余 旭

(江西工程學院，江西 新余 338000)

0 引 言

隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字技術(shù)在艦船立體流線造型設計中的影響力逐漸增大，靜態(tài)圖形設計不斷地被動態(tài)圖形設計所取代。動態(tài)圖形設計是一種以計算機等終端為媒介的視覺設計方法。視覺感知是利用計算機對圖片中的信息進行提取的一種技術(shù)，從同一個圖片中提取出的信息內(nèi)容，由視覺感知算法或者模型的設計決定。從使用場景來看，視覺感知模型可以分成通用模型和專用模型2種，通用模型能夠處理絕大部分情況下的識別任務，專用模型通常是制定的專有算法模型，用于處理通用模型無法勝任的任務。本文融合動態(tài)圖形和視覺感知技術(shù)，研究艦船立體流線造型的優(yōu)化設計方法。

1 動態(tài)圖形技術(shù)

1.1 動態(tài)圖形的定義及特征

作為一種視覺語言，動態(tài)圖形的目標是將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進行動態(tài)化以及圖形化顯示，因此動態(tài)圖形是一種新的視覺設計形式，這里的圖形是一種普遍的、抽象的符號，而不是某類具體的事物。動態(tài)圖形結(jié)合了平面設計以及動態(tài)設計，是一種基于時間并且對靜態(tài)圖形進行延伸的視覺設計。綜上分析，動態(tài)圖形可以定義成一種基于時間尺度的并以傳遞數(shù)據(jù)信息為目的動態(tài)視覺形式。

作為一種新興發(fā)展的視覺形式，動態(tài)圖形具有一些新的特點，包括動態(tài)化、抽象化、表現(xiàn)力豐富、視覺吸引以及視覺引導等。動態(tài)圖形的動態(tài)化是由其時間維度決定的，因為動態(tài)圖形本身是通過連續(xù)的動態(tài)來傳遞信息的；動態(tài)圖形在設計過程中使用抽象化的圖形來描述普遍的事物規(guī)律，能夠突出事物特點，達到表意清晰明確的目的。由于動態(tài)圖形對時間線進行擴展，因此可以對圖形縮放等效果進行呈現(xiàn)，并且可以加入交互以及聲音等元素，因此動態(tài)圖形的表現(xiàn)力很豐富。運動的事物容易引起視覺的注意，因此人眼會首先捕捉動態(tài)的事物，基于這個原理，動態(tài)圖形不但可以迅速地引起人眼的注意，而且可以控制人眼的關(guān)注點，以此提升信息傳遞的效率，這就是動態(tài)圖形的視覺吸引力。動態(tài)圖形的視覺吸引力實現(xiàn)了將信息傳遞給大眾的第一步，為了能夠促進大眾快速掌握這些信息，則需要進行視覺引導，動態(tài)圖形的視覺引導和視覺吸引一起發(fā)展，共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的快速高效地傳遞。因此和靜態(tài)圖形相比，動態(tài)圖形可以根據(jù)事先設計好的流程完成圖像的動態(tài)顯示，這樣可以對觀眾的偏好產(chǎn)生一定的影響，從而引導觀眾進行信息的接收。

1.2 動態(tài)圖形的信息結(jié)構(gòu)

動態(tài)圖形的目標是為了傳遞信息，因此在動態(tài)圖像的設計過程中，必須考慮數(shù)據(jù)信息的組織以及表現(xiàn)形式，只有數(shù)據(jù)信息具備動態(tài)圖形的呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)，這樣才可以更好地傳遞數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)信息的框架結(jié)構(gòu)主要有結(jié)構(gòu)關(guān)系以及表達方式2種。對于傳統(tǒng)的動畫而言，通常使用線性的敘事結(jié)構(gòu)，但是對于動態(tài)圖形而言，一般使用倒敘、插敘等非線性敘事方法，并且采用這些敘事方法之后，動態(tài)圖形則不存在主角和故事線，通常是根據(jù)數(shù)據(jù)信息之間的承接關(guān)系，以將事情描述清楚為目標。動態(tài)圖形在進行敘事的過程中，通常是以信息為中心，將主要觀點放在開頭，然后進行多線敘事，以概念信息為主線并配以補充說明為輔線，將各級數(shù)據(jù)信息展現(xiàn)出來。因此動態(tài)圖形的數(shù)據(jù)信息框架表現(xiàn)為樹狀，其信息主干清晰明了，可以在短時間內(nèi)收集大量的數(shù)據(jù)信息。

