3D环境可视化的视角定义研究

内容导读

01 视角的概念和内涵

02 3D环境可视化的视角参数

03 3D环境可视化中影响视角定义的因素

04 视角定义原则

「01 视角的概念和内涵」

1. 游戏中的视角

电影中的视角主要是使用最具展示性（美感、氛围&逻辑）的方式讲述导演的故事，让观众在观看时沉浸在故事中，了解导航想传达的氛围和情绪。

电影的视角取决于导演使用的摄像机镜头参数、拍摄的角度和镜头的运动方式。

• 摄影机镜头：有广角、标准、长焦之分，不同镜头的焦距、视野有差别，焦距（Focal Length）越小，视野（Angle of View）越广，景深（Depth of Field）越大，透视感越强。

• 拍摄角度：是摄影机与被摄对象之间的角度，有平、仰、俯以及正、侧、反等多种，可以单独使用或综合使用。角度是镜头画面构图的重要因素，有着丰富的艺术表现力。

• 镜头的运动：包括推/拉、摇、移、跟、升降等，镜头的运动与被摄对象的运动结合起来，组成了电影场面调度，使画面更为生动、丰富，增强视觉动感，有助于形成富于表现力的艺术节奏与气氛。

3. 最佳/典型视角

• 静态物体：更偏好水平方向倾斜、垂直方向偏移不大的侧视图。这类视图一般也是可视表面积最大、信息量最丰富的角度。
• 静态场景：更偏好垂直方式、水平方向偏移不大的俯视图。这类视图更适合了解全局状态并带入空间方位。

• 动态场景：与单个对象相比，动态场景的最佳视图应该能最大化表达对象之间的空间关系变化。比如：在赛跑游戏中，为更好观察不同对象的位置关系，更偏好与运动轴垂直的视线角度。

总的来说，视角是人们观察世界的方式，好的视角符合人类大脑对场景或事物的典型认知，能帮助快速识别对象特征和空间关系。

「02 3D环境可视化中的视角参数」

图5 三维引擎中虚拟摄像机的参数

• 位置：摄像机在整个三维世界的位置坐标。智能驾驶环境中一般以自车为三维世界坐标原点，摄像机位于自车的后上方；也有一些场景，可以根据需要位于对象左右。
• 欧拉角：观察的方向，驾驶场景常用的是俯仰角，即Pitch。俯仰角越大，越接近于正俯视，透视感越弱，前后的相对距离也就越准确；俯仰角越小，透视和纵深感越强，但前进方向的距离关系由于透视则有一定的缩短。
• FOV：摄像机取景范围，FOV越大，透视越强，但FOV过大会导致画面边缘越容易变形弯曲，影响视觉舒适性。所以需要根据场景类型选择合适的FOV。
• 焦点：观察跟踪的目标，三维引擎的摄像机有些没有焦点的概念，常常借助虚拟对象实现。跟踪的目标通常是自车，在特定场景也可以稍微有所偏移。

不同参数对3D环境可视化展示的影响如图6所示。

图7 苹果地图不同比例尺下展示的信息粒度

「03 影响3D环境可视化视角定义的因素」

1. 速度

2. 车辆行为

以图10为例：变道前，车辆是正常巡航视角，摄像机跟踪车辆前行；准备变道时，摄像机平移至目标车道，跟踪焦点为落位框，侧重观察目标位置前后的车辆情况，同时也减少了透视造成的距离感知偏差。有些产品还会同时抬高摄像机，显示更多侧后方信息来辅助驾驶员判断；变道完成后，恢复正常巡航视角。

3. 机动点

4. 驾驶权

5. 场景任务

不同场景任务对3D环境可视化的展示/操作诉求不同。

6. 硬件设备：显示界面位置及尺寸

「04 视角定义原则」

1. 视角应满足特定驾驶场景的观察/操作需求

• 常规巡航跟车驾驶状态，侧重观察前方视野和跟车距离，要保证驾驶安全，任何速度下应保证至少3秒的反应时间，所以一般来说速度越高，镜头拉得越高越远；
• 路口等复杂场景，侧重观察路边的行人等道路参与者，路口通行环境较复杂，需要关注多个方向的信息。可适当增大俯仰角，弱化天空等环境信息，强调路面信息；

• 自动泊车场景，人跟随系统引导操作，人-图交互操作较多，侧重观察不同场景的区分和引导，也需要考虑操作区域在界面中的大小。

2. 视角数量及变化应克制、减少眩晕

• 若触发视角变化的因素不稳定，尽量不进行视角切换，避免画面频繁跳动；

• 若变化后视角持续的时间不长，建议较小的幅度(变化方向少、角度小)或较平缓的速度；

• 视角变化时，尽量提供明确的视觉焦点；

• 开始或结束等相对明确的状态，可使用较大有仪式感的视角变化，如开启或完成。

3. 符合车载视觉显示的基本人因要求

• 主车是观察的核心，为保证识别效率，主车短边尺寸不应小于最小的可识别尺寸；

  根据百度与同济大学汽车交互设计实验室的研究结论《车载HMI界面效果客观指标实验》：在中控屏幕的界面设计中，图标大小的建议较小值为9mm;当图标大小为12mm及以上时，设计师拥有较大发挥空间。图标设计需要根据具体屏幕大小对图标大小进行控制。以12.3英寸（1英寸=25.4毫米）的中控屏幕为例，主车短边尺寸≥[建议图标值]，则主车短边最小建议值9mm，约60px最佳值12mm，约80px。

• 若渲染中存在需要操作的元素，要保证最小操作尺寸；

• 符合空间兼容性，提高操作效率；

  视角的选用应保证主车显示的空间关系应该与用户实际方位一致；尽量保证不需要复杂的心理旋转来找到正确的方位，尤其是在涉及左右方位的判断，如图18。

图18 空间兼容性的示例

4. 结合传感器感知能力范围合理考量

• 纯3D感知底图，需要根据感知的范围进行视角远近的调整。

  如下图19某版本的AVP在记忆路线的过程中，只能开启后向感知，只有主车后方的元素才会被感知且展示，如果主车放置在中间，由于前方无感知元素展示，页面空白较多，我们可以调整观看视角，避免过多留白。

• HD地图，可根据硬件感知范围和精度，合理考量主车位置：后向感知范围弱的车辆，可考虑主车位置靠下1/3，后向感知范围丰富且准确的，主车位置可适当偏上。

5. 尽量避免用户手动调整视角，控制自由度

人驾及人机共驾场景下，均需要避免非必要的屏幕操作，以免分散驾驶员的注意力，导致用户分心。

• 尽量按场景动态提供最佳展示视角，减少手动调整诉求；

• 若需要手动，建议控制调整的自由度（最好是常用视角切换），且提供自动恢复。