金文玥

摘? 要： 為提升虛擬場(chǎng)景中的逼真視覺體驗(yàn)效果，對(duì)三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)中的角色進(jìn)行建模與行為控制。在POSER軟件內(nèi)創(chuàng)建三維虛擬動(dòng)畫角色模型，在3D軟件內(nèi)創(chuàng)建三維虛擬動(dòng)畫角色骨骼并對(duì)骨骼進(jìn)行蒙皮，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫角色建模。通過(guò)骨骼動(dòng)畫技術(shù)模擬角色運(yùn)動(dòng)行為，在3D軟件中調(diào)整動(dòng)作并驅(qū)動(dòng)骨骼。通過(guò)3D軟件中的運(yùn)動(dòng)信息、關(guān)鍵幀設(shè)置及足跡等為動(dòng)畫設(shè)計(jì)中所需角色模型的骨骼增添所需動(dòng)作。采用Implement Gain about（）函數(shù)操控虛擬角色動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)角色模型的行為控制。將所研究方法應(yīng)用于滅火救援三維虛擬動(dòng)畫仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明，此方法創(chuàng)建的消防員模型紋理數(shù)高、更清晰逼真、誤差低、建模精準(zhǔn)，且行為控制準(zhǔn)確，模型運(yùn)行順暢，整體效果理想。

關(guān)鍵詞： 三維虛擬; 動(dòng)畫設(shè)計(jì); 角色建模; 行為控制; 蒙皮操作; 動(dòng)畫技術(shù); 運(yùn)動(dòng)行為

中圖分類號(hào)： TN915.43?34; TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）17?0110?05

Abstract： The characters in the 3D virtual animation design are subjected to modeling and behavior control to improve the effect of realistic visual experience in the virtual scene. The 3D virtual animation character model is created in the POSER software， and the 3D virtual animation character skeleton is created in the 3D software and the skeleton is subjected to skinning to achieve animation character modeling. The skeletal animation technology is used to simulate the role motion behavior， adjust action and drive skeleton in the 3D software. The motion information， key frame setting and footprint in the 3D software are used to add required action for the skeleton of required role model in the design. The Implement Gain about（） function is adopted to manipulate virtual character movement to control the behavior of role models. The proposed method is applied to the 3D virtual animation simulation teaching experiment of fire fighting and rescue. The experimental results show that the firefighter model created with this method has a large number of textures， which is clearer and more realistic. The model is of low error， accurate modeling and exact behavior control， smooth operation and ideal overall effect.

Keywords： 3D virtual; animation design; role modeling; behavior control; skinning operation; animation technology; movement behavior

0? 引? 言

虛擬動(dòng)畫技術(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的快速發(fā)展已然成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。虛擬動(dòng)畫技術(shù)屬于一種體驗(yàn)虛擬空間的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，通過(guò)結(jié)合仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)等為用戶提供虛擬空間，提升用戶的感官享受，體驗(yàn)身臨其境的真實(shí)感受[1?2]。

目前，此技術(shù)已應(yīng)用于更多領(lǐng)域，如娛樂游戲、虛擬教學(xué)、影視媒體、醫(yī)療及旅游等各領(lǐng)域，逐漸成為人們生活與工作中不可缺少的一部分[3]。

虛擬動(dòng)畫技術(shù)中的關(guān)鍵部分即實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中角色模型的漫游，而實(shí)現(xiàn)此目的首先應(yīng)完成虛擬動(dòng)畫場(chǎng)景中的角色建模與行為控制[4]。其中用來(lái)模擬虛擬動(dòng)畫場(chǎng)景角色模型內(nèi)部幾何性質(zhì)的抽象模型即為三維角色模型，此類模型以計(jì)算機(jī)通過(guò)特殊信息格式的方式保存;行為控制即以特定方式控制三維角色模型的動(dòng)作行為，令三維虛擬動(dòng)畫場(chǎng)景運(yùn)行更流暢[5?6]。本文通過(guò)三維角色建模對(duì)模型實(shí)行行為控制，提高三維虛擬動(dòng)畫的逼真流暢效果。