和傳統(tǒng)的靜態(tài)圖形相比，時間尺度是動態(tài)圖形最本質(zhì)的特征。任何動態(tài)形式都是基于時間尺度的，并且時間設計主要是以時間長度以及節(jié)奏快慢為主。動態(tài)圖形中各部分完成需要的時間稱作時長，一般以秒或者幀來衡量時長，動態(tài)圖形是通過多個靜止畫面共同構(gòu)成的。為了能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效傳輸，需要注意動態(tài)圖形的時長短這一重要特點。從表1可以看出，大部分的動態(tài)圖形時長在20～30 s，時間一旦過長，則會使得觀眾產(chǎn)生不耐煩的情緒。動態(tài)圖形各個部分時間的分配和敘事結(jié)構(gòu)相結(jié)合，因此需要從時間方面對動態(tài)圖形進行整體把控，重要的信息時間長點，其余信息時間短點，這樣可以給觀眾足夠多的時間接收重要信息，不重要的則一帶而過。

表1 動態(tài)圖形標志時間Tab. 1 Dynamic graphic sign time

2 視覺感知技術(shù)

2.1 視覺感知技術(shù)原理

視覺感知系統(tǒng)將采集到的圖像信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，同時將轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號傳送給相應的圖像處理系統(tǒng)中。圖像處理系統(tǒng)以圖像數(shù)字信號中的像素、灰度、對比度以及顏色等信息為基礎，利用相應的圖像處理算法對圖像的特征進行提取，接著以預先設置好的邊界條件為基礎，進行判斷，最后將判斷的結(jié)果傳送給目標操作系統(tǒng)設備。計算機的運算性能、圖像信息的獲取等技術(shù)極大地促進了視覺感知技術(shù)的發(fā)展，使得視覺感知技術(shù)具備十分廣闊的發(fā)展前景。

對于不同大小的特征圖，視覺感知算法可以制定相應個數(shù)的先驗框，并且視覺感知算法以窗框比為基礎，對先驗框進行配置，同時先驗框的大小可以隨著特征圖的減小而線性增長，特征圖和先驗框之間的關(guān)系如下式：

根據(jù)公式（1）中的比例關(guān)系，可以得到先驗框的寬度和高度，如下式：

式中：a為先驗框的長度和寬度的比值，在視覺感知系統(tǒng)中，a通常取{1,2,3,1/2,1/3}。因此視覺感知算法會產(chǎn)生6個先驗框給每個特征圖，則每個先驗框的坐標位置可以用公式（4）和公式（5）計算得到，最終獲得先驗框的坐標為（w,h）。

為了降低視覺感知過程中產(chǎn)生的誤差，使用最小化的損失函數(shù)來增加視覺感知過程中的準確性，如下式：

式中：G()函數(shù)為所使用的視覺感知系統(tǒng)；為視覺感知系統(tǒng)參數(shù)。視覺感知損失值比例和迭代次數(shù)之間關(guān)系如圖1所示。

2.2 視覺感知系統(tǒng)的評價指標

視覺感知技術(shù)的評價指標主要是性能評價指標，使用平均精度值作為視覺感知技術(shù)的性能評價指標的衡量標準，視覺感知的平均精度值越高，則表明視覺感知的表現(xiàn)越好。準確率、召回率以及精確率是視覺感知過程中的3個基本評價標準，平均精度值的取值和這3個基本的評價指標有著緊密的聯(lián)系。

