基于融合動(dòng)態(tài)圖形和視覺(jué)感知的艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化設(shè)計(jì)

王晶，胡弦

(1.武漢華夏理工學(xué)院，湖北 武漢 430223；2.廣西師范大學(xué)，廣西 桂林 530009)

0 引 言

艦船立體流線(xiàn)造型設(shè)計(jì)屬于非常復(fù)雜的一項(xiàng)工作。立體流線(xiàn)造型設(shè)計(jì)既與艦船安全性有關(guān)，又與艦船美觀(guān)性有關(guān)。傳統(tǒng)的艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化，僅關(guān)注艦船結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并未考慮艦船的視覺(jué)效果。王一鏡等以最小艦船桁架與跳板重量為優(yōu)化目標(biāo)，建立艦船結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，利用自適應(yīng)變異粒子群算法，求解該模型，完成艦船結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該方法可有效優(yōu)化艦船結(jié)構(gòu)，減輕艦船重量。劉婧等利用超立方試驗(yàn)，選擇艦船結(jié)構(gòu)優(yōu)化的初始樣本點(diǎn)，利用模擬退化法尋找最佳樣本點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)艦船結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該方法具備艦船結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性，優(yōu)化效率較快。但這2 種方法均未考慮艦船結(jié)構(gòu)的美觀(guān)度，視覺(jué)效果較差。動(dòng)態(tài)圖形與視覺(jué)感知在目標(biāo)外觀(guān)優(yōu)化中具備較優(yōu)的應(yīng)用效果，令優(yōu)化結(jié)果更符合審美需求，提升目標(biāo)外觀(guān)的美觀(guān)度。為此設(shè)計(jì)融合動(dòng)態(tài)圖形和視覺(jué)感知的艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)造型優(yōu)化，提升艦船立體流線(xiàn)造型視覺(jué)效果。

1 艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 基于視覺(jué)感知的艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化

1.1.1 立體流線(xiàn)造型區(qū)域視覺(jué)感知強(qiáng)度等級(jí)劃分

為方便視覺(jué)感知強(qiáng)度等級(jí)劃分，將艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域近似成正方形，按照視覺(jué)感知強(qiáng)度，分配艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域中的相關(guān)單元，生成等級(jí)不同的區(qū)域。令艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域的邊長(zhǎng)為，人眼距離艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域的距離為，區(qū)域劃分的最小單元和第一等級(jí)的面積相關(guān)，視覺(jué)感知強(qiáng)度的分布是圓形，需劃分的單元是正方形，為此需設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)化公式，令各單元的面積與等級(jí)最高單元的面積相同，即=π。其中，視覺(jué)感知強(qiáng)度分布的圓形半徑為。的計(jì)算公式如下：

以等級(jí)最高單元為中心，劃分整個(gè)艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域。

艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域內(nèi)各單元格在視覺(jué)感知場(chǎng)中，均存在對(duì)應(yīng)的位置，因此，可按照這些位置設(shè)置各單元格的視覺(jué)感知強(qiáng)度等級(jí)。具體操作步驟如下：

針對(duì)艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域共設(shè)置4 個(gè)差異化等級(jí)，以不同顏色呈現(xiàn)；

劃分艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域，共得到4 個(gè)區(qū)域，各區(qū)域中的單元格均由不同顏色填滿(mǎn)；

在艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域中，將視覺(jué)感知場(chǎng)的圓心去掉，生成一個(gè)視覺(jué)強(qiáng)度模型，其形狀與原始視覺(jué)感知場(chǎng)基本一致，該模型內(nèi)共包含4 種不同顏色，視覺(jué)強(qiáng)度模型即艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域的不同強(qiáng)度視覺(jué)感知場(chǎng)，完成艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域視覺(jué)感知強(qiáng)度等級(jí)劃分。

1.1.2 基于視覺(jué)感知強(qiáng)度的立體流線(xiàn)造型優(yōu)化模型

以艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域視覺(jué)感知強(qiáng)度等級(jí)劃分結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)以視覺(jué)感知強(qiáng)度為優(yōu)化目標(biāo)的艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化模型。令艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化區(qū)域內(nèi)全部視覺(jué)感知元素集為={,,···,y}；第個(gè)視覺(jué)感知元素為y，=1,2,···,；視覺(jué)感知元素?cái)?shù)量為。艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化區(qū)域內(nèi)各y的重要度等級(jí)集為={,,···,c} ；的等級(jí)值為c。令艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化區(qū)域內(nèi)各的面積集為={,,···,s}；的面積值為s。艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化區(qū)域內(nèi)各劃分區(qū)域的視覺(jué)感知強(qiáng)度集為={,,···,x}；劃分區(qū)域數(shù)量為；第個(gè)感知強(qiáng)度等級(jí)區(qū)域?yàn)?span id="j5i0abt0b" class="emphasis_italic">x。艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域不同x中存在的單元格數(shù)量為={,,···,t}，也代表面積數(shù)；內(nèi)包含的單元格數(shù)量為t。優(yōu)化的過(guò)程中，x內(nèi)包含的單元格數(shù)量為t；各y優(yōu)化后的視覺(jué)感知強(qiáng)度指數(shù)為={,,···,z}；第個(gè)視覺(jué)感知區(qū)域的視覺(jué)感知強(qiáng)度指數(shù)為z。的計(jì)算公式如下：

