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Multiplanes是一个虚拟现实绘画系统，能够为用户提供徒手绘画的灵活度和绘制完美图形的能力。通过结合美化绘画和2D绘画，Mutiplanes能够解决创建3D VR绘画的挑战。要做到这一点，系统在用户绘制笔画时基于最可能的预期形状来美化它们。系统同时将根据先前和当前笔划，以及当前控制器姿态自动生成修正平面和美化触发点。基于与先前笔划的几何关系，美化触发点将充当虚拟环境内的指示。用户可以点击它们以（明确地）触发笔划美化。与其他系统相比，Multiplanes的用户无需手动设置或执行任何类型的特殊手势来进行激活，这样的指示将允许用户专注于创作过程。

1. 介绍

现在我们已经能够轻易获取Oculus Rift和HTC Vive这样的高质量VR设备。由于用户能够在3D虚拟环境中直接绘制图形，这些产品重新燃起了人们在设计过程中使用VR技术的兴趣。商业3D绘画系统的示例包括Tilt Brush和Gravity Sketch等。这些工具中的大多数都是基于徒手绘图技术，其中笔划将遵循控制器的位置。尽管这种技术为具体化用户新想法提供了一种直观且有效的方法，但先前的研究表明，2D草图绘制比3D草图更加准确和有效。

一些系统采用了新颖的交互来解决这个问题，其他系统则专注于美化用户的笔划。之前的研究还表明，用户对将3D空间作为概念设计的媒介非常感兴趣，因为他们期望VR系统为草图绘制过程提供新工具，从而帮助他们获取更多的灵感，更好地感知3D空间。因此，用户“需要新的工具，提供超越身体运动与数字几何操作一对一映射的功能”。但与当前的CAD系统不同，重要的是这些新草图绘制工具不会妨碍创作过程，或者不需要经过大量培训才能高效使用。

2. Multiplanes

西蒙弗雷泽大学博士生Mayra Donaji Barrera Machuca、Adobe研究员等提出了一个名为Multiplanes的系统，其能够自动识别绘制平面，并且根据先前和当前笔画，以及控制器的方向与位置来引导用户。他们选择3D徒手绘图的原因是，这种技巧易于学习，而且VR经验丰富与否都能操作相关的系统。此外，3D徒手绘图功能强大，即使是经验丰富的用户也会对绘图感到满意。图1说明了系统是如何创建出一个房屋图形。

图1：绘制立方体两个相邻面的逐步过程。右侧是被试完成的绘图示例。黑色房屋是徒手绘制，紫色房屋则是由Multiplanes创建而成。

3D笔画美化：在Multipanes中，每个笔划都投影到一个平面上。这种方法鼓励用户专注于他们手臂的2D运动，因为第三维度的变化不会影响最终的笔画。即便是通过投影移除一个DOF，在在空中进行3D绘制仍然相当困难。为了提高用户的准确性，Multiplanes会在用户绘制时自动美化笔划。它根据控制器位置之间的几何关系将轨迹识别为直线，圆弧或圆。如果几何关系不类似于任何已知形状，系统就将笔画调整成跟随手部移动的一般曲线。

美化触发点（BTP）：系统提供了一种名为美化触发点（BTP）的新型指示。它们仅在用户开始或结束笔划时触发操作，而且它们已经嵌入3D环境之中，因此用户可从多个深度提示中受益。BTP存在不同的类别和种类，具体取决于相应的父笔画类型。BTP通过显示几何关系来改进以前的操作，而不仅仅是端点或交叉点。另外，为了创建BTP，研究团队不仅考虑了最接近的现有笔划，同时考虑了最佳绘图平面和当前控制器姿态。

图2：根据不同笔画形状生成的BTP，以及平面与控制器法线之间的关系。

自动平面生成：Multiplanes使用当前控制器姿态和先前使用的平面来定义新平面，而不是使用固定绘图参考或将平面映射到视图。这消除了用户按下任何按钮，或做出任何手势来定义平面的需要。在系统中，用户在开始绘制之前将会看到绘图平面的直观表示。这种可视化已被证明能够提高3D绘图中的用户准确度。平面的自动生成包括两种状态：第一状态是，用户在虚拟环境中移动控制器时创建的反馈平面。第二个状态是绘图平面，其中系统显示静态平面视觉指示，从而说明将在其中创建笔划的平面。系统将存储在绘图平面状态中创建的每个新平面，以便稍后在反馈平面状态中使用它们。如果他们在绘图时将控制器移远当前的绘图平面（在任一侧），“Quickflip”交互将允许用户更改为与当前活动平面正交的平面。

其他用户交互：Multipanes同时允许用户改变笔画大小与颜色。只需在右手控制器的触控板上移动垂直移动大拇指即可调整笔画大小；而在左手控制器的触控板上移动拇指则可调整笔画颜色。颜色空间是一个HSL圆柱体，饱和度位于垂直轴，而色相则位于水平轴。

3. 评估

团队通过用户研究评估了原型。目的是征求VR用户对这一全新交互方法的意见，并比较徒手绘画技术。通常来说，使用Multiplanes生成的结果在视觉上看起来比徒手结果更具吸引力。大多数被试都喜徒手绘画的自由感。但结果还表明，他们欣赏Multipanes可带来的更高精度。另外，他们对交互的简易性，自动化且不显眼的美化操作，以及BTP功能给出了相当高的评价（平均5.5分或以上，总分7分）。

4. 总结

Multiplanes是一种VR徒手绘图助手，其结合了新颖的交互技术，可以帮助用户更准确的绘制图形。对于笔划和当前控制器姿态，Multiplanes能自动识别合适的绘图平面。然后，系统显示基于先前笔划的美化触发点指示，其说明了与先前笔划和校正点的几何关系。Multiplanes同时可以在用户绘图或用户点击BTP时实时自动美化笔划。团队的试点研究发现，参与者喜欢这一系统，并且欣赏系统带来的更高准确性。他们认为不显眼的美化操作和触发点特别有帮助。