準確率是指視覺感知系統(tǒng)認為感知正確的樣本數(shù)量占樣本總數(shù)的百分比，如下式：

精確率是指視覺感知系統(tǒng)實際感知正確的樣本數(shù)量占總樣本個數(shù)的百分比，如下式：

圖1 損失值比例-迭代次數(shù)關(guān)系曲線圖Fig. 1 Loss value ratio iteration times curve

召回率是指實際為正確的樣本并且被視覺感知系統(tǒng)正確判斷的樣本個數(shù)占總樣本的百分比，如下式：

圖2 精度值-召回率關(guān)系曲線圖Fig. 2 Precision-recall curve

3 艦船立體流線造型優(yōu)化設計

3.1 船體曲面變形技術(shù)

船體曲面變形技術(shù)是艦船立體流線造型設計的基礎，本文在船體曲面修改過程中，使用了平移、自由變形以及徑向函數(shù)等技術(shù)，同時通過調(diào)整曲面控制網(wǎng)格，完成船體曲面調(diào)整的目的，調(diào)整之后的曲面依舊屬于NURBS曲面。為了確保船體全局形變的連續(xù)性，本文設計出一種用于調(diào)整曲面網(wǎng)格的修改函數(shù)，如下式：

式中：為船體形變起始位置；為船體形變結(jié)束位置；為形變最大值。艦船立體流線造型優(yōu)化設計過程中，先使用NURBS曲線解算出控制頂點，同時得出相關(guān)節(jié)點的矢量以及基函數(shù)，接著結(jié)合、兩個參數(shù)得出NURBS曲面，最終通過多個曲面得到船體的立體流線造型。利用船體曲面變形技術(shù)，可以自行修改相關(guān)參數(shù)變量以及權(quán)重因子，完成船體型線的優(yōu)化。本文使用計算曲線和原曲線之前的絕對誤差ε來衡量重構(gòu)曲線的精度，如下式：

式中：p為原始曲線點，(u)為曲線插值點。誤差結(jié)果如圖3所示，可以看出，優(yōu)化之后的曲線最大誤差為0.073 1 mm，平均誤差為0.046 7 mm。

圖3 船體形變位置和誤差之間的關(guān)系Fig. 3 Relationship between ship shape change position and error

3.2 船型優(yōu)化計算

艦船立體流線造型優(yōu)化設計系統(tǒng)中集成了船體幾何重構(gòu)、近似模型、興波阻力預警以及智能優(yōu)化模塊。為了測試驗證該艦船立體流線造型優(yōu)化設計系統(tǒng)的實用性，本文利用該系統(tǒng)對船體進行優(yōu)化設計，并對設計的立體流線造型進行有限元驗證?；谇婵刂凭W(wǎng)格，采用勢流算法對船體的阻力進行預報。同時采用智能算法以及近似模型，極大地提升了艦船立體流線造型的優(yōu)化效率。對艦船立體流線造型進行優(yōu)化設計，不斷需要對設計變量進行約束，還需要對船體濕表面積以及排水量進行控制，數(shù)學模型如下式：

為了對艦船立體流線造型的優(yōu)化結(jié)果進行測試驗證，采用粘性的有限元分析法對優(yōu)化前以及優(yōu)化之后艦船的阻力進行計算，阻力系數(shù)的計算方法如下式：

4 結(jié) 語

和靜態(tài)圖形相比，動態(tài)圖形具備很多獨特的作用，動態(tài)圖形設計在探索過程中不斷發(fā)展，動態(tài)圖形在圖形設計領域發(fā)揮的作用越來越大。隨著人工智能以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，視覺感知技術(shù)得到了跨越式提升，將智能感知技術(shù)應用到視覺圖形設計中，同時提取有用的信息并進行處理分析，將對視覺圖形設計方法起到十分巨大的推動作用。本文基于動態(tài)圖形技術(shù)以及視覺感知技術(shù)，研究艦船立體流線造型優(yōu)化設計方法，提升艦船造型設計效率。