...4DPET MR数据如何快速生成
冯胜
摘 要：4D影视的观众体验与座椅的运动关联密切，最重要的原因是4D座椅能够随着画面的变化而运动，从而带来强烈的临场感和冲击力。对于4D座椅的运动以及它与观众体验观察的研究很少单独出现，该文通过实验及问卷对比4D座椅的运动数据不同生成方式以及由此引起的观众观影体验差异，并在定量研究的基础上形成定性的结论，以对更好地生成4D座椅运动数据提供参考。
关键词：立体影像 4D影视 动感座椅运动 环幕影像 三自由度
中图分类号：J943 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（a）-0088-02
1 研究的目标、意义
1.1 研究目标
随着科学技术的发展，4D影院在我們的生活中也越来越常见，在天文馆、科技馆、博物馆中都可以见到它的身影。4D影院是3D立体电影的基础上添加环境特效模拟仿真而组成的新型影视产品。环境特效一般是指闪电、下雨、降雪、烟雾、振动、喷雾模拟、喷气、喷雾、扫腿、耳风、耳音和刮风等的多项特效动作[1]。之所以4D电影这么受观众欢迎，最重要的原因是4D座椅能够随着画面的变化而运动，带来强烈的临场感和冲击力。
4D动感技术有助于促进观影沉浸感与用户体验质量的提升，动感座椅系统是达到“身临其境”效果的关键[2]。座椅所产生的运动与立体的画面紧密结合，能够给观众带来最强烈的临场感。它一般可做3个方向的动作，即升降动作、左右倾斜动作和前后俯仰动作[3]。另外，4D座椅所带来的肢体运动感受，在飞机、汽车模拟驾驶、心理学等领域也有重要的意义。但是，目前无论在行业运用还是在学术研究领域，对于4D座椅运动数据的生成方式以及由此给观众带来的观影体验方面的研究还远远不够。
我们希望能够通过研究不同方式获得座椅运动数据以获得关于不同数据生成方式与观众体验的关系研究。
为了深入研究4D影院座椅，我们计划比较不同的4D座椅运动数据的生成方法，以及由此引起的观众观影体验的差异，并在定量研究的基础上形成定性的结论，以对更好地生成4D座椅运动数据提供参考意见。
1.2 研究意义
根据我们的调查访问，目前4D媒体的座椅动态数据生成方式完全依赖有操作经验的技术人员，根据自己对于动态画面的解读手动生成，仅凭知觉而言这样获得的结果势必是不精确且因人、因时而异的，所以由此能否产生最佳的观众体验难免令人怀疑。而且学术界在这一领域的研究也并不丰富。经过在EI数据库中与中国知网上的初步文献检索，我们发现除了一些对于4D媒体的肤浅介绍，目前的研究可分为3种类型。
（1）力学和动力学研究，使运动的椅子更便宜更好。
（2）结合的A/V和4D效果数据的可能性研究，标准化和4D媒体在互联网的研究。
（3）广播在4D效果的优点作为一个整体的研究，这意味着它们的研究是否以及在何种程度上我们可以一起使用的各种感官效果改善观众的体验。
然而对于4D座椅的运动以及它与观众体验观察的研究却很少单独出现，这正是我们试图通过该研究尝试探索、解释以及形成具有普适性结论的原因。利用资料检索与文献研究的方法，对4D影视作品中座椅运动与观众体验关系的历史、发展与现状进行分析与总结，进而对座椅运动与观众体验的特点、发展规律等形成基本的认识和理解。
2 基于三自由度动感座椅用户体验的研究方法与过程
2.1 研究方法
从技术上讲，根据运动座椅驱动方式的不同，市场上主要有2种类型的运动座椅：三自由度和六自由度椅子，它们都可以用液压机、气压机或电动马达驱动。在该研究中，结合目前的实验环境与实验条件，我们将使用一个三自由度运动液压座椅作为试验平台。虽然我们的研究基于三自由度座椅展开，但研究结果同样可以拓展应用于六自由度的座椅，因为从运动规律的角度而言它们非常相似。
在获取数据的环节中，通常有2种方法用于生成运动数据。
第一种方法是由一名操作者一边观看3D电影，一边用特殊运动捕捉设备来模拟摄像机的运动。他通过手动的方式扭动设备，并将其角度转换成椅子运动数据。该方法的优点在于易于理解和实现，运用这种方法几乎可以将任何立体电影升级为4D电影。但是，这种方法在很大程度上依赖于个人的主观判断和操作，所以不可能保证不同操作者能够产生同样的结果，甚至一个操作者前后2次操作也会有差别，很难保证数据的客观性、准确性和一致性。
第二种方法是从摄像机（通常是三维动画中的虚拟摄像机）直接提取运动信息，形成座椅的运动数据。该方法的优点是速度快、全自动，并且在数学上客观、精确。但它通常只能用于CG影片，因为只有电脑生成的影片中相机的位置和角度信息才能轻松地被获取。另一方面，我们也不能确定在数学上正确的数据必然能够带来更好地用户体验。