1? 三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)中角色建模與行為控制方法

1.1? 角色建模

創(chuàng)建骨骼系統(tǒng)三維模型是構(gòu)建虛擬角色的首要步驟，作為三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)平臺(tái)中工作基礎(chǔ)的三維角色建模工作，所創(chuàng)建的角色模型應(yīng)同時(shí)符合平臺(tái)實(shí)時(shí)閱覽特性及逼真的呈現(xiàn)效果[7]。在三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)中，需要用戶對(duì)角色模型的創(chuàng)建過(guò)程及方式精準(zhǔn)把控，為此造成角色建模的不易實(shí)現(xiàn)。

為了降低角色建模的難度，將建模過(guò)程中較為繁瑣的步驟適當(dāng)省掉，可采用已有的人物模型通過(guò)修改創(chuàng)建需要的角色模型，并將修改后的角色模型導(dǎo)入三維虛擬動(dòng)畫場(chǎng)景內(nèi)[8?9]。比如由弗朗科公司設(shè)計(jì)的POSER軟件，是三維人物創(chuàng)建模型的常用工具，可提供多種類別的人物模型，如男孩、女孩、成年男女及木偶形態(tài)骨骼的多種模型，為用戶創(chuàng)建角色模型提供幫助，且可通過(guò)軟件內(nèi)的工具欄將骨骼調(diào)整成用戶所需的骨骼類型。三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)平臺(tái)內(nèi)虛擬角色的建模步驟如下。

1） 在POSER軟件內(nèi)創(chuàng)建角色模型。三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)即為角色模型的創(chuàng)建，角色的形象特點(diǎn)與狀態(tài)通過(guò)角色模型展現(xiàn)，在此選用POSER 5.0版進(jìn)行角色建模。從角色模型庫(kù)內(nèi)挑選與三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)平臺(tái)所需角色相符的角色身體、面部及頭發(fā)等模型，對(duì)各模型實(shí)行拼接，并通過(guò)縮小尺寸、拼接及刪除等工具修正模型原始狀況。

為獲取所需角色模型，需在POSER軟件中修正POSER模型庫(kù)內(nèi)有限的三維資源，為后續(xù)的角色模型蒙皮環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。以3DMAX的格式導(dǎo)出調(diào)節(jié)好的角色模型，并將其導(dǎo)入3D軟件內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行模型的調(diào)整，為使模型可于特殊場(chǎng)景內(nèi)使用，應(yīng)在3D軟件內(nèi)通過(guò)蒙皮工具插件創(chuàng)建的角色模型進(jìn)行模型單位的調(diào)整。該模型后續(xù)將用于VT軟件內(nèi)實(shí)行縮小操作，因此，無(wú)需事先對(duì)該模型進(jìn)行縮小調(diào)整。由于角色模型并非以貼圖的格式向外導(dǎo)出，而是通過(guò)一種材質(zhì)格式經(jīng)蒙皮插件導(dǎo)出，所以在3D軟件內(nèi)無(wú)法直接以貼圖的形式導(dǎo)出該模型，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用2個(gè)角色模型，分別為擁有衣服與頭發(fā)的人物模型、面部非常清楚的臉部模型，如圖1所示。

在3D軟件內(nèi)進(jìn)行整體角色模型構(gòu)建時(shí)，先刪除其中一個(gè)人物模型的下半身，將其頭部模型保留，然后附加到另外一個(gè)臉部模型上，實(shí)現(xiàn)角色模型的創(chuàng)建。創(chuàng)建后的模型如圖2所示。

