趙偉

摘 要： 針對傳統(tǒng)基于進(jìn)化計算的三維動漫人物設(shè)計方法存在表情僵硬、行動不靈活的缺點，提出基于VR技術(shù)的動漫人物三維設(shè)計方法。其從客觀存在的物理層面與主體審美的精神層面分析虛擬現(xiàn)實觀，基于虛擬現(xiàn)實觀圖解，融合VR技術(shù)與動漫人物三維設(shè)計技術(shù)，獲取三維動漫虛擬系統(tǒng)設(shè)計流程。通過鼠標(biāo)雙擊地面的形式促使動漫人物在場景中行走，把文本輸入到文本框中，實現(xiàn)三維動漫人物相互溝通式漫游；設(shè)置虛擬動漫人物角色運(yùn)動、碰撞檢測等基本屬性，確保動漫人物能夠自動計算障礙物的躲避路徑。通過對相機(jī)實施動漫人物跟蹤模式、飛行操作模式、雙重模式的設(shè)置，確保人物通過控制相機(jī)實現(xiàn)動漫場景的漫游。實驗結(jié)果表明，所提方法設(shè)計的動漫人物行動靈活、表情生動逼真、用戶滿意度高。

關(guān)鍵詞： VR技術(shù)； 動漫人物； 三維設(shè)計； 碰撞檢測； 虛擬現(xiàn)實觀； 相機(jī)控制

中圖分類號： TN911.23?34； J218.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0172?04

Abstract： In allusion to the disadvantages of rigid expression and inflexible actions existing in the traditional 3D cartoon character design method based on evolutionary computation， a cartoon character 3D design method based on VR technology is proposed. The virtual reality view is analyzed from the physical level of objective reality and the spiritual level of subjective aesthetic. The design process of the 3D animation virtual system is obtained on the basis of virtual reality view diagrammatization and by integrating the VR technology with the cartoon character 3D design technology. Cartoon characters are made to walk in the scene by using the form of double clicking the ground， and texts are input into a text box， so as to realize intercommunicated roaming of 3D cartoon characters. Virtual cartoon character movement， collision detection and other basic properties are set to ensure that cartoon characters can automatically calculate the path to avoid obstacles. The double modes of cartoon character tracking mode and flight operation mode are set for the camera to ensure that the cartoon scene roaming can be realized by the character′s control of the camera. The experimental results show that the cartoon characters designed by the proposed method are flexible in action， vivid in expression and have high user satisfaction.

Keywords： VR technology； cartoon character； 3D design； collision detection； virtual reality view； camera control

0 引 言

伴隨著數(shù)字化信息社會的到來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生且被廣泛的應(yīng)用[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過觸覺、視覺、聽覺等感知活動呈現(xiàn)出真實、立體的畫面，來滿足人們對于虛幻的體驗、好奇心的解答等需求。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互性、自主性等特點，其多應(yīng)用在醫(yī)學(xué)模擬手術(shù)、娛樂觀影體驗、室內(nèi)裝修效果展示以及三維動漫設(shè)計等領(lǐng)域。同樣數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展帶動了動漫產(chǎn)業(yè)的繁榮，動漫是我國文化產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，動漫三維設(shè)計在網(wǎng)絡(luò)游戲、卡通動畫、多媒體產(chǎn)品方面應(yīng)用較廣，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要力量。為大力發(fā)展三維動畫產(chǎn)業(yè)，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可實現(xiàn)多方位的三維展示性能。本文提出基于VR技術(shù)的動漫人物三維設(shè)計方法，其是高科技工具與藝術(shù)思維的結(jié)合形成一種嶄新的藝術(shù)表現(xiàn)形式[2]，使得動漫制作的科技水平飛速提升，呈現(xiàn)的動漫效果更加生動、立體，促進(jìn)了動漫產(chǎn)業(yè)的再生與發(fā)展。

1 基于VR技術(shù)的動漫人物三維設(shè)計

1.1 虛擬現(xiàn)實觀

本文研究的VR技術(shù)就是時下比較流行的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。人們一般意義上的時空觀與單向接受的審美方式逐漸被改變，主要是因為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，使人們的感官領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，甚至改變了人們感知體驗事物的方法與態(tài)度。技術(shù)的飛速發(fā)展并廣泛應(yīng)用，使得人們認(rèn)知世界的態(tài)度與觀念發(fā)生巨大變化，并且觀念的改變又推動技術(shù)的不斷革新。虛擬現(xiàn)實技術(shù)下形成的一種理念可稱作虛擬現(xiàn)實觀。另一種理解是，人們?yōu)闈M足自身虛幻的體驗、精神的渴望以及夢想的實現(xiàn)而進(jìn)行的一種精神體驗。僅僅把“虛擬”“現(xiàn)實”兩個詞語合并得到的并不是這里所說的虛擬現(xiàn)實。本文研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)是整體存在，它所包括的東西比一般客觀物理現(xiàn)實更加飽滿，含概一些虛擬元素，類似一種似是而非的客觀存在。虛擬現(xiàn)實觀主要從兩個層面向人們描述人物、景觀等場景創(chuàng)作，也就是客觀存在的物理層面與主體審美的精神層面，界面消融的新技術(shù)觀、虛擬現(xiàn)實的新藝術(shù)觀、能動體驗的審美觀共同構(gòu)成了這兩個精神層面[3]。圖1對虛擬現(xiàn)實觀進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

