陳沖

摘? 要： 通過動畫角色的繪畫與建模可提升角色立體感和渲染效果，將動畫角色豐富形象地呈現(xiàn)給觀看者。提出三維虛擬動畫設(shè)計中的角色繪畫與建模方法，構(gòu)建三維虛擬動畫角色繪畫與建模系統(tǒng)，以動作捕捉、虛擬動畫角色繪畫以及三維模型設(shè)計為核心，利用虛擬技術(shù)與三維設(shè)計技術(shù)完成角色繪畫與建模。劃分角色類型后，通過基本結(jié)構(gòu)、色彩與動作三個環(huán)節(jié)完成動畫角色繪畫;以完成繪畫后的動畫角色為基礎(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)特征分析、建模方法確定和三維動畫模型制作三個過程完成三維虛擬動畫設(shè)計中的角色建模。將三維模型導入以VR技術(shù)為核心的動畫虛擬仿真平臺，實現(xiàn)與用戶之間的互動與顯示。實驗結(jié)果顯示該方法運行幀速和紋理數(shù)與對比方法相比分別提升了4 f/s和1 MB以上，說明該方法得到的角色畫質(zhì)效果更好，行為連接更加流暢、清晰度更高。

關(guān)鍵詞： 三維虛擬動畫; 動畫設(shè)計; 角色繪畫; 角色建模; 動作捕捉; 特征分析

中圖分類號： TN911.73?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

隨著計算機技術(shù)與數(shù)字化信息技術(shù)的普及，計算機動畫技術(shù)得到高速發(fā)展與普遍使用，成為當前最受歡迎的多媒體表現(xiàn)形式之一[1]。計算機動畫技術(shù)中動畫角色繪畫與建模尤為重要[2]。為更好地呈現(xiàn)動畫角色，提升動畫效果，動畫角色設(shè)計越來越復雜，因此尋找一種優(yōu)秀的動畫角色繪畫與建模方法成為動畫設(shè)計人員與學術(shù)研究人員的主要研究方向。

以往普遍使用的動畫角色繪畫與建模方法應(yīng)用3D max和Z Brush等三維設(shè)計軟件[3]，構(gòu)建三維立體數(shù)字化動畫角色模型，但動畫呈現(xiàn)效果真實性、靈活性與體驗性無法滿足當前動畫設(shè)計需求。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可通過視覺、聽覺和觸覺等感官表現(xiàn)真實、立體的畫面，提升人們對于動畫觀賞的需求[4]。因此本文將三維設(shè)計與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于動畫設(shè)計中，提出三維虛擬動畫設(shè)計中的角色繪畫與建模方法，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維設(shè)計之間的結(jié)合，提升動畫設(shè)計科技水平，呈現(xiàn)更加生動的三維虛擬動畫設(shè)計。

1? 角色繪畫與建模方法

1.1? 角色繪畫與建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著數(shù)字信息技術(shù)研究的逐步深入，三維動畫設(shè)計與虛擬現(xiàn)實技術(shù)均產(chǎn)生質(zhì)的飛躍[5]。將三維動畫設(shè)計技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于三維虛擬動畫設(shè)計中的角色繪畫與建模，可提升動畫角色繪畫與建模水平，增加動畫角色的生動性與立體性。三維虛擬動畫角色繪畫與建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，動作捕捉、虛擬動畫角色繪畫以及三維模型設(shè)計是動畫設(shè)計中角色繪畫與建模的三個主要環(huán)節(jié)[6]，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維設(shè)計技術(shù)之間相輔相成。該系統(tǒng)整合動畫技術(shù)、VR虛擬技術(shù)、三維設(shè)計技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，通過VR虛擬技術(shù)與三維設(shè)計之間的統(tǒng)一結(jié)合，可使觀賞者觀看到各種真實靈動的動畫角色，并產(chǎn)生參與感，增強真實性。

1.2? 三維虛擬動畫設(shè)計中的角色繪畫

1.2.1? 動畫角色繪畫的分類

在動畫角色繪畫過程中，角色的分類主要有三種形式[7]，分別是：基于角色造型、基于角色種類和基于角色性格的分類形式。

1） 基于角色造型的分類形式：根據(jù)角色造型可將角色類型劃分為兩種，分別是寫實類與夸張類。寫實類角色繪畫要求角色身體結(jié)構(gòu)與動作形態(tài)均依照現(xiàn)實進行設(shè)計，繪畫過程要求較為嚴謹;夸張類角色繪畫要求與寫實類角色繪畫要求相比較寬松，僅需依照相應(yīng)結(jié)構(gòu)規(guī)律，保留角色基本結(jié)構(gòu)特征，夸大其局部特征進行繪畫設(shè)計，滿足動畫角色設(shè)計的可愛、搞笑效果。角色的性別、身份、生活背景等對于角色繪畫十分重要。