2） 3D軟件內(nèi)創(chuàng)建角色骨骼。通過(guò)3D軟件中的CAT插件實(shí)現(xiàn)角色骨骼的創(chuàng)建，CAT插件在對(duì)人體的行為動(dòng)作模仿時(shí)比3D軟件自有的骨骼系統(tǒng)更準(zhǔn)確。該軟件在創(chuàng)建角色骨骼時(shí)可通過(guò)直接拖動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)，并以刪除或者復(fù)制功能實(shí)現(xiàn)角色骨骼數(shù)量的增減，獲取所需角色骨骼模型。通過(guò)調(diào)節(jié)角色骨骼的大小，令其同已創(chuàng)建的角色模型對(duì)齊，為之后的角色骨骼動(dòng)作設(shè)計(jì)和角色骨骼蒙皮做準(zhǔn)備[10]。

3） 角色骨骼蒙皮。采用3D軟件中的premiere編輯器對(duì)角色骨骼進(jìn)行蒙皮操作。在工具面板上對(duì)角色骨骼的根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選取，調(diào)整角色骨骼上的封套。其中封套調(diào)整時(shí)應(yīng)將封套整體包進(jìn)自身骨骼中，不可牽涉到其余骨骼，是整個(gè)角色骨骼蒙皮操作環(huán)節(jié)內(nèi)最易出錯(cuò)的一環(huán)，若出現(xiàn)錯(cuò)誤將導(dǎo)致角色模型在行走時(shí)產(chǎn)生粘連或蒙皮面破損的問(wèn)題。由于蒙皮過(guò)程中出現(xiàn)差錯(cuò)的幾率較高，因此，調(diào)節(jié)后為檢測(cè)蒙皮效果，應(yīng)為角色骨骼設(shè)定一個(gè)幅度較大的動(dòng)作，檢測(cè)是否會(huì)產(chǎn)生皮面破損等差錯(cuò)。如果出現(xiàn)差錯(cuò)，可通過(guò)3D軟件內(nèi)自有的修改器尋找到差錯(cuò)骨骼位置，細(xì)致調(diào)節(jié)蒙皮破損位置;若蒙皮破損位置過(guò)多，此修改器過(guò)于繁瑣，應(yīng)選擇另一款修改器面板上的Bonm選項(xiàng)，全選角色骨骼進(jìn)行整體調(diào)整。

1.2? 行為控制

1.2.1? 骨骼動(dòng)畫技術(shù)

骨骼動(dòng)畫（Skeletal Animation）技術(shù)是當(dāng)下三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)中應(yīng)用范圍最廣泛的技術(shù)[11?12]。此技術(shù)在動(dòng)畫模擬人物與其余脊椎動(dòng)物方面表現(xiàn)優(yōu)越，屬于一類計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)。所模擬的角色通常情況下表現(xiàn)為兩部分，分別是層次化骨骼所構(gòu)成的骨架與骨架上蒙皮的皮膚[13]。為實(shí)現(xiàn)模擬角色運(yùn)動(dòng)行為的目標(biāo)，可采用以動(dòng)畫模擬骨架的方式，并以骨架對(duì)皮膚的形變進(jìn)行操控與帶動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。應(yīng)用骨骼動(dòng)畫的基礎(chǔ)模式為：所需動(dòng)畫通過(guò)動(dòng)畫生成軟件提前制作完成，當(dāng)動(dòng)畫運(yùn)行時(shí)，程序需依據(jù)時(shí)間運(yùn)算得出詳細(xì)的顯示，并遵循邏輯確定播放動(dòng)畫的順序。通過(guò)在三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)中使用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，提高動(dòng)畫動(dòng)作數(shù)據(jù)的便利性與逼真效果[14]。三維運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)比較適用于模擬人類可完成的動(dòng)作，對(duì)于人類無(wú)法完成的動(dòng)作則應(yīng)通過(guò)手動(dòng)調(diào)整的方法實(shí)現(xiàn)。此外，為使動(dòng)作的連接更順暢、動(dòng)作方式更多，可應(yīng)用動(dòng)畫合成（Animation Blending）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1.2.2? 動(dòng)作調(diào)整

