謝娟

摘? 要： 傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫建模方法獲取的三維動(dòng)畫信息不全面，導(dǎo)致三維動(dòng)畫連續(xù)性差。基于此，提出并設(shè)計(jì)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維動(dòng)畫建模方法。首先利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對三維動(dòng)畫場景中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編組，計(jì)算三維動(dòng)畫場景節(jié)點(diǎn)坐標(biāo);其次確定三維動(dòng)畫中物體的表面特征，全面搜索動(dòng)畫場景圖像的點(diǎn)集，獲取三維動(dòng)畫中所有場景的深度信息;最后對三維動(dòng)畫進(jìn)行精簡處理，完成三維動(dòng)畫建模設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維動(dòng)畫建模方法相比傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫建模方法連續(xù)性更強(qiáng)，同時(shí)可全面展現(xiàn)三維動(dòng)畫信息。

關(guān)鍵詞： 三維動(dòng)畫建模; 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 節(jié)點(diǎn)編組; 坐標(biāo)計(jì)算; 場景劃分; 對比驗(yàn)證

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

近年來，三維動(dòng)畫技術(shù)發(fā)展迅速，能夠通過建立角色、實(shí)物、場景的三維數(shù)據(jù)，讓三維數(shù)據(jù)在某個(gè)空間內(nèi)通過一定的軌跡和動(dòng)作進(jìn)行活動(dòng)?，F(xiàn)階段，多數(shù)三維動(dòng)畫建模方法獲取的是動(dòng)畫場景表面的部分信息，以觀察者為中心對動(dòng)畫場景進(jìn)行描述，難以呈現(xiàn)動(dòng)畫場景的深度信息。由于獲取信息不完全，導(dǎo)致三維動(dòng)畫建模出現(xiàn)連續(xù)性差的問題，如何將動(dòng)畫場景后的詳細(xì)信息提取出來，以保證三維動(dòng)畫的連續(xù)性，已經(jīng)成為目前亟需解決的問題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的多視點(diǎn)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維環(huán)境，該三維環(huán)境可以對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行描述，還能夠建立超越現(xiàn)實(shí)的虛構(gòu)世界。操作者能夠通過看、聽、摸等感官，對自然技能和人的思維方式模擬，將人類代入環(huán)境交互中。在實(shí)際操作中，操作者為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源的形式存在于虛擬環(huán)境中，在其中人為行為主體，是一種全新的人機(jī)交互方式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在衛(wèi)生、教育、軍事、醫(yī)學(xué)等方面都有廣泛的應(yīng)用，因此將其應(yīng)用到三維動(dòng)畫建模中，具有重要意義。此次設(shè)計(jì)方法對三維動(dòng)畫場景節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息與幾何信息結(jié)合，完成三維動(dòng)畫建模設(shè)計(jì)。

1? 三維動(dòng)畫場景節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

三維動(dòng)畫場景即由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的虛擬模型[1]，建模過程中通過計(jì)算三維動(dòng)畫場景的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，保證三維動(dòng)畫的連續(xù)性[2?3]。利用節(jié)點(diǎn)描述三維動(dòng)畫場景中各個(gè)模型的顏色、外形和材質(zhì)等，構(gòu)建三維動(dòng)畫場景節(jié)點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

對三維動(dòng)畫場景中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編組處理，假設(shè)[m，n]為[t]在動(dòng)畫場景圖像中的像素坐標(biāo)[4]，[Xa，Ya，Za]為動(dòng)畫場景圖像中對應(yīng)點(diǎn)的世界坐標(biāo)系[5]下的三維坐標(biāo)，將三維動(dòng)畫場景描述為：

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獲取三維動(dòng)畫場景中節(jié)點(diǎn)編組的場景尺度[6]，公式如下：

式中：[Cx]為三維動(dòng)畫場景中x的軸的場景尺度;[ai，k]為三維動(dòng)畫場景的中心像素點(diǎn);[z]為動(dòng)畫場景節(jié)點(diǎn)。

利用式（2）完成三維動(dòng)畫節(jié)點(diǎn)編組，根據(jù)節(jié)點(diǎn)編組結(jié)果，將復(fù)雜的場景按照分布的區(qū)域[7]劃分成很多小單位，最后再通過分組節(jié)點(diǎn)將其整合，具體劃分過程見圖2。

根據(jù)場景劃分結(jié)果，對三維動(dòng)畫場景節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算，假設(shè)[n]代表編組完成的三維動(dòng)畫場景節(jié)點(diǎn)，利用迭代形式，徑向[8]、切向畸變補(bǔ)償三維動(dòng)畫場景圖像，假設(shè)[gsdf]代表三維動(dòng)畫場景中的徑向畸變分量，[φ]代表三維動(dòng)畫場景中的切向畸變分量，則其表達(dá)式為：

式中：[t2+km]代表三維動(dòng)畫場景圖像的畸變相對值;[d2]代表圖像線性畸變參數(shù);[kr2]代表圖像畸變分量。

將上述三維動(dòng)畫圖像的徑向畸變和切向畸變分量多次迭代，得到關(guān)于三維動(dòng)畫場景圖像節(jié)點(diǎn)在該深度方向的深度坐標(biāo)值[9]，以此完成三維動(dòng)畫場景節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算，為三維動(dòng)畫建模提供基礎(chǔ)。

