CN115077522B - 一种三维场景环形方位导航提示方法 - Google Patents
一种三维场景环形方位导航提示方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种三维场景环形方位导航提示方法,以圆环表达目标位置的导航信息,以动态调节的弧形高亮区域作为提示信息主体。同时,导航UI随用户移动的状态实时改变自身样式,只需要一个UI即可表达全部导航信息,实现占用更少的屏幕空间,保护了画面的完整性。以用户替身在场景中的位置和目标位置的距离大小确定可变弧形在圆环上的张角大小,以替身的法相向量和从当前位置到目标位置的向量夹角确定可变弧形在圆环上的旋转角度,以弧形存在对称轴的性质准确表示导航方向,降低已有方案在导航方向理解上的多义性。
Description
技术领域
本发明涉及三维场景定位导航技术领域,特别涉及一种三维场景环形方位导航提示方法。
背景技术
目前三维场景导航技术常见的应用场景包括三维游戏、数字展馆、虚拟作战演练等。其解决的关键问题是向使用者提示正确的前进方向,部分方案还可以提示与目标方位的距离大小。实现导航功能需要首先确定导航的目标,通过寻路算法计算最优的路线,根据路径节点的信息进行设计不同导航方案的细节。其中寻路模块的可选算法有很多,包括基础的基于深度优先搜索和广度优先搜索的寻路算法,启发式寻路算法,以及结合蚁群算法或模拟退火算法的优化版本等。这些算法均能获得在自定标准中最优的路径规划结果,如总路程最短,避开场景所有障碍等。
Unity引擎的ShaderLab:Unity 中的所有 Shaders 文件都使用名为“ShaderLab”的声明性语言编写。Unity 中创建的 Shader 文件是 surface shader,是对 vertex andfragment shaders 的包装,最后的编译到底层的时候也是以 vertex and fragmentshaders 的形式输入的。
现有技术中实现三维场景导航的方法主要包括以下三类:
1、在三维场景地面绘制推荐浏览路线的路径图,如图1所示,用户跟随地面路线进行漫游,到达预定的目标位置,路线轨迹由每次导航的起始位置决定,路线生成后漫游过程中不可更改。
三维场景地面绘制推荐浏览路线的路径图的缺点在于:
a、在场景地面绘制路线的方式添加了大量除场景内容外的信息,对场景内容造成了遮挡,且提示方式较生硬,影响用户漫游的沉浸感。
b、路线图不能全方位覆盖场景,用户位于场景角落或面向墙壁时,无法随时观察身后地面的路线信息,需要先调整自身朝向,使地面路线出现在视野中才能继续导航,降低漫游效率,影响用户体验。
2、在屏幕局部位置提供场景地图缩略版,并以可旋转的扇形表示虚拟替身的视野范围,从而使用户能够据此判断替身在场景中的方位和朝向。如图2所示,用户通过旋转视角对照小地图的信息和扇形角度变化,找到正确的移动路径。
在屏幕局部位置提供场景地图缩略版的缺点在于:
a、小地图占用屏幕较多空间,破坏画面完整性,对此主要的解决方式是设置小地图隐藏功能,但寻路和观赏时需要切换小地图状态比较麻烦。
b、与技术一跟随地面路线轨迹的方式相比,技术二将导航信息通过小地图和视野图的方式间接表示,需要用户自己对照场景俯视图找到正确的前进路线,导航效率较低。
3、在画面中放置3D书签,3D书签可包含多种样式,如直线箭头形状、带有角度的箭头形状,类似三角形状的其它标识等。提示在当前位置可选择的移动方向。如图3所示。
在画面中放置3D书签的缺点在于:
a、在场景中的位置固定,难以兼容用户从不同角度观看书签时书签指示方向的准确性。场景结构复杂时更容易引起理解上的多义性。
b、一个3D书签只能指向一个方向,用于在一个位置标明下一步的移动方向。当路线复杂时,就需要在场景中密集地摆放导航书签,增加程序开发成本,遮挡场景内容,影像美观性,用户使用时感受到的灵活性也较低。
发明内容
本发明为解决上述问题,提出了一种三维场景环形方位导航提示方法。
为解决上述的技术问题,本发明采用以下技术方案:
Step1:设定导航提示环的外侧圆半径Rout和内侧圆半径Rin,并将Rin和Rout范围内的像素设为白色,范围外像素返回透明颜色,从而在屏幕中生成一个白色圆环;