經(jīng)過(guò)在3D軟件中對(duì)角色骨骼的創(chuàng)建及蒙皮之后，為角色骨骼增添動(dòng)作。通過(guò)軟件中的運(yùn)動(dòng)信息、關(guān)鍵幀設(shè)置及足跡等為動(dòng)畫設(shè)計(jì)中角色模型的骨骼增添所需動(dòng)作，完成角色模型的動(dòng)作調(diào)整[15]。

1.2.3? 骨骼驅(qū)動(dòng)

在得到與3D格式規(guī)范相符的三維虛擬角色動(dòng)畫數(shù)據(jù)之后，便可采用C++語(yǔ)言調(diào)用3D庫(kù)函數(shù)對(duì)具體應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)。應(yīng)用3D的三種方法為：

1） 采用直接調(diào)用的方法，通過(guò)Direct X或Open GL完成場(chǎng)景的顯示;

2） 在開源圖形引擎Open Scene Graph內(nèi)應(yīng)用通過(guò)3D封裝后的osg插件;

3） 在Delt 3D動(dòng)畫仿真引擎內(nèi)應(yīng)用通過(guò)3D封裝后的Replica Body庫(kù)。

對(duì)三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)綜合考量后，在此選用第三種方法。3D的關(guān)鍵功能被Delt 3D封裝于dtChar命名空間。其中，有dtChar.h與character.h兩個(gè)頭文件，對(duì)character.h的調(diào)用包括在dtChar.h內(nèi)，而關(guān)鍵核心類則包括在character.h內(nèi)。庫(kù)文件由dtChard.lib（Debug版）與dtChar.lib（Release版）構(gòu)成。因此，在未使用3D功能時(shí)，需確定工程內(nèi)包括dtChar.h，且將庫(kù)文件dtChard.lib或dtChar.lib的連接引入，確保編譯器的搜尋路徑中包括這些文件。

1.2.4? 實(shí)現(xiàn)行為控制

采用Implement Gain about（）函數(shù)完成對(duì)虛擬角色動(dòng)作的實(shí)行與操控，.rbody配置文件內(nèi)對(duì)動(dòng)作稱呼的定義由此函數(shù)的參數(shù)指導(dǎo)。在系統(tǒng)對(duì)Implement Gain about（）函數(shù)進(jìn)行調(diào)用時(shí)，虛擬角色便會(huì)對(duì)其對(duì)應(yīng)的動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，完成對(duì)應(yīng)動(dòng)作。在此為角色設(shè)定直立、行走及跑步三個(gè)動(dòng)作，且三個(gè)動(dòng)作之間的轉(zhuǎn)換采用F4，F(xiàn)5，F(xiàn)6三個(gè)按鍵完成。

關(guān)鍵核心代碼為：

mUnlocking keyRegulator=newUnlocking keyRegulator（m_role1.gain（），Gain Unlocking keyplate（））;

BoerUnlocking keyPress down（constdCore：：Unlocking keyplate*unlocking keyplate，intunlocking key）

{

BoerStatement（fake）;

Transformation（unlocking key）

{

example of case osgGA：：GRAPHICAL USER INTERFACE Incident The AdaPter：：UNLOCKING KEY_F4：

{

m_role1—>ImplementGain about（“STAGE”，fake，authentic）;

smash;

}

example of case osfGA：：GRAPHICAL USER INTERFACEIncidentThe AdaPter：：UNLOCKING KEY_F5：

{

m_role1—>ImplementGain about（“TAKE A WALK”，fake，authentic）;

m_role1—>Set upRotate（rotate）;

m_role1—>Set upSpeed（speed）;

smash;

}

example of case osgGA：：GRAPHICAL USER INTERFACEIncidentThe AdaPter：：UNLOCKING KEY_F6：

{

m_role1—>ImplementGain about（“FUNCTION”，fake，authentic）;

m_role1—>Set upRotate（rotate）;

m_role1—>Set upSpeed（speed）;

smash;

}

break a contract：

smash;

}

revert Statement;

}

通過(guò)以上操作，實(shí)現(xiàn)三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)中的角色行為控制。

2? 仿真實(shí)驗(yàn)