所以，为了了解普通观众对这2种数据生成方法产生的座椅运动有何不同体验，并寻求带来最好用户体验的途径，我们设计了以下的实验。
我们在3ds Max中制作2段环幕立体动画，并分为2个实验组A组与B组，其中A组为山洞隧道景象，B组为城市过山车景象。每组有2段动画，每个约90 s长，分别为一段手动调试动画和一段电脑调试动画。其中的相机运动轨迹各不相同。这些动画将成为我们进行研究的实验材料。
2.2 实验素材的准备
从电脑直接获得4D座椅的运动数据需要模拟座椅运动。
在3DMAX中，摄像机的视角即为动画的大小，首先建立一个如图1所示的等边四棱锥模型。
模型可以绑定到摄像机，可以同步模拟摄像机的运动趋势，以模型的一个定点两个重点模拟4D座椅内部的三自由度轴，那么我们只要把模型3个点的上下变化趋势记录下来就能够获得座椅的运动数据。
点在3DMAX中不能直接输出，可通过ExposeTransfor mHelper去pick这3个点，通过ExposeTransformHelper并且结合一段程序可以将这3个点的运动数据输出（见图2）。
以下是编写的用于输出座椅数据的程序。
在3DMAX中载入此段程序，可提取出这段动画的座椅运动数据，这段数据由电脑计算获得，一定程度上讲，这段数据是绝对正确的。但是用户的体验未必是最舒服的。
手动获取座椅运动数据方法。
手动获取座椅运动数据需要通过操作者观看动画并且手动调整三自由度数据采集器。
通过手动的方式，可以根据操作者的主管意念进行修正，但是这样带来的问题是，操作者个人主观想法会被加入进去，最后得出的数据未必是真正适合用户的。
2.3 实验过程及结果分析
实验阶段，我们挑选33位身体健康的在校大学生作为受试对象设计单盲实验，他们会先后体验2段画面相同的动画，其中一段的运动数据由电脑自动生成，另一段由手动生成。2段动画播放完毕后，他们将根据自己的体验对之进行评价。为获得更加客观准确的结果，我们在替换动画内容后会将实验再重复一次（参与实验的同学大部分来自同济大学艺术与传媒学院，多为动画系与广播电视编导系的同学，其中共有女生21人，男生12人）
A2与B1为手动调试动画，A1与B2为电脑调试动画。
选项“整体感觉最好的动画”，33名测试者中27位选择了A2，18位选择了B1。
选项“令人深刻的动画运动方式”，A、B两组动画都在“凹凸变化激烈的地形”这一选项上取得了极大幅度的领先。
对于“影响观影体验的因素”，超半数的被调查者不出意外地选择了“与画面的配合度”，排名其后的是“变化频率”与“变化幅度”，而“运动速度”被普遍认为对观影因素影响最小，反映出观众最为追求的是画面动作的协调一致。在各种艺术的表现上，“协调”是最为重要的，4D电影作为艺术的一支分流，也必然不能脱离这一要点。
对于电脑生成的数据，受试者对观影体验表现出了较为明显的不满倾向，他们普遍认为电脑调试的动画存在频率过低、速度过慢的问题。但是在对画面的匹配程度及细节表现上，电脑数据获得了尚可的评价，且很少有人评价其运动过激。这正反映出观众对于电脑生成的准确数据的整体评价平稳但在“因地制宜”并创造性地处理数据。
对于手动调控的数据，观影者普遍有着更好的评价，但不可忽视的是它更容易产生过于激烈的动作，令人产生不适感。而人造数据的优势则是在运动变化上更丰富、更符合认知规律，因此能给观众带来更好的主观体验。
3 研究结论
如何更好地将人工与电子智能结合，既是4D动感影片体验要解决的问题，也是社会发展境况的缩影，而这正是我们这次实验所探讨的价值所在。
尽管手动调整的数据在动作匹配与运动频率上有些许偏差，但是计算机计算出的4D座椅运动在目前为止还无法取代人工调控，总而言之，计算机并不能像人一样去感受情绪的变化，所以它产生的结果平稳精确有余，但却也难免令人感到乏味。手动生成的数据能够更好地体现出情绪的变化，因此结果相对而言更加令观众满意，人之所以为人就是因為人是有情感的，这是机器无法取代的。
参考文献
[1] 朱逍，许昌.4D影院动感座椅控制系统的设计与研究[J].微计算机信息，2010，26（34）：92-93.
[2] 张雪，方捷新，刘达，等.4D动感影院技术发展及应用研究[J].现代电影技术，2015（2）：14-22.
[3] 陈玉龙，陈清奎，姜小会.一种新型4D影院动感座椅控制系统设计与分析[J].现代制造，2014（3）：121-122.