z越大，艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化效果越佳。

以最大視覺(jué)感知強(qiáng)度指數(shù)為目標(biāo)，建立艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化模型如下：

約束條件為：

式(4)用于描繪x中包含的全部y，在整個(gè)艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域占據(jù)的面積總和。

式(5)代表y位于不同感知強(qiáng)度區(qū)域中的面積總和與y的面積相同。

式(6)代表全部y的面積總和與全部x的面積總和相同。

為在實(shí)施艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化過(guò)程中，全部y完成優(yōu)化后，全部y的視覺(jué)感知強(qiáng)度指數(shù)總和。

1.1.3 艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化模型求解

利用自學(xué)習(xí)遷移粒子群算法，求解艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化模型，獲取最大視覺(jué)感知強(qiáng)度指數(shù)，對(duì)應(yīng)的艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化方案。通過(guò)Tent 混沌映射初始化粒子群，令粒子種群規(guī)模是，變量維數(shù)是，每個(gè)粒子均代表艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化過(guò)程中的視覺(jué)感知強(qiáng)度指數(shù)，種群初始化步驟如下：

任意設(shè)置一個(gè)維混沌序列{,,···,u}；

變更第維粒子變量u′，獲取混沌變量φ′，公式如下：

反復(fù)操作步驟2～步驟4，產(chǎn)生個(gè)混沌序列，實(shí)現(xiàn)粒子群的初始化。

通過(guò)X-條件云發(fā)生器，自適應(yīng)確定代表艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化過(guò)程中的視覺(jué)感知強(qiáng)度指數(shù)的粒子慣性權(quán)重，具體步驟如下：

確定各次迭代時(shí)的正態(tài)云模型參數(shù)(E′,E′,H)，公式如下：

式中，E′為期望；E′為熵；H為超熵；f ，f分別為最佳、最差適應(yīng)度是；λ和λ分別為E′、H的控制系數(shù)；γ為常數(shù)。

獲取代表艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化過(guò)程中的視覺(jué)感知強(qiáng)度指數(shù)粒子的隸屬度μf，公式如下：

其中，粒子的適應(yīng)度是f′。

其中，η為修正系數(shù)。

迭代時(shí)，全局最佳粒子p向非全局最佳粒子p學(xué)習(xí)，即遷移p的知識(shí)到p，確定代表艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化過(guò)程中的視覺(jué)感知強(qiáng)度指數(shù)粒子的最佳尋優(yōu)方向，分析是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，若達(dá)到，則輸出艦船立體流線(xiàn)造型模型最優(yōu)解，即最大視覺(jué)感知強(qiáng)度指數(shù)，對(duì)應(yīng)的艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化方案。

1.2 基于動(dòng)態(tài)圖形的艦船立體流線(xiàn)造型曲面渲染

完成艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化后，對(duì)其實(shí)施曲面渲染，提升其呈現(xiàn)效果，渲染前需對(duì)艦船立體流線(xiàn)曲面造型曲面進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖形設(shè)計(jì)，具體過(guò)程如下：

1）艦船立體流線(xiàn)造型曲面圖形設(shè)計(jì)，圖形組建元素分別是點(diǎn)、線(xiàn)、面，呈現(xiàn)形式為形狀、大小、顏色，通過(guò)指示與類(lèi)象符號(hào)，擴(kuò)展艦船立體流線(xiàn)造型曲面動(dòng)態(tài)圖形的視覺(jué)修辭。

2）空間動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，曲面圖形空間動(dòng)態(tài)代表曲面在空間中的變形與位移等。

3）時(shí)間節(jié)奏控制，艦船立體流線(xiàn)造型曲面圖形時(shí)間節(jié)奏內(nèi)，時(shí)代表曲面運(yùn)動(dòng)過(guò)程，間代表曲面劃分情況，以控制時(shí)間軸中艦船立體流線(xiàn)造型曲面圖形符號(hào)的節(jié)奏，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖形的完整敘事，提升動(dòng)態(tài)圖形設(shè)計(jì)效果。