將本文方法用于某消防隊(duì)的一次滅火救援三維虛擬動(dòng)畫仿真教學(xué)中，觀察實(shí)際應(yīng)用效果，并將本文方法與基于語(yǔ)義樹的三維角色建模方法、基于3DS MAX三維角色建模方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文方法的建模效果、建模精準(zhǔn)度及行為控制效果。

2.1? 實(shí)際應(yīng)用效果

依據(jù)消防員的服裝與裝備特征，通過(guò)本文方法所構(gòu)建的角色模型效果圖如圖3所示。從圖3中可看出，消防員所配備的消防頭盔與滅火戰(zhàn)斗服等可準(zhǔn)確展現(xiàn)，且模型效果清晰逼真。

采用本文方法實(shí)時(shí)控制消防員模型在滅火救援三維虛擬動(dòng)畫中的行為動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)教學(xué)場(chǎng)景動(dòng)畫的模擬，模擬效果如圖4所示。

在圖4的實(shí)際應(yīng)用教學(xué)場(chǎng)景動(dòng)畫模擬效果圖中，通過(guò)本文方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)消防員行為的有效控制，完成動(dòng)畫教學(xué)中消防員的行走、跑等場(chǎng)景漫游，消防員模型靈敏的反應(yīng)及逼真的整體效果可提升視覺感受及教學(xué)質(zhì)量。

2.2? 建模效果對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法所構(gòu)建的消防員模型效果，將本文方法與基于語(yǔ)義樹的三維角色建模方法、基于3DS MAX三維角色建模方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比不同方法所創(chuàng)建的實(shí)驗(yàn)中各個(gè)消防員模型的幀速與紋理數(shù)，從3種方法所構(gòu)建的消防員模型中各隨機(jī)抽取5個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表1。

通過(guò)表1可看出，本文方法所創(chuàng)建的消防員模型的幀速與紋理數(shù)均高于其他兩種方法，說(shuō)明本文方法創(chuàng)建的模型運(yùn)行時(shí)更順暢，模型更加清晰逼真。

2.3? 精準(zhǔn)度對(duì)比

將3種不同方法所創(chuàng)建的消防員模型與真實(shí)消防員作對(duì)比，得出3種方法創(chuàng)建模型的誤差值，結(jié)合3種方法所創(chuàng)建模型的特征點(diǎn)數(shù)量，分析3種方法的精準(zhǔn)度，具體對(duì)比結(jié)果見表2。

通過(guò)分析表2可得出，本文方法所構(gòu)建消防員模型的誤差值最低，且模型的特征點(diǎn)數(shù)量最多，說(shuō)明本文方法建模精準(zhǔn)度高。

2.4? 行為控制效果對(duì)比

通過(guò)分析3種不同方法對(duì)消防員模型進(jìn)行行為控制時(shí)的偏移量，對(duì)比出3種方法的不同控制效果，3種方法的行為控制偏移量情況如圖5所示。

通過(guò)圖5能夠看出，本文方法的行為控制偏移量遠(yuǎn)低于其他兩種方法，足以說(shuō)明采用本文方法對(duì)消防員模型進(jìn)行行為控制時(shí)，控制準(zhǔn)確性最高，控制效果更理想。

3? 結(jié)? 論

本文通過(guò)創(chuàng)建三維虛擬動(dòng)畫場(chǎng)景中的角色模型，對(duì)各模型進(jìn)行特定行為控制，實(shí)現(xiàn)三維虛擬動(dòng)畫的有效設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文方法所建模型精準(zhǔn)度高，行為控制流暢準(zhǔn)確，應(yīng)用于滅火救援虛擬仿真消防教學(xué)中，可提升觀感及教學(xué)質(zhì)量。文中僅對(duì)三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)中的角色建模與行為控制展開研究，未來(lái)應(yīng)繼續(xù)研究三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)中的場(chǎng)景構(gòu)建，進(jìn)一步提升整體動(dòng)畫場(chǎng)景的逼真體驗(yàn)。

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