2） 基于角色種類的分類形式：動畫角色種類有所差異，在繪畫過程中依照角色種類骨骼結(jié)構(gòu)差異可將動畫角色分為人物類、動物類以及機械類等。不同類型還可進行詳細劃分，以動物類為例進行說明。動物類角色還可劃分為：爪類動物、飛行動物、水棲動物等。

3） 基于角色性格的分類形式：依照角色不同的性格，在進行角色繪畫過程中可將角色分為：可愛型、莽撞型、運動型、陰險型等不同類型。

1.2.2? 動畫角色繪畫的多元素解析

基于上述動畫角色分類結(jié)果，通過基本結(jié)構(gòu)、色彩與動作三個環(huán)節(jié)完成動畫角色繪畫[8]。

1） 基本結(jié)構(gòu)：動畫角色的基本結(jié)構(gòu)所描述的是動畫內(nèi)的主要運動結(jié)構(gòu)，是角色有效操控的基礎(chǔ)。以人物類角色為例，在繪畫人物類角色時，需賦予動畫角色不同情緒與不同的動作。通過角色的眉毛、眼睛、嘴等五官的繪畫體現(xiàn)角色的喜怒哀樂;通過角色的身體、胳膊、手、腿、腳等肢體的繪畫呈現(xiàn)角色站、坐、跑等動作形態(tài)。

2） 色彩：在動畫角色繪畫過程中為角色填充色彩，以豐富動畫角色結(jié)構(gòu)，提升動畫角色飽和度。除對動畫角色基本形態(tài)進行色彩繪畫外，還可對動畫角色服裝進行色彩設(shè)計。同時，在動畫角色色彩設(shè)計過程中，還需控制動畫角色整體色彩與關(guān)鍵角色之間的相關(guān)性。也就是通過動畫角色的三維畫面，完成色彩判斷與調(diào)配，實現(xiàn)色彩結(jié)構(gòu)上的協(xié)調(diào)性。

3） 動作繪畫：動作繪畫環(huán)節(jié)是動畫角色繪畫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過動作捕捉獲取角色不同動作形態(tài)，基于動畫角色單個動作之間的連接提升動畫畫面之間的連貫性，并實現(xiàn)動畫角色三維模型的建立。

1.3? 三維虛擬動畫設(shè)計中的角色建模

角色建模是三維虛擬動畫設(shè)計過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。以完成繪畫的動畫角色為基礎(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)特征分析、建模方法確定和三維動畫模型制作三個過程完成三維虛擬動畫設(shè)計中的角色建模[9]。

1.3.1? 結(jié)構(gòu)特征分析

結(jié)構(gòu)特征分析是動畫角色建模的基礎(chǔ)，動畫角色結(jié)構(gòu)特征通常分為兩種[10]：規(guī)則結(jié)構(gòu)與不規(guī)則結(jié)構(gòu)。規(guī)則結(jié)構(gòu)的動畫角色建模相對簡單，不規(guī)則結(jié)構(gòu)的動畫角色建模要求相對較高。

1.3.2? 建模方法

3D max軟件在構(gòu)建三維模型過程中通常使用網(wǎng)格建模法、面片建模法和堆砌建模法。從細節(jié)建模出發(fā)，將不同細節(jié)模型結(jié)合為一個整體模型的建模方法即堆砌建模法[11]。該建模方法建模過程類似于房屋建造過程，即地基建設(shè)為基礎(chǔ)，建設(shè)整體結(jié)構(gòu)中的局部，統(tǒng)一各局部得到房屋整體。動畫角色本體模型建立前，需分類描述客觀動畫角色結(jié)構(gòu)，若動畫角色內(nèi)含有6個元素，將其描述為：

式中：[X]和[T]分別表示虛擬環(huán)境內(nèi)的不同元素和不同元素間的關(guān)系算子;[Jc]和[Rel]分別表示不同元素間的概念層次和非聚類關(guān)系;[So]和[Stri]分別表示存在的本體原型和元素內(nèi)在相關(guān)性。其中：[X1，X2，…，Xn∈X]，描述的是動畫角色結(jié)構(gòu)內(nèi)的全部元素。

[T]所描述的關(guān)系算子可表示為：

式中分別描述[X1]與[X2]之間的（組合、從屬和微弱影響）相關(guān)性。在圖片形式的動畫角色傳輸至三維建模軟件過程中，不同視頻的頻閃幀數(shù)表現(xiàn)出泊松分布排序等待現(xiàn)象[12]。為突出本體特征的區(qū)別，3D max軟件操作系統(tǒng)以本體元素特征和操作行為作為敏感度指數(shù)，提升建模效率。針對敏感度指數(shù)，可通過式（3）描述式（2）內(nèi)特征元素：

