虚拟环境艺术设计环境进行控制，通常利用外设装置采集输入信号，常用的输入设备为键盘与鼠标[7]。为了能够得到更加真实的感官体验，人们研制了触摸装置、三维鼠标等相对高级的外设装置，这些装置主要用于采集体验者的基本行为动作。虚拟环境艺术设计空间中物体运动自由度存在6种，本节将其划分成2类：第一类顺着[X，Y，Z]轴进行水平运动；第二类以[X，Y，Z]轴为旋转轴进行旋转运动。图2描述的是虚拟三维空间中6个自由度的示意图。

通过操控上述6个自由度即可实现对虚拟物体的交互处理，若体验者输入的行为动作信号能够与6个自由度对应，例如，当体检者点头时，虚拟视角会上下仰俯，会给体验者带来真实的感官体验。

从体验者的感官角度进行阐述，虚拟环境艺术设计场景中展现的内容主要有：

1） 视觉展现：通过计算机构建虚拟场景，场景中的景象、物体会随着体验者视角的变化发生相应变化，换句话说就是输出镜头可视区域；

2） 听觉展现：对产生的立体声音进行播放，要求立体声音拥有一定的方向感与距离感；

3） 数据展现：通过一定的行为动作实现体验者对虚拟场景的交互操作。

1.3 环境艺术设计三维视觉建模

构建环境艺术设计作品三维模型时，需对环境中各物体的几何信息和纹理特征进行提取。将简单的物体看成一个多面体，将相对复杂的物体看成由若干个多面体构成的物体。

1.3.1 环境艺术设计几何模型构建

构建几何模型主要含有环境中各物体的空间位置以及各物体的三维信息。本节采用航空影像交互式采集方法对环境信息进行采集，多视角航空影像可以清楚地展示环境中各物体的位置分布。对于环境中各物体的几何信息，则通过人工交互与数字化相结合的方式采集[8]。对环境中某一物体的几何信息进行采集，首先对物体边缘的角点坐标进行采集，确定各点的顶点与底点；然后通过相邻两角点的顶点与底点构建物体的侧面，通过有序顶点确定物体顶面，通过有序地面点确定物体地面；最后，根据确定的顶点、底点以及各个面建立此物体的几何模型。本节采用VC++进行研发，从而实现模型可视化设计。

1.3.2 纹理特征提取

一般航空影像仅可采集环境中物体的顶部物理信息，对侧面纹理信息的采集量很少。本节通过多视角航空影像，利用倾斜摄影方式，最大程度地通过航空影像采集环境中物体的多面纹理信息。通过物体坐标和影像方位元素，利用共线方程将其投影至影像，得到环境中物体的像方坐标：

[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]为像点的平面坐标；[X0，][Y0，][l]表示影像的内方位元素；[xr，][yr，][zr]为摄站点物方空间坐标；[x，][y，][z]为物方点的物方空间坐标；[αj，][βj，][γj]为影像外方位角元素构成的9个方向余弦，其中，[j=1，2，3]。

依据像方坐标获取最优判断准则，为所有侧面选择质量最佳的影像，从而提取环境中的物体纹理。

1.3.3 真实模型建立

针对贴在地面上的物体，如车道、草地等，可利用正射影响获取位置和纹理特征，通过航空摄影测量，形成数字表面模型，将其与正射影像结合在一起，即可实现地表物体的三维建模。

1.4 环境艺术设计中三维声音建模

利用三维声音建模工具实现三维声音建模的方式是一种有效的方式，其包括以下内容：

1） 物理建模：在对环境中的物体进行几何建模时，对其不同组成的物理特征进行描述，并且将声音作为物理特征的一种。

2） 行为建模：利用实体行为描述过程确定触发和停止声音的方式，将该过程和声音匹配。

3） 碰撞检测建模：利用碰撞检测对撞击与接触声音进行区分。

在不存在建模工具的情况下，可通过设计程序实现三维声音建模，在内存中设计一个表，该表描述的是建立环境实体和声音间的关系。在一段时间内，通过实体状态对设计表进行检验，以确定需发出的声音。

