基于虚拟现实技术的三维动画建模设计

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　　摘  要： 传统的三维动画建模方法获取的三维动画信息不全面，导致三维动画连续性差。基于此，提出并设计了基于虚拟现实技术的三维动画建模方法。首先利用虚拟现实技术对三维动画场景中节点进行编组，计算三维动画场景节点坐标;其次确定三维动画中物体的表面特征，全面搜索动画场景图像的点集，获取三维动画中所有场景的深度信息;最后对三维动画进行精简处理，完成三维动画建模设计。实验结果表明，采用基于虚拟现实技术的三维动画建模方法相比传统的三维动画建模方法连续性更强，同时可全面展现三维动画信息。
　　关键词： 三维动画建模; 虚拟现实技术; 节点编组; 坐标计算; 场景划分; 对比验证
　　Abstract： As the 3D animation information obtained by the traditional 3D animation modeling method is incomprehensive， which causes the poor continuity of 3D animation， a 3D animation modeling method based on virtual reality technology is proposed and designed. The nodes in 3D animation scene are grouped by means of the virtual reality technology， and the coordinates of the nodes in 3D animation scene are calculated. The surface features of objects in 3D animation are defined. The point sets of animation scene image are searched comprehensively， so as to obtain the depth information of all scenes in 3D animation. The 3D animation is simplified to complete the 3D animation modeling design. The experimental results show that the 3D animation modeling method based on virtual reality technology has better continuity in comparison with the traditional 3D animation modeling method， and can fully display the 3D animation information.
　　Keywords： 3D animation modeling; virtual reality technology; node grouping; coordinate calculation; scene partition; comparison validation
　　近年来，三维动画技术发展迅速，能够通过建立角色、实物、场景的三维数据，让三维数据在某个空间内通过一定的轨迹和动作进行活动。现阶段，多数三维动画建模方法获取的是动画场景表面的部分信息，以观察者为中心对动画场景进行描述，难以呈现动画场景的深度信息。由于获取信息不完全，导致三维动画建模出现连续性差的问题，如何将动画场景后的详细信息提取出来，以保证三维动画的连续性，已经成为目前亟需解决的问题。
　　虚拟现实技术是一种基于计算机图形学的多视点、实时动态的三维环境，该三维环境可以对现实世界进行描述，还能够建立超越现实的虚构世界。操作者能够通过看、听、摸等感官，对自然技能和人的思维方式模拟，将人类代入环境交互中。在实际操作中，操作者为实时数据源的形式存在于虚拟环境中，在其中人为行为主体，是一种全新的人机交互方式。虚拟现实技术在卫生、教育、军事、医学等方面都有广泛的应用，因此将其应用到三维动画建模中，具有重要意义。此次设计方法对三维动画场景節点坐标计算，利用虚拟现实技术将节点坐标信息与几何信息结合，完成三维动画建模设计。
　　1  三维动画场景节点坐标计算
　　三维动画场景即由多个节点组成的虚拟模型[1]，建模过程中通过计算三维动画场景的节点坐标，保证三维动画的连续性[2?3]。利用节点描述三维动画场景中各个模型的颜色、外形和材质等，构建三维动画场景节点层次结构，如图1所示。