為滿足人們對于虛幻世界體驗的形式與要求，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在景觀與人物等客觀存在事物的基礎(chǔ)上融入更多的虛擬元素，給體驗者呈現(xiàn)出不一樣的畫面感。在這種新的體驗形式中，人們能夠獲取到不一樣的感官、視覺體驗，也是一個滿足好奇心理、探索求知、獲取樂趣的一個過程，人們通過一種簡單自然的方式從看、聽、觸方面感知虛擬現(xiàn)實世界，豐富了想象力與自主體驗、增強(qiáng)了智慧與創(chuàng)造性。以上內(nèi)容作為本文的理論基礎(chǔ)，接下來會對基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的動漫人物三維設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)研究。

1.2 三維動漫虛擬系統(tǒng)設(shè)計流程

數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展帶動了虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維動漫設(shè)計的飛躍進(jìn)步，海量功能強(qiáng)大且性能優(yōu)良的軟、硬件動漫設(shè)計產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。在嚴(yán)格分析兩者特性的基礎(chǔ)上，本文對VR技術(shù)與動漫人物三維設(shè)計技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了深入的研究，給出三維動漫虛擬系統(tǒng)的設(shè)計流程[4]，圖2對其進(jìn)行詳細(xì)的描述。

分析圖2可得，三維模型設(shè)計、動作捕捉系統(tǒng)以及動漫人物的制作是動漫人物與場景制作的三大主體部分，而虛擬與現(xiàn)實技術(shù)和動漫三維人物的設(shè)計又是相輔相成的關(guān)系。整個設(shè)計系統(tǒng)把動漫技術(shù)、VR設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等進(jìn)行了合理的歸納，整個系統(tǒng)主體是運(yùn)動捕捉技術(shù)、交互式輸入設(shè)備、立體投射技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)虛擬平臺。體驗者在進(jìn)行成品三維動漫觀看的過程中，不僅可以看到各種身臨其境的場景與人物，還能夠參與到具體的場景中去，以自身的視角在動漫中遨游，獲取不一樣的觀看體驗。該系統(tǒng)把VR技術(shù)與動漫人物三維設(shè)計相結(jié)合，制作的動漫人物具有參與感強(qiáng)、實時效果優(yōu)等特點[5]。

1.3 三維動漫人物的漫游

基于VR技術(shù)對三維動漫人物進(jìn)行設(shè)計，通過鼠標(biāo)雙擊地面的形式促使人物在場景中行走，操控方向鍵決定攝像機(jī)的方向。第一人稱自主參觀場景是通過攝像機(jī)對準(zhǔn)人物的方式來實現(xiàn)的[6]。操控人物的行走方向還可以通過點擊場景中的景點、事物來實現(xiàn)。基于VR技術(shù)的動漫人物漫游開啟了一種全新的漫游方式，在具體的過程中，基于網(wǎng)頁與Virtools的虛擬系統(tǒng)，人物之間的對話以及在游戲中與非玩家人物的對話是通過以下步驟呈現(xiàn)出來的：把文本輸入到文本輸入框中，發(fā)揮服務(wù)器程序的作用將其存儲到數(shù)據(jù)庫，Virtools進(jìn)行數(shù)據(jù)接收通過文本的方式呈現(xiàn)出來，在本地的硬盤中實現(xiàn)存儲與讀取。在游戲中，通過點擊非玩家人物與其進(jìn)行對話，能夠獲取到游戲下一步任務(wù)等相關(guān)信息。當(dāng)遇到可操控對象時，可以與其進(jìn)行一系列交互動作，比如移動等，圖3為詳細(xì)的動物人物漫游設(shè)計流程。

1.4 虛擬動漫人物運(yùn)動以及碰撞檢測

控制用戶的虛擬人物就是直接控制人物，通過第三人稱的形式使得用戶的操作更加便捷。本文基于VR技術(shù)設(shè)計的動漫三維人物是通過鼠標(biāo)進(jìn)行操控[7]。采用wait message + 2D picking + set position + character go to行為模塊確保通過鼠標(biāo)點擊地面推進(jìn)人物向目標(biāo)方向行走，點擊位置的坐標(biāo)是通過wait message的onclick信息對2D picking進(jìn)行激活得到的，目標(biāo)參考對象的位置是根據(jù)采用set position加載2D picking得到的坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的。人物的簡單操控可以通過character go to指定人物的目標(biāo)參考對象實現(xiàn)，但是這種操作下的人物沒有判斷與躲避障礙物的功能。為了解決這一問題，三維動漫設(shè)計采用網(wǎng)格塑造障礙層，設(shè)定好障礙區(qū)域，把層滑動添加到人物中，也可以采用網(wǎng)格路徑求解的方式獲取路徑并將其添加到人物跟隨網(wǎng)格路徑，最終動漫人物能夠在障礙層網(wǎng)格上自動計算障礙物的躲避路徑[8]，實現(xiàn)有效躲避障礙物。

