聶文超， 李 琳,劉曉平

（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展三維動(dòng)畫(huà)正在逐 漸成為繼聲音、圖像、視頻和三維模型之后的第5種多媒體類型[1]。作為三維動(dòng)畫(huà)的核心組成部分，動(dòng)畫(huà)角色在影視制作、網(wǎng)絡(luò)游戲等應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越重要的地位。無(wú)論是擁有國(guó)內(nèi)500萬(wàn)玩家的網(wǎng)絡(luò)游戲《魔獸世界》中形形色色的怪物角色，還是創(chuàng)造了5億國(guó)內(nèi)票房的3D電影《阿凡達(dá)》中創(chuàng)意無(wú)限的外星生物，動(dòng)畫(huà)角色的外形設(shè)計(jì)和動(dòng)作設(shè)計(jì)無(wú)一不是人們趨之若鶩的理由和效益神話的根本[2]。

動(dòng)畫(huà)角色的制作軟件也非常之多，作為目前流行的三維建模、動(dòng)畫(huà)和渲染軟件，3ds max成為首選工具[3]。然而其自身的.max文件格式難以被全部解析，因而難以通過(guò)解析文件的方式充分利用3ds max中強(qiáng)大的功能，而且隨著系統(tǒng)的更新，依靠解析文件獲取模型信息的方法始終無(wú)法獲取最新最完整的模型信息[4]。3ds文件格式以密文存儲(chǔ)，雖然能夠部分解析，但是只包含 3D模型數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)畫(huà)角色進(jìn)行研究的要求。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)里面進(jìn)行動(dòng)畫(huà)角色算法研究，即需要有動(dòng)畫(huà)角色的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)又需要有動(dòng)畫(huà)角色模型數(shù)據(jù)。

動(dòng)畫(huà)角色主要包含兩方面信息，動(dòng)畫(huà)角色的模型信息與動(dòng)畫(huà)角色的骨骼運(yùn)動(dòng)信息。模型文件格式有很多，這些格式的文件都是針對(duì)特定的情況而設(shè)計(jì)的，有些注重工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有些注重通訊的簡(jiǎn)易性，還有些注重適宜性和可移植性[5]。為了方便研究人員進(jìn)行動(dòng)畫(huà)角色相關(guān)算法的研究，本文提出了一種用于存儲(chǔ)動(dòng)畫(huà)角色信息的文件格式，該格式包含了動(dòng)畫(huà)角色的模型信息和運(yùn)動(dòng)信息，以明文方式存儲(chǔ)，使研究人員可以對(duì)動(dòng)畫(huà)角色算法進(jìn)行全面的研究。同時(shí)，不同于OGRE與Unity3D所支持的三維模型格式包含全面的三維模型信息，此格式針對(duì)動(dòng)畫(huà)角色的特點(diǎn)，摒棄了常見(jiàn)三維模型軟件的冗余信息，提高了算法的執(zhí)行效率和穩(wěn)定性。

為了增加該文件格式的通用性，還開(kāi)發(fā)了此文件格式的動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，可用于與3ds max里的動(dòng)畫(huà)角色相互轉(zhuǎn)換，減小了使用者對(duì)自定義文件格式的依賴性。該轉(zhuǎn)換工具是通過(guò)對(duì)3ds max動(dòng)畫(huà)角色模型組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，基于max SDK，將max中的動(dòng)畫(huà)角色與自定義格式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，從而可以充分利用3ds max中豐富的動(dòng)畫(huà)角色信息，進(jìn)行動(dòng)畫(huà)角色算法的研究。

下面分別從動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析，系統(tǒng)整體介紹、結(jié)果驗(yàn)證3個(gè)方面展開(kāi)論述。