Step2:通过Algorithm 3 自适应UI获取导航目标并进行路径计算;
Step3:基于Step2中的导航目标及路径信息获取前用户替身的位置Pcur和阶段导航位置点Ptarget,根据Pcur到Ptarget的距离大小,经过系数换算,得到一个在0到90范围内的数值,以_Waver参数定义,表示圆环中高亮区域的弧度大小,通过着色器对圆环中高亮弧形区域进行着色并得到_Color颜色数据;
Step4:基于Step3中的用户替身的位置Pcur和阶段导航位置点Ptarget,计算用户替身朝向的法相向量Nper,和以Pcur为起点Ptarget为终点的向量Ndir,利用两个向量夹角的sin值和cos值得到计算uv坐标的旋转角度_Rotate,通过矩阵乘法将 Step3中得到的弧形有色区域旋转到正确位置,旋转后弧形对称轴指向的方向即为正确的前进方向;
Step5:将绘制的导航图标从画面中心移动到角落;
Step6:当用户替身在场景中的位置发生改变时,_Color设为第一种特定颜色,当用户替身在场景中的朝向发生改变时,_Color设为第二种特定颜色,当用户已行进到路径的最后节点时,导航即将结束,此时_Color设为第三种特定颜色;
Step7:在用户到达最终的目标位置之前,系统根据Step2中的逻辑规则实时更新导航UI的所有参数,绘制新的圆环图形,向用户提示导航信息。
进一步,所述Step2中的路径计算方法步骤如下:
a、得到路径节点集合Pset,并循环判断经过的节点数量并判断是否即将走到最后一个节点:
b、如果到达最后节点,计算向量v;
c、如果未到达最后节点:计算向量v, 当前节点距离低于阈值时,经过节点数+1;
d、根据向量v信息调整UI状态。
进一步,所述向量v为下一个路径拐点的平面坐标减去用户替身所在xz轴平面坐标。
进一步,所述Step3中着色器进行渲染时,通过对_Waver的tan值进行换算处理,设定uv坐标处于_Waver范围内的像素返回当前的_Color颜色,uv坐标位于_Waver范围外的像素依然保持白色,并通过设定坐标规则使得高亮区域的颜色由中心向两侧延伸,由两侧向中心收缩,得到张角大小灵活变化的弧形。
进一步,所述Step4中的_Rotate的取值范围是0到360度。
进一步,所述Step6中的最后节点为导航目标的场景所在位置。
有益效果
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果之一:
1.将用于传递导航信息的标识以UI形式固定于屏幕画面的角落,用户漫游过程中时刻都能看到,兼容所有场景情况。解决目前三维场景中方向提示信息形式单一、刻板、存在视线死角的问题
2.采用唯一的空心的圆环作为导航信息的全部载体,有效解决传统导航提示载体冗余,占用屏幕较多空间的问题。
3.解决导航信息提示方式多义性问题,本发明采用对称轴原理指向目标方向,用户能够更加准确地判断移动方向。
附图说明
图1为本发明背景技术中三维场景地面绘制的导航路线示意图;
图2为本发明背景技术中小地图导航场景示意图;
图3为本发明背景技术中场景中放置的导航3D书签示意图;
图4为本发明所述的导航UI绘制流程图;
图5为本发明所述的导航UI样式示意图;
图6为本发明所述的用户替身在场景中位置变化示意图;
图7为本发明所述的弧形区域张角变化与提示方向判断示意图;
图8为本发明所述的自适应UI对用户位移操作反馈对比图;
图9为本发明所述的自适应UI对用户旋转操作反馈对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”另一个元件,它可以是直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中的元件。
下面给出几个具体的实施例,用于详细介绍本申请的技术方案。下面这几个具体的实施例可以相互结合,对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
