Design by Dragging:一种结合模拟集合的创造性前向和反向设计界面 (Design by Dragging: An Interface for Creative Forward and Inverse Design with Simulation Ensembles)

在交互设计中,如果能让用户可以完全专注于设计本身,而不用管过多其他方面的知识,那这个交互对于用户而言就是非常好的。而且,现如今设计思想的发展趋势是以用户为中心,以目标为导向,能够极大地方便用户的交互探索。2013年明尼苏达大学的一篇文章[1]就提出了一种非常方便直接的交互界面设计,称之为Design by Dragging。在这篇文章中,他们提出了两种设计方式,分别是前向设计(forward design)和反向设计(inverse design),特别是反向设计,能够通过用户的操作直接改变模拟结果,很符合以目标为导向的设计思路。他们提出的交互方法不仅可以支持单点触控,也可以应用在多点触控的交互设备上。

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图1 参数化模型和参数设计空间

 

在介绍Design by Dragging之前,我们先给出两个概念。一个是参数化模型(parameterized model),用来作为模拟的输入。本文所用的是一个进行活检手术的医疗机械设备,如图1所示。该设备包含一系列的几何参数,对应模拟输入的参数。另一个是针对两个模拟输出的距离度量和变形方程,这里面包含了一个配置(configuration)的子概念,它是由刚才所说的参数的标量值进行归一化处理后组织成的多维向量。两个配置之间的距离是由欧几里得距离度量的,只不过给每个参数加了一个权重。所有可能的配置形成的空间就是设计空间。

对于前向设计,它使得用户可以简单地通过点击和拖拽的方式指定模拟输入的参数。因此,这里面就需要系统将参数化模型的特征映射到模拟输入的参数,也就是需要发现用户操作的意图。为了做到这一点,系统使用了光线投射的方法来识别用户点击的特征,然后只要用户的光标移动超过了一定的阈值,系统就会通过查找与用户移动最为匹配的运动向量(这些向量是预先计算好的),进而可以确定输入参数,并且对可视化进行更新。

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图2 反向设计中不同配置的交互式过渡过程

 

在反向设计中,为了在不同配置中平稳地过渡,这里面使用了一个叫image warp的方程,就是将原始图像中每个2D像素的位置映射到另一幅图像中的新位置。如图2所示,系统首先将3D形式的光标位置投影到2D图像上,对于用户光标的移动,根据预先计算好的image warp(即是可能的模拟输出),所有可能的目标配置会被估计出来,形成了一系列新的像素位置。当用户开始拖拽光标时,最匹配的目标配置会被识别出来,据此对模拟输出结果进行更新。当用户不断地拖拽时,该过程会不断地重复,从而形成了一种平稳地过渡效果。

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图3 用户点击和拖拽过程中预览气泡的出现和消隐过程

 

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图4 多点触控设备中反向设计的交互

 

另外,反向设计还支持单点和多点触控设备。当使用单点触控时,系统提出了一种预览气泡(Preview Bubbles)的技术,可以在拖拽操作前以气泡的形式展示可能出现的结果。该技术识别出可能的目标配置后,把它们进行排列,最接近的配置排在最前面。如图3所示,我们可以很清楚地看到在拖拽过程中预览气泡不断地出现和消隐。对于多点触控的设备,如图4,系统从标量场中提取出其等值轮廓(iso-contour),然后使用一种as-rigid-as-possible的形状操作算法创建该等值轮廓最大连通分支的三角形网格。不同于单点设备,在多点拖动操作中,网格的每个顶点都会被用来计算可能的目标配置并且实时更新结果。

总的来讲,这篇文章提出的Design by Dragging的直接操作界面赋予了用户一种尽可能直接的交互设计方式,并且同时支持在单点和多点触控设备上的操作。这种以目标为导向的交互方式能够极大地方便用户对数据进行探索,因此这也是这方面工作以后的发展趋势。我们也可以很乐观地展望,今后会有越来越多类似的研究成果出现。

[1] Dane Coffey, Chi-Lun Lin, Arthur G. Erdman, and Daniel F. Keefe. Design by Dragging: An Interface for Creative Forward and Inverse Design with Simulation Ensembles. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 19(12): 2783-2791, 2013.

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