1 動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

1.1 已有動(dòng)畫(huà)文件格式分析

常用的模型文件格式有OBJ格式，目前幾乎所有知名的3D軟件都可以通過(guò)插件支持OBJ文件的讀寫(xiě)，很適合用于3D軟件模型之間的互導(dǎo)；Stanford大學(xué)開(kāi)發(fā)的ply格式，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但是能滿足大多數(shù)圖形學(xué)應(yīng)用需要的模型格式，在圖形學(xué)的研究領(lǐng)域中，ply是種常用且重要的文件格式；還有OGRE引擎所支持的mesh格式，主要用在商業(yè)領(lǐng)域中。骨骼動(dòng)畫(huà)是隨時(shí)間變化的，常用的運(yùn)動(dòng)格式有通用的人體特征動(dòng)畫(huà)文件格式bvh與3ds max cs特有格式bip。這些文件格式都只包含動(dòng)畫(huà)角色某一部分的數(shù)據(jù)，目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的以明文格式存儲(chǔ)的動(dòng)畫(huà)角色文件格式出臺(tái)，既包含動(dòng)畫(huà)角色模型數(shù)據(jù)又包含骨骼運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的文件格式都是一些商業(yè)軟件所用的，無(wú)法在其上進(jìn)行動(dòng)畫(huà)角色相關(guān)算法的研究。

1.2 3ds max動(dòng)畫(huà)角色模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

作為目前流行的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件，3ds max擁有強(qiáng)大的功能。雖然其自身的.max文件格式難以被解析，無(wú)法提供動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)，但max SDK提供了豐富的接口使我們可以有選擇性地導(dǎo)出與導(dǎo)入自己需要的數(shù)據(jù)。

節(jié)點(diǎn)INode作為max SDK里最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，承載著其里面掛載數(shù)據(jù)的功能，節(jié)點(diǎn)有骨骼、網(wǎng)格等多種類型，不同類型的節(jié)點(diǎn)掛載著不同的數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)在場(chǎng)景中是以父子層次關(guān)系組織的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)以子節(jié)點(diǎn)的身份關(guān)聯(lián)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)孩子節(jié)點(diǎn)，只能有一個(gè)父節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)INode與max場(chǎng)景中的對(duì)象存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，每一個(gè)出現(xiàn)在視口中的對(duì)象，包括骨骼、網(wǎng)格等，都關(guān)聯(lián)一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如圖1所示。3ds max中的對(duì)象掛載在節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的遍歷判斷節(jié)點(diǎn)掛載對(duì)象的類型，可以獲取到場(chǎng)景中動(dòng)畫(huà)角色的骨骼數(shù)據(jù)與網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

圖1 max SDK動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.3 自定義文件格式介紹

為了使研究人員對(duì)動(dòng)畫(huà)角色進(jìn)行算法研究，本文提出一種以明文存儲(chǔ)的、用來(lái)存儲(chǔ)動(dòng)畫(huà)角色信息的文件格式。動(dòng)畫(huà)角色是網(wǎng)格數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和蒙皮約束數(shù)據(jù)的結(jié)合，該自定義動(dòng)畫(huà)角色文件格式包括5個(gè)部分：文件頭、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、蒙皮數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)以及紋理數(shù)據(jù)，如圖2所示，其中文件頭是對(duì)后四者的描述，介紹文件中包含哪幾個(gè)數(shù)據(jù)模塊，用于文件讀取的預(yù)處理。

圖2 自定義動(dòng)畫(huà)角色文件示例圖

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是動(dòng)畫(huà)角色骨架的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，是動(dòng)畫(huà)角色隨著時(shí)間變化姿態(tài)信息的存儲(chǔ)形式。常用的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)表示方法有旋轉(zhuǎn)矩陣、歐拉角和四元數(shù)3種，這3種運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)各有利弊，表1給出了對(duì)比結(jié)果。用戶可根據(jù)需求選擇對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自定義文件格式中。