　　对三维动画场景中的所有节点进行编组处理，假设[m，n]为[t]在动画场景图像中的像素坐标[4]，[Xa，Ya，Za]为动画场景图像中对应点的世界坐标系[5]下的三维坐标，将三维动画场景描述为：
　　利用虚拟现实技术获取三维动画场景中节点编组的场景尺度[6]，公式如下：
　　式中：[Cx]为三维动画场景中x的轴的场景尺度;[ai，k]为三维动画场景的中心像素点;[z]为动画场景节点。
　　利用式（2）完成三维动画节点编组，根据节点编组结果，将复杂的场景按照分布的区域[7]划分成很多小单位，最后再通过分组节点将其整合，具体划分过程见图2。
　　根据场景划分结果，对三维动画场景节点坐标计算，假设[n]代表编组完成的三维动画场景节点，利用迭代形式，径向[8]、切向畸变补偿三维动画场景图像，假设[gsdf]代表三维动画场景中的径向畸变分量，[φ]代表三维动画场景中的切向畸变分量，则其表达式为：
　　式中：[t2+km]代表三维动画场景图像的畸变相对值;[d2]代表图像线性畸变参数;[kr2]代表图像畸变分量。 　　将上述三维动画图像的径向畸变和切向畸变分量多次迭代，得到关于三维动画场景图像节点在该深度方向的深度坐标值[9]，以此完成三维动画场景节点坐标的计算，为三维动画建模提供基础。
　　2  三维动画建模
　　在上述三维动画场景节点计算的基础上，利用虚拟现实技术[10]对三维动画建模。虚拟现实技术的基本特征如图3所示。
　　利用虚拟现实技术表示三维动画的几何信息，定义三维动画中物体的表面特征[11]，取三维动画场景中图像像素点的均值，得到该三维动画场景图像的相同像素点组成的图像[Ix，y]：
　　通过式（4），利用虚拟现实技术描述三维动画的几何信息，结合三维动画的几何信息[6]与虚拟现实技术中的节点坐标位置，全面搜索动画场景图像的点集[12]，寻找三维动画场景图像点集与点集之间的最优变换关系，获取三维动画中所有场景的深度信息[f]：
　　式中：[N]为动画场景图像表邻域中点总数;[r]为动画场景图像的特征点;[yi]为三维向量样本点;[t]为三维动画场景点云数据合并因子。
　　通过上述过程，得到三维动画场景的深度信息，在上述配准过程中，会产生大量冗余的动画场景图像特征点[11]。因此，利用虚拟现实技术对三维场景图像点云进行合并，假设[q]代表场景图像三维空间中的一个三维向量样本点，利用式（6）对三维动画场景图像点云的数据精简，得到三维动画场景图像点云量的总数[dsE，s]：
　　式中：[?]为三维动画场景某点的点云值;[s]，[n]分别为三维空间中的图像点值。
　　通过上述过程对虚拟现实技术下的三维动画精简处理，在此基础上，将建模坐标转换到世界坐标，变换过程中利用单个表面部分描述空间方向信息[13]，信息转换来源于顶点坐标值和多边形所在的平面方程，平面方程表示为：
　　式中，[AX]，[BY]，[CZ]代表平面内任何一点。
　　通过上述过程，完成坐标系转换，利用虚拟现实技术生成三维动画的模型元件，最后将三维动画建模场景输出，以此完成最终的三维动画建模设计。
　　3  实验对比
　　为验证上述设计的基于虚拟现实技术的三维动画建模方法的有效性，将传统的三维动画建模方法与此次设计的建模方法进行对比实验，对比两种建模方法三维动画的连续性。
　　3.1  实验环境
　　采用CCD摄像机多角度拍摄的5组动画场景图像序列作为实验数据，动画场景图像分辨率为[380×600] dpi，分别使用传统的三维动画建模方法与此次设计的三维动画建模方法对实验图像建模。实验环境配置见表1。
　　由于实验数据与建模数据存在格式上的差异，为减少实验时间，对实验三维动画的数据格式转换，获取动画场景图像第[k]组对应点在变换之后的距离差[Gk]：
　　3.2  实验结果分析
　　实验数据由DF?ET软件生成，5组动画场景中的数据由少至多，对比在动画场景多和少情况下的三维动画模型的连续性，实验对比结果如图4所示。
　　分析上述实验对比结果可知，在三维动画场景较少时，传统的建模方法能够保证较好的模型连续性，随着三维动画场景增多，传统建模方法的模型连续性逐渐降低。而此次设计的基于虚拟现实技术的三维动画建模方法在三维动画场景多与少的情况下，都能保证较好的连续性，主要是因为在利用虚拟现实技术进行三维动画场景建模中，能获取更多的三维场景信息;同时，根据三维动画特征与三维点云之间的关系得到动画场景的三维特征点，完成三维动画的精确配准，从而保持较高的连续性。
　　4  结  语
　　首先利用虚拟现实技术对三维动画场景中的节点编组，获取三维动画场景节点坐标信息，然后利用虚拟现实技术定义三维动画中物体的表面特征，全面搜索动画场景图像的点集，利用虚拟现实技术生成三维动画的模型元件，完成三维动画建模。实验对比结果表明，此次设计的基于虚拟现实技术的三维动画建模方法比传统的三维动画建模方法连续性更强，具有一定的实际应用意义。
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