1.5 相機(jī)的控制

動漫人物視角的控制是通過相機(jī)實現(xiàn)的，動漫人物在漫游的過程中要重視相機(jī)視角的設(shè)置，相機(jī)相當(dāng)于人物的眼睛，萬一出現(xiàn)操作不當(dāng)?shù)臓顩r很有可能導(dǎo)致受眾退出的結(jié)果。所以用戶的需求是第一位的，為保證這一點，對相機(jī)進(jìn)行了跟蹤人物與飛行操作雙重模式的設(shè)置：動漫人物跟蹤模式，就是相機(jī)會對動漫人物進(jìn)行實時跟蹤，人物是相機(jī)注視的對象，動漫人物的一舉一動都會被相機(jī)記錄下來。設(shè)置人物是相機(jī)的注視目標(biāo)，令它們之間的長度是等量的，發(fā)揮相機(jī)方向、保持固定距離兩種功能的作用，這樣只是簡單的程序設(shè)計，存在諸多缺點，在相機(jī)與人物保持一定距離的情況下，導(dǎo)致動漫人物活動不靈活，極度受限[9]。

本文通過改進(jìn)保持固定距離的方式優(yōu)化系統(tǒng)功能使得動漫人物既能靈活操作，又能達(dá)到相機(jī)與動漫人物距離不變的目的。具體做法是：在限定的領(lǐng)域中，人物是相機(jī)的注視目標(biāo)，相機(jī)不會對人物跟進(jìn)采取措施，若超出這個范圍，相機(jī)智能地對人物進(jìn)行跟進(jìn)。若相機(jī)離人物太遠(yuǎn)，突然跟進(jìn)的話動作幅度很大，易引起人物的反感，因此，相機(jī)回到人物身邊這一動作會在時間上有個延遲，則放緩相機(jī)運(yùn)行的腳步。跟拍相機(jī)控制程序如圖4所示。

飛行操作模式，即動漫人物無須時刻被相機(jī)追蹤，同時不被動漫人物所限的一種操作模式[10]。相機(jī)會順著一條路徑進(jìn)行運(yùn)動，人物可以通過控制相機(jī)實現(xiàn)場景的漫游。被注視對象不會限制相機(jī)的活動，使得相機(jī)的操作更加靈活、便捷。

2 實驗分析

為了驗證本文提出的基于VR技術(shù)的動漫人物三維設(shè)計方法更加逼真、生動，展開實驗分析。實驗通過讓公眾參與到動漫三維創(chuàng)作中的方式，獲取公眾對于虛擬現(xiàn)實的理解與評價，便于對設(shè)計的作品加以改進(jìn)。主要內(nèi)容是實施多次問卷調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果對作品進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)。以三種三維動漫作品方案為例，對公眾的想法展開調(diào)查，來驗證本文提出的基于VR技術(shù)的動漫人物三維設(shè)計方法的優(yōu)勢，并將傳統(tǒng)基于進(jìn)化計算方法作為對比分析方法。

2.1 不同方法的設(shè)計效果對比

眼動儀，采樣頻率為500 Hz；兩臺計算機(jī)，監(jiān)控實驗過程與記錄實驗數(shù)據(jù)的任務(wù)由主機(jī)來完成，三種方案由另一臺計算機(jī)呈現(xiàn)，利用以太網(wǎng)將兩臺機(jī)器進(jìn)行連接。通過視頻轉(zhuǎn)換設(shè)備將主機(jī)與配有1394卡的記錄機(jī)器進(jìn)行連接，確保被試操作軟件的過程及眼動數(shù)據(jù)信息連接在一起，以視頻格式存儲起來。為驗證本文方法設(shè)計的動漫人物設(shè)計更加生動真實，實驗以本文方法設(shè)計的歷史人物公孫龍為例，對資深游戲公司人物設(shè)計師與歷史學(xué)教授展開咨詢與訪問。

2.2 實驗結(jié)果分析

為了驗證本文方法設(shè)計的動漫人物設(shè)計更加生動真實，實驗以本文方法設(shè)計的歷史人物公孫龍為例，對資深游戲公司人物設(shè)計師與歷史學(xué)教授展開咨詢與訪問，詳細(xì)的調(diào)研情況匯總表如表1所示。

表1能夠清晰地描述出兩位專業(yè)人士對于本文方法設(shè)計下的動漫人物形象的真實評論，實驗的結(jié)果表明，本文方法設(shè)計的動漫人物更加真實、生動。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，使人們的感官領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，甚至改變了人們感知體驗事物的方法與態(tài)度。本文提出基于VR技術(shù)的動漫人物三維設(shè)計方法，其能夠呈現(xiàn)出身臨其境的效果，設(shè)計的動漫人物形象生動、逼真，滿足用戶追逐夢想、體驗虛幻世界的需求，為三維動漫設(shè)計提供了先進(jìn)、強(qiáng)大的技術(shù)支持，是制作出優(yōu)良動漫作品的保障。

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