表1 旋轉(zhuǎn)矩陣、歐拉角和四元數(shù)的比較

蒙皮數(shù)據(jù)是聯(lián)系骨架的動(dòng)態(tài)信息與靜態(tài)網(wǎng)格之間的橋梁，隨著時(shí)間軸的前進(jìn)，骨架的運(yùn)動(dòng)通過(guò)蒙皮使得每個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的位置變化，進(jìn)而發(fā)生網(wǎng)格變形，即為動(dòng)畫(huà)。權(quán)重表是蒙皮數(shù)據(jù)的核心，它存儲(chǔ)著每根骨骼對(duì)網(wǎng)格各頂點(diǎn)的約束權(quán)重，如表2所示。權(quán)重表由權(quán)重項(xiàng)組成，權(quán)重表的每一行代表了一個(gè)權(quán)重項(xiàng)，權(quán)重項(xiàng)包含了影響當(dāng)前網(wǎng)格頂點(diǎn)的各骨骼信息以及對(duì)應(yīng)的約束權(quán)重。

表2 權(quán)重表

網(wǎng)格給模型以最直觀的顯示，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格表面頂點(diǎn)集合的繪制以及面片貼圖的渲染，得到逼近真實(shí)的效果。網(wǎng)格主要包含以下信息：①頂點(diǎn)信息：網(wǎng)格的頂點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)組，用于標(biāo)記頂點(diǎn)的空間位置；②法線信息：用于控制場(chǎng)景中光線的傳播特性；③頂點(diǎn)顏色：頂點(diǎn)的渲染顏色；④紋理頂點(diǎn)信息：記錄了網(wǎng)格頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)信息，用于紋理映射；⑤面片信息：存儲(chǔ)了網(wǎng)格的面片屬性，主要存儲(chǔ)每個(gè)面片的各頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)索引、法線索引以及紋理頂點(diǎn)索引等信息。

1.4 動(dòng)畫(huà)角色轉(zhuǎn)換工具的優(yōu)勢(shì)

目前還沒(méi)有找到即包含動(dòng)畫(huà)角色的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)又包含模型數(shù)據(jù)且以明文方式存儲(chǔ)的文件格式，動(dòng)畫(huà)轉(zhuǎn)換工具導(dǎo)出的自定義格式的文件包含有這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)，很大程度上方便了研究人員進(jìn)行動(dòng)畫(huà)角色方面的算法研究。動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具將動(dòng)畫(huà)角色從常用建模軟件3ds max中導(dǎo)出為自定義格式的文件，經(jīng)過(guò)動(dòng)畫(huà)角色算法操作后，產(chǎn)生新的文件，再通過(guò)動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具導(dǎo)入回3ds max中。轉(zhuǎn)換工具的這一功能使產(chǎn)生的新模型可以跟外界常用的模型文件格式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，如圖3所示。例如可以將產(chǎn)生的新模型通過(guò)3ds max為媒介轉(zhuǎn)換為OGRE引擎所支持的mesh格式，從而將模型用于游戲制作中。

動(dòng)畫(huà)角色常用的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)表示方法有旋轉(zhuǎn)矩陣、歐拉角和四元數(shù)3種，max SDK提供的標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)接口是以矩陣形式表示的，并且提供了矩陣與歐拉角、四元數(shù)相互轉(zhuǎn)換的方法。動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具支持這3種表示方法的導(dǎo)出與導(dǎo)入，這3種運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)表示方法各有利弊，增加動(dòng)畫(huà)角色轉(zhuǎn)換工具的通用性。

2 系統(tǒng)整體介紹

3ds max作為目前流行的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件，其SDK[6]提供了豐富的接口進(jìn)行動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與導(dǎo)入。動(dòng)畫(huà)角色的數(shù)據(jù)包括以下3個(gè)部分：骨骼運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，網(wǎng)格紋理數(shù)據(jù)，蒙皮數(shù)據(jù)。本文所提出的動(dòng)畫(huà)角色轉(zhuǎn)換工具包括對(duì)這3個(gè)部分的導(dǎo)出與導(dǎo)入，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具