如图4和图5所示,本发明所述一种三维场景环形方位导航提示方法将导航信息与 UI 样式相绑定的交互界面。UI的样式主要由一个空心的圆环和一个张角大小与旋转角度都可变的弧形组成,以圆环为主要载体,通过弧形的不同状态和改变趋势向用户提示正确的移动方式。通过路径规划算法计算以当前位置为起点,以选定的目标对象为终点的完整路径。此处对寻路算法没有限制,应用中可依据多种衡量标准分别选择对应的最优方案。本发明的具体实现步骤采用实时绘制片元的方式,由于开发平台为Unity引擎,参照内置的着色器编写标准ShaderLab,实现导航UI的实时生成。
本发明所述的一种三维场景环形方位导航提示方法具体步骤如下:
Step1:设定导航提示环的外侧圆半径Rout和内侧圆半径Rin,并将Rin和Rout范围内的像素设为白色,范围外像素返回透明颜色,从而在屏幕中生成一个白色圆环;
Step2:通过Algorithm 3 自适应UI获取导航目标并进行路径计算。优选的,路径计算方法步骤如下:
a、得到路径节点集合Pset,并循环判断经过的节点数量并判断是否即将走到最后一个节点:
b、如果到达最后节点,计算向量v;
c、如果未到达最后节点:计算向量v, 当前节点距离低于阈值时,经过节点数+1;
d、根据向量v信息调整UI状态。
Step3:基于Step2中的导航目标及路径信息获取用户替身的位置Pcur和阶段导航位置点Ptarget,根据Pcur到Ptarget的距离大小,经过系数换算,得到一个在0到90范围内的数值,以_Waver参数定义,表示圆环中高亮区域的弧度大小,通过着色器对圆环中高亮弧形区域进行着色并得到_Color颜色数据。uv坐标处于_Waver范围内的像素返回当前的_Color颜色,同时uv坐标位于_Waver范围外的像素依然保持白色。同时通过设定坐标规则使得高亮区域的颜色由中心向两侧延伸,由两侧向中心收缩,得到张角大小灵活变化的弧形。
Step4:基于Step3中的用户替身的位置Pcur和阶段导航位置点Ptarget,计算用户替身朝向的法相向量Nper,和以Pcur为起点Ptarget为终点的向量Ndir,利用两个向量夹角的sin值和cos值得到计算uv坐标的旋转角度_Rotate,通过矩阵乘法将 Step3中得到的弧形有色区域旋转到正确位置,旋转后弧形对称轴指向的方向即为正确的前进方向。如图6和图7所示,图6中以相机表示用户替身由位置1移动到位置2,导航UI样式由图7左变为图7右,同时辅助线突出弧形区域指向方向的变化。
Step5:将绘制的导航图标从画面中心移动到角落;
Step6:当用户替身在场景中的位置发生改变时,Color设为第一种特定颜色,此处暂设为红色;当用户替身在场景中的朝向发生改变时,Color设为第二种特定颜色,此处暂设为黄色;当用户已行进到路径的最后节点时,Ndir以导航目标的场景位置而非路径中的拐点坐标为终点,表示已到达展品附近,导航即将结束,此时Color设为第三种特定颜色,此处暂设为绿色。不同的颜色表现可帮助用户明确各种交互操作对完成导航任务的影响。
Step7:在用户到达最终的目标位置之前,系统根据Step2中的逻辑规则实时更新导航UI的所有参数,绘制新的圆环图形,向用户提示导航信息。
本发明所述的导航UI对用户的提示方式包括静态和动态两种形式。当用户未进行交互操作时,可通过导航UI中弧形的旋转角度判断目标相对于自身的方位和距离;当用户进行移动操作时,导航UI的弧形张角变化可及时向用户反馈当前移动方向是否正确。
优选的,Algorithm为获取指定范围的随机数的软件。
自适应导航UI在用户只发生位置移动,未发生旋转时的样式调整对比如图8所示,图中弧形为红色,表示用户正在进行移动操作,弧形对称轴几乎为垂直状态,表示目标位于正前方,弧形张角减小表示用户当前移动方向为靠近目标方向。
自适应导航UI在用户只发生旋转,未发生位置移动时的样式调整对比如图9所示,图中弧形为黄色,表示用户正在进行旋转操作,弧形张角大小没有发生改变,表示用户距离目标的距离没有改变,以垂直方向为0度参照,初始弧形对称轴约指向顺时针45度方向,表示目标为与用户当前面向方向的右前方45度方向,改变后弧形对称轴约指向逆时针20度方向,表示用户转向了右侧,目标位于用户当前面向方向的左前方20度左右方向。