2? 三維動(dòng)畫建模

在上述三維動(dòng)畫場景節(jié)點(diǎn)計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[10]對三維動(dòng)畫建模。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征如圖3所示。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表示三維動(dòng)畫的幾何信息，定義三維動(dòng)畫中物體的表面特征[11]，取三維動(dòng)畫場景中圖像像素點(diǎn)的均值，得到該三維動(dòng)畫場景圖像的相同像素點(diǎn)組成的圖像[Ix，y]：

通過式（4），利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)描述三維動(dòng)畫的幾何信息，結(jié)合三維動(dòng)畫的幾何信息[6]與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置，全面搜索動(dòng)畫場景圖像的點(diǎn)集[12]，尋找三維動(dòng)畫場景圖像點(diǎn)集與點(diǎn)集之間的最優(yōu)變換關(guān)系，獲取三維動(dòng)畫中所有場景的深度信息[f]：

式中：[N]為動(dòng)畫場景圖像表鄰域中點(diǎn)總數(shù);[r]為動(dòng)畫場景圖像的特征點(diǎn);[yi]為三維向量樣本點(diǎn);[t]為三維動(dòng)畫場景點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并因子。

通過上述過程，得到三維動(dòng)畫場景的深度信息，在上述配準(zhǔn)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量冗余的動(dòng)畫場景圖像特征點(diǎn)[11]。因此，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對三維場景圖像點(diǎn)云進(jìn)行合并，假設(shè)[q]代表場景圖像三維空間中的一個(gè)三維向量樣本點(diǎn)，利用式（6）對三維動(dòng)畫場景圖像點(diǎn)云的數(shù)據(jù)精簡，得到三維動(dòng)畫場景圖像點(diǎn)云量的總數(shù)[dsE，s]：

式中：[?]為三維動(dòng)畫場景某點(diǎn)的點(diǎn)云值;[s]，[n]分別為三維空間中的圖像點(diǎn)值。

通過上述過程對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的三維動(dòng)畫精簡處理，在此基礎(chǔ)上，將建模坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)，變換過程中利用單個(gè)表面部分描述空間方向信息[13]，信息轉(zhuǎn)換來源于頂點(diǎn)坐標(biāo)值和多邊形所在的平面方程，平面方程表示為：

式中，[AX]，[BY]，[CZ]代表平面內(nèi)任何一點(diǎn)。

通過上述過程，完成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成三維動(dòng)畫的模型元件，最后將三維動(dòng)畫建模場景輸出，以此完成最終的三維動(dòng)畫建模設(shè)計(jì)。

3? 實(shí)驗(yàn)對比

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維動(dòng)畫建模方法的有效性，將傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫建模方法與此次設(shè)計(jì)的建模方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，對比兩種建模方法三維動(dòng)畫的連續(xù)性。

3.1? 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

采用CCD攝像機(jī)多角度拍攝的5組動(dòng)畫場景圖像序列作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，動(dòng)畫場景圖像分辨率為[380×600] dpi，分別使用傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫建模方法與此次設(shè)計(jì)的三維動(dòng)畫建模方法對實(shí)驗(yàn)圖像建模。實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置見表1。

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與建模數(shù)據(jù)存在格式上的差異，為減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，對實(shí)驗(yàn)三維動(dòng)畫的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，獲取動(dòng)畫場景圖像第[k]組對應(yīng)點(diǎn)在變換之后的距離差[Gk]：

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由DF?ET軟件生成，5組動(dòng)畫場景中的數(shù)據(jù)由少至多，對比在動(dòng)畫場景多和少情況下的三維動(dòng)畫模型的連續(xù)性，實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如圖4所示。

分析上述實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果可知，在三維動(dòng)畫場景較少時(shí)，傳統(tǒng)的建模方法能夠保證較好的模型連續(xù)性，隨著三維動(dòng)畫場景增多，傳統(tǒng)建模方法的模型連續(xù)性逐漸降低。而此次設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維動(dòng)畫建模方法在三維動(dòng)畫場景多與少的情況下，都能保證較好的連續(xù)性，主要是因?yàn)樵诶锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行三維動(dòng)畫場景建模中，能獲取更多的三維場景信息;同時(shí)，根據(jù)三維動(dòng)畫特征與三維點(diǎn)云之間的關(guān)系得到動(dòng)畫場景的三維特征點(diǎn)，完成三維動(dòng)畫的精確配準(zhǔn)，從而保持較高的連續(xù)性。

4? 結(jié)? 語

首先利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對三維動(dòng)畫場景中的節(jié)點(diǎn)編組，獲取三維動(dòng)畫場景節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息，然后利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)定義三維動(dòng)畫中物體的表面特征，全面搜索動(dòng)畫場景圖像的點(diǎn)集，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成三維動(dòng)畫的模型元件，完成三維動(dòng)畫建模。實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維動(dòng)畫建模方法比傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫建模方法連續(xù)性更強(qiáng)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

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