2.1 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與導(dǎo)入

Interface類是max SDK提供的獲取3ds max中數(shù)據(jù)信息的一個(gè)接口，通過(guò)此接口可以導(dǎo)出與導(dǎo)入大部分動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)。圖4為與動(dòng)畫(huà)角色運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)相關(guān)的一些主要方法。

圖4 Interface類運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)相關(guān)的一些方法

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是動(dòng)畫(huà)角色骨架的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，骨骼節(jié)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的載體。通過(guò)max SDK的節(jié)點(diǎn)類提供的類層次關(guān)系的方法，對(duì)場(chǎng)景中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，判斷節(jié)點(diǎn)類型，獲取到所有骨骼節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而獲取到動(dòng)畫(huà)角色所有骨骼節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；也可以創(chuàng)建骨骼節(jié)點(diǎn)構(gòu)建出這種父子層次關(guān)系結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。如圖5為節(jié)點(diǎn)類層次關(guān)系的一些主要方法。

圖5 INode類層次關(guān)系的一些主要方法

通過(guò)獲取到的場(chǎng)景根節(jié)點(diǎn) RootNode，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的父子層次關(guān)系進(jìn)行遍歷，得到場(chǎng)景中所有的節(jié)點(diǎn)。3ds max里的對(duì)象存在對(duì)象標(biāo)識(shí)符Class_ID，對(duì)象標(biāo)識(shí)符用來(lái)標(biāo)志節(jié)點(diǎn)屬于哪種類型，例如三角網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)用TRIOBJ_CLASS_ID標(biāo)志，Bone骨骼節(jié)點(diǎn)用BONE_OBJ_CLASSID標(biāo)志，bip骨骼節(jié)點(diǎn)用 BIPSLAVE_CONTROL_CLASS_ID或者BIPBODY_CONTROL_CLASS_ID標(biāo)志。在3ds max中存在兩種骨骼，Bone骨骼與bip骨骼，對(duì)遍歷得到節(jié)點(diǎn)的對(duì)象標(biāo)識(shí)符類型判斷，可以獲取到場(chǎng)景中所有的骨骼節(jié)點(diǎn)。從而得到場(chǎng)景中所有骨骼每一幀的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。骨骼運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)有3種表現(xiàn)形式，矩陣，四元數(shù)，歐拉角，這3種運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)都存在一定的利弊，用戶可以根據(jù)自己的研究需要選擇 1種進(jìn)行導(dǎo)出。偽代碼描述如下：

//獲取骨骼節(jié)點(diǎn)

//獲取3種類型運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

for (int time = 0;time ＜= numFrame;time++)

骨骼運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入主要是骨骼節(jié)點(diǎn)父子層次結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建與運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的錄制。具體可以分為以下4個(gè)部分進(jìn)行：

（1）調(diào)用CreateInstance()創(chuàng)建骨骼對(duì)象pBone，并通過(guò)CreateObjectNode(pBone)關(guān)聯(lián)到節(jié)點(diǎn)；

（2）通過(guò)INode的方法構(gòu)建出骨骼節(jié)點(diǎn)父子層次關(guān)系；

（3）調(diào)用AnimateOn()函數(shù)開(kāi)啟動(dòng)畫(huà)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的錄制；

（4）讀取運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)錄制；

（5）錄制完后調(diào)用函數(shù)ResumeAnimate()重新開(kāi)啟動(dòng)畫(huà)完成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的錄制。

