三维虚拟动画设计中的角色绘画与建模

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　　摘  要： 通过动画角色的绘画与建模可提升角色立体感和渲染效果，将动画角色丰富形象地呈现给观看者。提出三维虚拟动画设计中的角色绘画与建模方法，构建三维虚拟动画角色绘画与建模系统，以动作捕捉、虚拟动画角色绘画以及三维模型设计为核心，利用虚拟技术与三维设计技术完成角色绘画与建模。划分角色类型后，通过基本结构、色彩与动作三个环节完成动画角色绘画;以完成绘画后的动画角色为基础，通过结构特征分析、建模方法确定和三维动画模型制作三个过程完成三维虚拟动画设计中的角色建模。将三维模型导入以VR技术为核心的动画虚拟仿真平台，实现与用户之间的互动与显示。实验结果显示该方法运行帧速和纹理数与对比方法相比分别提升了4 f/s和1 MB以上，说明该方法得到的角色画质效果更好，行为连接更加流畅、清晰度更高。
　　关键词： 三维虚拟动画; 动画设计; 角色绘画; 角色建模; 动作捕捉; 特征分析
　　中图分类号： TN911.73?34                       文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2020）19?0027?04
　　Abstract： With the drawing and modeling of animation characters， the stereoscopic sense and rendering effect of the characters can be improved， and the rich images of animation characters can be presented to the viewers. The method of character drawing and modeling is puts forward for 3D virtual animation design to construct a 3D virtual animation character drawing and modeling system， which takes action capture， virtual animation character drawing and 3D model design as its core， and uses virtual technology and 3D design technology to complete character drawing and modeling. After classification of the character types， the animation character drawing is completed through three links of basic structure， color and action. The well drawn animation character is taken as the basis to complete the character modeling in 3D virtual animation design by means of structure feature analysis， modeling method determination and 3D animation model making. The 3D model is imported into the animation virtual simulation platform taking VR technology as the core to realize the interaction with users and display. The experimental results show that the frame rate and texture number of this method are increased by more than 4 f/s and 1 MB respectively in comparison with the contrast methods， which show that the character image quality effect of this method is better， its behavior connection is smoother and its definition is higher.