依照最大均方誤差能夠確定敏感度指數(shù)的閾值，公式描述為：

式中[E]表示視頻動畫播放的時間。

1.3.3? 三維虛擬動畫角色模型制作過程

分析動畫角色結(jié)構(gòu)特征后，選取相應(yīng)的建模方法制作動畫角色三維虛擬模型[13]。動畫角色模型制作內(nèi)容包括：燈光、材質(zhì)與渲染三方面，利用不同類型的光與陰影模擬燈光的光影效果，通過材質(zhì)提升動畫角色模型的真實性，通過渲染可實現(xiàn)燈光與材質(zhì)所描述的特性。處理好這三個方面即可獲取較好的建模效果。構(gòu)建三維虛擬動畫角色模型時，先構(gòu)建動畫角色單一結(jié)構(gòu)的三維虛擬模型[14]，并對該模型進行燈光、材質(zhì)與渲染的貼圖，持續(xù)優(yōu)化貼圖位置直至滿足實際需求，至此動畫角色單一結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建成功。逐一處理動畫角色不同單一結(jié)構(gòu)模型，將全部單一動畫角色局部結(jié)構(gòu)三維模型合并，同時在合并時融入周邊環(huán)境等其他要素。三維虛擬動畫角色模型建立流程如圖2所示。

1.4? 虛擬仿真平臺設(shè)計

VR技術(shù)是一種虛擬仿真技術(shù)，具有較大的拓展空間，利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真平臺，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。構(gòu)建好的三維模型導入虛擬仿真平臺后，由仿真平臺實現(xiàn)與用戶之間的互動與顯示[15]。根據(jù)圖3可知，虛擬仿真平臺主要由集群仿真及網(wǎng)絡(luò)通信模塊、仿真核心工作模塊、3D max建模輸出模塊等共同組成。其中，仿真核心工作模塊是平臺的核心模塊，該模塊以多通道視覺仿真模塊為核心，優(yōu)化內(nèi)核仿真任務(wù)調(diào)度，最終實現(xiàn)三維虛擬動畫設(shè)計中的角色繪畫與建模。

2? 仿真實驗

為驗證本文提出的三維虛擬動畫設(shè)計中的角色繪畫與建模方法的性能，以某動畫角色不同運動動作為對象，在設(shè)定實驗環(huán)境下進行仿真測試。

2.1? 繪畫與模型構(gòu)建測試

采用本文方法對動畫角色進行繪畫與建模，結(jié)果如圖4～圖6所示。

分析圖4～圖6可知，本文方法可有效繪制動畫角色不同動作圖像，并成功構(gòu)建三維模型，由此說明了本文方法的有效性。

2.2? 建模效果分析

為驗證本文方法的三維虛擬角色建模效果，將本文方法與基于OpenGL的三維建模方法、基于SketchUp的三維建模方法進行比較，對比三種建模方法在構(gòu)建上述動畫角色三維模型的幀速與紋理數(shù)，結(jié)果如表1和表2所示。

分析表1可知，動畫角色三維模型建立過程中，相較于其他兩種對比方法，本文方法所建模型運行幀速更高，最高可達97.09 f/s，與另外兩種方法相比，提升幅度在4～8 f/s之間。由此說明本文方法所建模型在行為控制后得到的畫質(zhì)效果更好，且動畫角色行為連接更加流暢。分析表2可知，動畫角色三維模型建立過程中，相較于其他兩種對比方法，本文方法所建模型的紋理數(shù)量最高，最高可達到14.81 MB，與另外兩種方法相比，提升幅度在1～2 MB之間。由此說明本文方法所建三維模型具有更高的清晰度。綜合表1和表2的對比結(jié)果可知，本文方法所建模型質(zhì)量優(yōu)于另外兩種對比方法。

2.3? 能耗對比

為驗證本文方法在繪畫與建模過程中的能耗優(yōu)勢，對比三種建模方法在構(gòu)建2.1實驗中動畫角色三維模型過程中的能耗，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，本文方法針對不同動作進行繪畫與三維模型構(gòu)建過程中能耗波動范圍在0.7～1.4 J之間，顯著低于另外兩種對比方法，由此可知，本文方法在三維虛擬角色繪畫與建模過程中具有較低的能耗。

3? 結(jié)? 語

動畫角色繪畫與建模是動漫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，因此完善的動畫角色繪畫與建模方法至關(guān)重要。本文提出三維虛擬動畫設(shè)計中的角色繪畫與建模方法，實驗結(jié)果顯示，本文方法與對比方法相比具有更好的質(zhì)量與更低的能耗，具有較高的推廣價值。

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