2.2 網(wǎng)格紋理數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與導(dǎo)入

網(wǎng)格在 max SDK中的代表的類為 Mesh，Mesh類有專門(mén)的Face類描述，F(xiàn)ace類記錄了1個(gè)面片的3個(gè)頂點(diǎn)在網(wǎng)格頂點(diǎn)數(shù)組、材質(zhì)頂點(diǎn)、法線中的索引。而在 Mesh類中，面片數(shù)組為faces，它是一個(gè) Face類型的數(shù)組。另外網(wǎng)格還有材質(zhì)、法線等信息。紋理數(shù)據(jù)定義材質(zhì)如何在網(wǎng)格上顯示，使模型更加漂亮有真實(shí)感，文獻(xiàn)[7]中很詳細(xì)地介紹了網(wǎng)格模型的導(dǎo)出過(guò)程。圖6給出了用來(lái)導(dǎo)出導(dǎo)入Mesh的主要方法。

圖6 Mesh相關(guān)方法

網(wǎng)格對(duì)象Mesh通過(guò)Interface從場(chǎng)景中獲得，通過(guò)Mesh的相關(guān)方法能夠獲取到網(wǎng)格對(duì)象的網(wǎng)格頂點(diǎn)、法線、材質(zhì)、面片等信息，完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。Mesh網(wǎng)格中的面片均為三角形，通過(guò)TriObject可以創(chuàng)建出網(wǎng)格對(duì)象，并調(diào)用網(wǎng)格類的setNumFace等方法完成網(wǎng)格數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。

2.3 蒙皮數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與導(dǎo)入

蒙皮是骨骼與網(wǎng)格模型之間的一座橋梁，使骨骼的運(yùn)動(dòng)能夠驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格模型產(chǎn)生相應(yīng)的變化。蒙皮在max SDK中以蒙皮類ISkin表示，蒙皮類中存在ISkinContextData與ISkinImportData兩個(gè)對(duì)象。ISkinContextData對(duì)象提供了一個(gè)接口以獲取蒙皮數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以頂點(diǎn)蒙皮權(quán)重表的形式存儲(chǔ)。每一個(gè)頂點(diǎn)都包含了影響這個(gè)頂點(diǎn)的骨骼索引及其對(duì)應(yīng)的影響權(quán)重值。ISkinImportData接口用于向蒙皮修改器中導(dǎo)入蒙皮數(shù)據(jù)，包括添加蒙皮的骨骼節(jié)點(diǎn)、設(shè)置頂點(diǎn)的蒙皮權(quán)重等。通過(guò)蒙皮類的這兩個(gè)對(duì)象即可完成蒙皮數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與導(dǎo)入。

3 結(jié)果驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具的目的是方便研究人員進(jìn)行對(duì)動(dòng)畫(huà)角色算法進(jìn)行全面的研究。因此需要驗(yàn)證沒(méi)有經(jīng)過(guò)外部算法對(duì)數(shù)據(jù)文件影響的情況下，經(jīng)過(guò)該工具轉(zhuǎn)換的動(dòng)畫(huà)角色不會(huì)發(fā)生動(dòng)作與網(wǎng)格模型的變化。圖 7(a)為動(dòng)畫(huà)角色導(dǎo)出前的原始效果，圖 7(b)為通過(guò)動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換后的效果，其中數(shù)字代表當(dāng)前幀號(hào)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前后對(duì)比可以看出動(dòng)畫(huà)角色經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，動(dòng)作數(shù)據(jù)與網(wǎng)格模型沒(méi)有發(fā)生改變，因此該工具是正確有效的。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文從方便三維動(dòng)畫(huà)角色算法研究的角度出發(fā)，定義了一種動(dòng)畫(huà)角色文件格式，開(kāi)發(fā)了此文件格式動(dòng)畫(huà)角色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，并對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。此工具是針對(duì)做動(dòng)畫(huà)角色算法研究人員所開(kāi)發(fā)的，使用該工具可以幫助研究人員很方便的從常用建模軟件導(dǎo)出動(dòng)畫(huà)角色的骨骼運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)，使研究人員可以集中時(shí)間在算法的研究上，大大減輕了研究人員的負(fù)擔(dān)。

圖7 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換的動(dòng)畫(huà)角色前后對(duì)比圖

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