　　Keywords： 3D virtual animation; animation design; character painting; character modeling; action capture; feature analysis
　　0  引  言
　　隨着计算机技术与数字化信息技术的普及，计算机动画技术得到高速发展与普遍使用，成为当前最受欢迎的多媒体表现形式之一[1]。计算机动画技术中动画角色绘画与建模尤为重要[2]。为更好地呈现动画角色，提升动画效果，动画角色设计越来越复杂，因此寻找一种优秀的动画角色绘画与建模方法成为动画设计人员与学术研究人员的主要研究方向。
　　以往普遍使用的动画角色绘画与建模方法应用3D max和Z Brush等三维设计软件[3]，构建三维立体数字化动画角色模型，但动画呈现效果真实性、灵活性与体验性无法满足当前动画设计需求。虚拟现实技术可通过视觉、听觉和触觉等感官表现真实、立体的画面，提升人们对于动画观赏的需求[4]。因此本文将三维设计与虚拟现实技术相结合，应用于动画设计中，提出三维虚拟动画设计中的角色绘画与建模方法，通过虚拟现实技术与三维设计之间的结合，提升动画设计科技水平，呈现更加生动的三维虚拟动画设计。 　　1  角色绘画与建模方法
　　1.1  角色绘画与建模系统结构
　　随着数字信息技术研究的逐步深入，三维动画设计与虚拟现实技术均产生质的飞跃[5]。将三维动画设计技术与虚拟现实技术相结合，应用于三维虚拟动画设计中的角色绘画与建模，可提升动画角色绘画与建模水平，增加动画角色的生动性与立体性。三维虚拟动画角色绘画与建模系统结构如图1所示。由图1可知，动作捕捉、虚拟动画角色绘画以及三维模型设计是动画设计中角色绘画与建模的三个主要环节[6]，虚拟现实技术与三维设计技术之间相辅相成。该系统整合动画技术、VR虚拟技术、三维设计技术与网络技术等，通过VR虚拟技术与三维设计之间的统一结合，可使观赏者观看到各种真实灵动的动画角色，并产生参与感，增强真实性。
　　1.2  三维虚拟动画设计中的角色绘画
　　1.2.1  动画角色绘画的分类
　　在动画角色绘画过程中，角色的分类主要有三种形式[7]，分别是：基于角色造型、基于角色种类和基于角色性格的分类形式。
　　1） 基于角色造型的分类形式：根据角色造型可将角色类型划分为两种，分别是写实类与夸张类。写实类角色绘画要求角色身体结构与动作形态均依照现实进行设计，绘画过程要求较为严谨;夸张类角色绘画要求与写实类角色绘画要求相比较宽松，仅需依照相应结构规律，保留角色基本结构特征，夸大其局部特征进行绘画设计，满足动画角色设计的可爱、搞笑效果。角色的性别、身份、生活背景等对于角色绘画十分重要。
　　2） 基于角色种类的分类形式：动画角色种类有所差异，在绘画过程中依照角色种类骨骼结构差异可将动画角色分为人物类、动物类以及机械类等。不同類型还可进行详细划分，以动物类为例进行说明。动物类角色还可划分为：爪类动物、飞行动物、水栖动物等。
　　3） 基于角色性格的分类形式：依照角色不同的性格，在进行角色绘画过程中可将角色分为：可爱型、莽撞型、运动型、阴险型等不同类型。
　　1.2.2  动画角色绘画的多元素解析
　　基于上述动画角色分类结果，通过基本结构、色彩与动作三个环节完成动画角色绘画[8]。
　　1） 基本结构：动画角色的基本结构所描述的是动画内的主要运动结构，是角色有效操控的基础。以人物类角色为例，在绘画人物类角色时，需赋予动画角色不同情绪与不同的动作。通过角色的眉毛、眼睛、嘴等五官的绘画体现角色的喜怒哀乐;通过角色的身体、胳膊、手、腿、脚等肢体的绘画呈现角色站、坐、跑等动作形态。
　　2） 色彩：在动画角色绘画过程中为角色填充色彩，以丰富动画角色结构，提升动画角色饱和度。除对动画角色基本形态进行色彩绘画外，还可对动画角色服装进行色彩设计。同时，在动画角色色彩设计过程中，还需控制动画角色整体色彩与关键角色之间的相关性。也就是通过动画角色的三维画面，完成色彩判断与调配，实现色彩结构上的协调性。
　　3） 动作绘画：动作绘画环节是动画角色绘画的关键环节，通过动作捕捉获取角色不同动作形态，基于动画角色单个动作之间的连接提升动画画面之间的连贯性，并实现动画角色三维模型的建立。
　　1.3  三维虚拟动画设计中的角色建模
　　角色建模是三维虚拟动画设计过程中最关键的环节。以完成绘画的动画角色为基础，通过结构特征分析、建模方法确定和三维动画模型制作三个过程完成三维虚拟动画设计中的角色建模[9]。
　　1.3.1  结构特征分析
　　结构特征分析是动画角色建模的基础，动画角色结构特征通常分为两种[10]：规则结构与不规则结构。规则结构的动画角色建模相对简单，不规则结构的动画角色建模要求相对较高。
　　1.3.2  建模方法