1.5 交互设计触觉建模

本節利用各种专业软件将环境艺术设计视觉画面、交互功能与系统集成方案导入实际工作中实施。将传感器看作人体动作采集设备，依据系统需求对手势进行设计，通过手势交互实现触觉建模，从而控制环境艺术设计感官体验[9]，手势交互流程用图3进行描述。

分析图3可知，在进行触觉建模时，首先需对人们的肢体语言进行研究，同时按照人的动作习惯对手势进行设计；再通过设计的手势对不同动作进行定义；最后利用传感器采集人体动作信号，将人体动作和触觉体验功能进行映射，通过触觉实现感官体验。

2 感官体验评估和实验

2.1 感官体验评估

针对环境艺术设计感官体验的评估，当前无法获取准确的评估公式，本节针对不同感官体验依次进行主观衡量，从虚拟环境艺术设计体验背景出发，总结了以下环境艺术设计感官体验公式：

[Q=θVVt+θAAt+θFFt+θSSt-θCCt-θΔΔt] （3）

式中：[Q]用于描述整体环境艺术感官体验评估值；[V]用于描述视觉；[A]用于描述听觉；[F]用于描述触觉；[S]用于描述嗅觉；[C]用于描述体验者背景，若体验者对环境艺术较为熟悉，则其对视觉传达虚拟环境的新鲜感会减少，弱化感官体验效果；[Δ]用于描述干扰因素，是用户对实验环境专注度的体现；[θi]用于描述各感官的感知权重，其累计值为1，所有感知权重的最大阈值不可超过该感官在实际环境中的感知程度。

影响用户对环境艺术设计感官体验的因素主要包括用户经验、知识和职业等。不同感官之间也会互相影响。本节针对两种类型环境艺术设计作品，探索用户对其感官体验的主观感受，以验证本文方法的有效性。

对52位志愿者进行问卷调查，问卷问题集中于视觉、触觉、听觉、嗅觉方面，1分代表极不愿意体验相应感官，2分代表不愿意体验相应感官，3分代表体验或不体验相应感官均可，4分代表愿意体验相应感官，5分代表非常愿意体验相应感官。对问卷调查结果进行统计，求出其平均值与标准差，结果用表1进行描述。

分析图4可知，在对环境艺术设计进行感官体验时，针对两种类型的环境艺术设计作品，用户对视觉、听觉与触觉的需求比重明显高于嗅觉，而本文方法可有效实现环境艺术设计听觉、视觉和触觉的建模，验证了本文系统的有效性。

2.2 临在感测试

临在感是一种主观感受，为了研究用户对环境艺术设计感官体验的临在感，通过问卷调查的形式进行测试。测试用户临在感时选用Bob G.wintmer临在感调查问卷。当前问卷一共有7个项目，被归纳至7个影响临在感的因素中，依次为真实度、操控性、仔细观察可能性、绩效评估、听觉、触觉、视觉。其中，仔细观察可能性即用户能够仔细观察艺术设计作品的可能性，绩效评估即用户在进行环境艺术设计感官体验时的表现。问卷分数从1～7，1分为最低分，7分为最高分。20个项目中1，8，18代表真实度，3，17代表操控性，5，10，16代表仔细观察可能性，2，12代表绩效评估，4，15，19代表听觉，6，7，13，20代表触觉，9，11，14代表视觉。

本节将CG方法和GIS方法作为对比，在进行临在感调查问卷中对所有数据进行累加，求出平均值，如表2所示，将其归纳至7个影响临在感的因素中，继续进行平均值计算，结果用表3进行描述。

综合分析表2和表3可知，针对本文方法得到的环境艺术设计感官体验建模结果，用户体验后对真实度、操控性、仔细观察可能性、绩效评估、听觉、触觉和视觉的评价结果均高于CG方法和GIS方法，说明本文方法建模结果临在感强，进一步验证了本文方法的有效性。

3 结 论

本文提出基于视觉传达的环境艺术设计感官体验建模方法，给出感官建模思想。分析了虚拟环境场景三维视觉建模、三维声音建模和交互触觉的建模过程。实验结果表明，所提方法可有效实现环境艺术设计感官建模，建立模型的临在感强。

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