在其他例子中,也可以圆替代圆环,以角度和半径可变的扇形替代弧形,以扇形的角度提示正确的移动方向,以扇形半径的大小表示与目标的距离,由半径变化判断移动趋势是否正确,半径向圆心收缩为靠近目标,半径向圆周方向延伸表示在向相反方向移动。为降低对画面的遮挡,可为圆型UI设定透明度属性。
本发明所述的一种三维场景环形方位导航提示方法以圆环表达目标位置的导航信息,以动态调节的弧形高亮区域作为提示信息主体。同时,导航UI随用户移动的状态实时改变自身样式,只需要一个UI即可表达全部导航信息,实现占用更少的屏幕空间,保护了画面的完整性。以用户替身在场景中的位置和目标位置的距离大小确定可变弧形在圆环上的张角大小,以替身的法相向量和从当前位置到目标位置的向量夹角确定可变弧形在圆环上的旋转角度,以弧形存在对称轴的性质准确表示导航方向,降低已有方案在导航方向理解上的多义性。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述,但是,应该理解,本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式,这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说,在本申请公开、附图和权利要求的范围内,可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外,对于本领域技术人员来说,其他的用途也将是明显的。
Claims (2)
1.一种三维场景环形方位导航提示方法,其特征在于,包括如下步骤:
Step1:设定导航提示环的外侧圆半径Rout和内侧圆半径Rin,并将Rin和Rout范围内的像素设为白色,范围外像素返回透明颜色,从而在屏幕中生成一个白色圆环;
Step2:通过Algorithm 3 自适应UI获取导航目标并进行路径计算,Algorithm为获取指定范围的随机数的软件;
Step3:基于Step2中的导航目标及路径信息获取用户替身的位置Pcur和阶段导航位置点Ptarget,根据Pcur到Ptarget的距离大小,经过系数换算,得到一个在0到90范围内的数值,以_Waver参数定义,表示圆环中高亮区域的弧度大小,通过着色器对圆环中高亮弧形区域进行着色并得到_Color颜色数据;
Step4:基于Step3中的用户替身的位置Pcur和阶段导航位置点Ptarget,计算用户替身朝向的法相向量Nper,和以Pcur为起点Ptarget为终点的向量Ndir,利用两个向量夹角的sin值和cos值得到计算uv坐标的旋转角度_Rotate,通过矩阵乘法将 Step3中得到的弧形有色区域旋转到正确位置,旋转后弧形对称轴指向的方向即为正确的前进方向;
Step5:将绘制的导航图标从画面中心移动到角落;
Step6:当用户替身在场景中的位置发生改变时,_Color设为第一种特定颜色,当用户替身在场景中的朝向发生改变时,_Color设为第二种特定颜色,当用户已行进到路径的最后节点时,导航即将结束,此时_Color设为第三种特定颜色;
Step7:在用户到达最终的目标位置之前,系统根据Step2中的逻辑规则实时更新导航UI的所有参数,绘制新的圆环图形,向用户提示导航信息;
所述Step3中着色器进行渲染时,通过对_Waver的tan值进行换算处理,设定uv坐标处于_Waver范围内的像素返回当前的_Color颜色,uv坐标位于_Waver范围外的像素依然保持白色,并通过设定坐标规则使得高亮区域的颜色由中心向两侧延伸,由两侧向中心收缩,得到张角大小灵活变化的弧形;
所述Step2中的路径计算方法步骤如下:
a、得到路径节点集合Pset,并循环判断经过的节点数量并判断是否即将走到最后一个节点:
b、如果到达最后节点,计算向量v;
c、如果未到达最后节点:计算向量v, 当前节点距离低于阈值时,经过节点数+1;
d、根据向量v信息调整UI状态;
所述向量v为下一个路径拐点的平面坐标减去用户替身所在xz轴平面坐标;
所述Step4中的_Rotate的取值范围是0到360度。
2.根据权利要求1所述的三维场景环形方位导航提示方法,其特征在于:
所述Step6中的最后节点为导航目标的场景所在位置。
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