　　3D max软件在构建三维模型过程中通常使用网格建模法、面片建模法和堆砌建模法。从细节建模出发，将不同细节模型结合为一个整体模型的建模方法即堆砌建模法[11]。该建模方法建模过程类似于房屋建造过程，即地基建设为基础，建设整体结构中的局部，统一各局部得到房屋整体。动画角色本体模型建立前，需分类描述客观动画角色结构，若动画角色内含有6个元素，将其描述为：
　　式中：[X]和[T]分别表示虚拟环境内的不同元素和不同元素间的关系算子;[Jc]和[Rel]分别表示不同元素间的概念层次和非聚类关系;[So]和[Stri]分别表示存在的本体原型和元素内在相关性。其中：[X1，X2，…，Xn∈X]，描述的是动画角色结构内的全部元素。
　　[T]所描述的关系算子可表示为：
　　式中分别描述[X1]与[X2]之间的（组合、从属和微弱影响）相关性。在图片形式的动画角色传输至三维建模软件过程中，不同视频的频闪帧数表现出泊松分布排序等待现象[12]。为突出本体特征的区别，3D max软件操作系统以本体元素特征和操作行为作为敏感度指数，提升建模效率。针对敏感度指数，可通过式（3）描述式（2）内特征元素：
　　依照最大均方误差能够确定敏感度指数的阈值，公式描述为：
　　式中[E]表示视频动画播放的时间。
　　1.3.3  三维虚拟动画角色模型制作过程
　　分析动画角色结构特征后，选取相应的建模方法制作动画角色三维虚拟模型[13]。动画角色模型制作内容包括：灯光、材质与渲染三方面，利用不同类型的光与阴影模拟灯光的光影效果，通过材质提升动画角色模型的真实性，通过渲染可实现灯光与材质所描述的特性。处理好这三个方面即可获取较好的建模效果。构建三维虚拟动画角色模型时，先构建动画角色单一结构的三维虚拟模型[14]，并对该模型进行灯光、材质与渲染的贴图，持续优化贴图位置直至满足实际需求，至此动画角色单一结构模型构建成功。逐一处理动画角色不同单一结构模型，将全部单一动画角色局部结构三维模型合并，同时在合并时融入周边环境等其他要素。三维虚拟动画角色模型建立流程如图2所示。 　　1.4  虚拟仿真平台设计
　　VR技术是一种虚拟仿真技术，具有较大的拓展空间，利用VR技术构建虚拟仿真平台，其结构如图3所示。构建好的三维模型导入虚拟仿真平台后，由仿真平台实现与用户之间的互动与显示[15]。根据图3可知，虚拟仿真平台主要由集群仿真及网络通信模块、仿真核心工作模块、3D max建模输出模块等共同组成。其中，仿真核心工作模块是平台的核心模块，该模块以多通道视觉仿真模块为核心，优化内核仿真任务调度，最终实现三维虚拟动画设计中的角色绘画与建模。
　　2  仿真实验
　　为验证本文提出的三维虚拟动画设计中的角色绘画与建模方法的性能，以某动画角色不同运动动作为对象，在设定实验环境下进行仿真测试。
　　2.1  绘画与模型构建测试
　　采用本文方法对动画角色进行绘画与建模，结果如图4～图6所示。
　　分析图4～图6可知，本文方法可有效绘制动画角色不同动作图像，并成功构建三维模型，由此说明了本文方法的有效性。
　　2.2  建模效果分析
　　为验证本文方法的三维虚拟角色建模效果，将本文方法与基于OpenGL的三维建模方法、基于SketchUp的三维建模方法进行比较，对比三种建模方法在构建上述动画角色三维模型的帧速与纹理数，结果如表1和表2所示。
　　分析表1可知，动画角色三维模型建立过程中，相较于其他两种对比方法，本文方法所建模型运行帧速更高，最高可达97.09 f/s，与另外两种方法相比，提升幅度在4～8 f/s之间。由此说明本文方法所建模型在行为控制后得到的画质效果更好，且动画角色行为连接更加流畅。分析表2可知，动画角色三维模型建立过程中，相较于其他两种对比方法，本文方法所建模型的纹理数量最高，最高可达到14.81 MB，与另外两种方法相比，提升幅度在1～2 MB之间。由此说明本文方法所建三维模型具有更高的清晰度。综合表1和表2的对比结果可知，本文方法所建模型质量优于另外两种对比方法。
　　2.3  能耗对比
　　为验证本文方法在绘画与建模过程中的能耗优势，对比三种建模方法在构建2.1实验中动画角色三维模型过程中的能耗，结果如图7所示。由图7可知，本文方法针对不同动作进行绘画与三维模型构建过程中能耗波动范围在0.7～1.4 J之间，显著低于另外两种对比方法，由此可知，本文方法在三维虚拟角色绘画与建模过程中具有较低的能耗。
　　3  结  语
　　动画角色绘画与建模是动漫产业发展的基础，因此完善的动画角色绘画与建模方法至关重要。本文提出三维虚拟动画设计中的角色绘画与建模方法，实验结果显示，本文方法与对比方法相比具有更好的质量与更低的能耗，具有较高的推广价值。
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