針對(duì)艦船立體流線(xiàn)造型曲面的動(dòng)態(tài)圖形，利用動(dòng)態(tài)圖形處理器，渲染艦船立體流線(xiàn)造型曲面。動(dòng)態(tài)圖形處理器是利用基于投影網(wǎng)格的曲面渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)曲面渲染。從視點(diǎn)發(fā)射的投射光線(xiàn)，經(jīng)過(guò)投影網(wǎng)格頂點(diǎn)Q，會(huì)形成一條光線(xiàn)，該光線(xiàn)與艦船立體流線(xiàn)造型曲面動(dòng)態(tài)圖形的基底平面的相交點(diǎn)是A，A的計(jì)算公式如下：

式中，為艦船立體流線(xiàn)造型曲面動(dòng)態(tài)圖形的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)；在軸中，的高度是；v，b分別為與的高度。

艦船立體流線(xiàn)造型曲面渲染步驟如下：

利用式(12)求解A；

按照坐標(biāo)，求解艦船立體流線(xiàn)造型曲面表示的相應(yīng)參數(shù)；

按照曲面表示參數(shù)，調(diào)整相應(yīng)的曲面頂點(diǎn)值，并輸入可編程動(dòng)態(tài)圖形管線(xiàn)的下一階段，展開(kāi)渲染處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以某艦船為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該艦船的長(zhǎng)、寬分別為94.5 m、18 m，吃水為6 m，排水量為7 220 t，利用本文方法優(yōu)化該艦船立體流線(xiàn)造型，驗(yàn)證本文方法艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化的可行性。

利用本文方法劃分該艦船原始立體流線(xiàn)造型區(qū)域，劃分結(jié)果如圖1 所示?？芍疚姆椒捎行澐峙灤Ⅲw流線(xiàn)造型區(qū)域，共獲取81 個(gè)單元格，設(shè)置4 個(gè)視覺(jué)強(qiáng)度感知等級(jí)記作1，2，3，4，將該網(wǎng)格平均分成4 個(gè)區(qū)域，記作Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。

圖1 艦船立體流線(xiàn)造型區(qū)域網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.1 Results of meshing of ship stereoscopic streamline modeling area

利用本文方法獲取各區(qū)域在不同視覺(jué)強(qiáng)度感知等級(jí)占據(jù)的單元格數(shù)量，并結(jié)合占據(jù)的單元格數(shù)量?jī)?yōu)化艦船立體流線(xiàn)造型，不同視覺(jué)強(qiáng)度感知等級(jí)占據(jù)的單元格數(shù)量如圖2 所示，艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化結(jié)果如圖3 所示。可知，本文方法可有效獲取不同視覺(jué)強(qiáng)度感知等級(jí)區(qū)域內(nèi)，包含的單元格數(shù)量，實(shí)現(xiàn)艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化，優(yōu)化前艦船立體流線(xiàn)造型中，船頭與船尾不對(duì)稱(chēng)，視覺(jué)審美效果較差，優(yōu)化后的艦船船頭與船尾形狀大致相同，更符合人們的視覺(jué)審美需求。

圖2 不同視覺(jué)強(qiáng)度感知等級(jí)占據(jù)的單元格數(shù)量Fig.2 The number of cells occupied by different visual intensity perception levels

圖3 艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化結(jié)果Fig.3 Optimization results of ship stereoscopic streamline modeling

為提升艦船立體流線(xiàn)造型呈現(xiàn)的視覺(jué)效果，利用本文方法對(duì)其曲面進(jìn)行渲染處理，渲染處理前后，該艦船立體流線(xiàn)造型底部呈現(xiàn)效果如圖4 所示?？芍?，渲染前艦船立體流線(xiàn)造型曲面網(wǎng)格鄰近細(xì)節(jié)層間的過(guò)渡并不光滑，存在跳躍現(xiàn)象，渲染后的曲面網(wǎng)格鄰近細(xì)節(jié)層次間的過(guò)渡非常平滑，并未出現(xiàn)裂縫與跳躍情況，具備較優(yōu)的視覺(jué)呈現(xiàn)效果。

圖4 艦船立體流線(xiàn)造型曲面渲染效果Fig.4 Rendering effect of ship three-dimensional streamline modeling surface

3 結(jié) 語(yǔ)

為提升艦船立體流線(xiàn)造型的審美效果，設(shè)計(jì)融合動(dòng)態(tài)圖形和視覺(jué)感知的艦船立體流線(xiàn)造型優(yōu)化方法，依據(jù)視覺(jué)感知，優(yōu)化艦船立體流線(xiàn)造型；利用動(dòng)態(tài)圖形，渲染立體流線(xiàn)造型曲面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所研究方法可有效優(yōu)化艦船立體流線(xiàn)造型，提升審美效果。