曹鋒

摘? 要： 針對(duì)傳統(tǒng)的動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的作品存在大量丟幀現(xiàn)象的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在原有系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，改進(jìn)了相關(guān)硬件的配置。在硬件部分的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分。使用數(shù)字媒體技術(shù)處理微動(dòng)漫的設(shè)計(jì)底稿圖像。根據(jù)處理后的圖像對(duì)微動(dòng)漫的角色和場(chǎng)景等對(duì)象建模，結(jié)合配音、音效等，輸出微動(dòng)漫作品，完成基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)與傳統(tǒng)的動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明基于數(shù)字媒體技術(shù)的系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)作品存在大量丟幀的問(wèn)題，提高了動(dòng)漫作品品質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 微動(dòng)漫設(shè)計(jì); 數(shù)字媒體技術(shù); 軟件設(shè)計(jì); 圖像處理; 場(chǎng)景建模; 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN02?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）19?0053?05

Abstract： A micro animation design system based on digital media technology is designed due to the problem that the traditional animation design system has a large number of missing frames. On the basis of the original system hardware， the configuration of related hardware is improved. The software part of the system is designed according to the hardware part. The design manuscript images of micro animation are processed with digital media technology. According to the processed images， the characters and scenes in micro animation were modeled. The design of the micro animation design system based on digital media technology is completed in combination with dubbing and sound effect， and then the micro animation works are outputted. The result of experiment comparing with the traditional animation design system proves that the system based on digital media technology can effectively eliminate frame loss existing in the traditional system design works， can improve the quality of animation works， and has a broad application prospect.

Keywords： micro animation design; digital media technology; software design; image processing; scene modeling; contrast experiment

0? 引? 言

動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)是“新興的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”，隨著手機(jī)等便攜設(shè)備的不斷升級(jí)，以及互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，微動(dòng)漫應(yīng)運(yùn)而生。微動(dòng)漫是用簡(jiǎn)潔夸張的手法來(lái)描繪或演繹生活與社會(huì)時(shí)事，通過(guò)多種方法使觀眾在娛樂(lè)的同時(shí)領(lǐng)悟到微動(dòng)漫作品想要表達(dá)的深刻含義，微動(dòng)漫產(chǎn)品與新媒體傳播技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，推動(dòng)了微動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)在制作微動(dòng)漫產(chǎn)品時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的丟幀現(xiàn)象，存在應(yīng)用上的缺陷。

數(shù)字媒體技術(shù)是一種綜合信息應(yīng)用技術(shù)，在許多設(shè)計(jì)行業(yè)中有廣泛應(yīng)用[2]。數(shù)字媒體技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于傳統(tǒng)的動(dòng)漫行業(yè)，在設(shè)計(jì)和制作動(dòng)漫產(chǎn)品的過(guò)程中，應(yīng)用數(shù)字媒體技術(shù)可以提高動(dòng)漫作品的質(zhì)量，給觀眾更好的觀看體驗(yàn)?；谝陨戏治?，本文將設(shè)計(jì)基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1? 基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分，在原有設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件部分的基礎(chǔ)上，對(duì)硬件配置進(jìn)行改進(jìn)，具體的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件配置如表1所示。

按照表1對(duì)基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)完畢后，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分。結(jié)合系統(tǒng)的硬件和軟件部分，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的目標(biāo)功能。

2? 基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)是將動(dòng)漫設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)稿輸入系統(tǒng)中，使用數(shù)字媒體技術(shù)處理動(dòng)漫底稿圖像后，再根據(jù)處理后的底稿建模完成微動(dòng)漫的設(shè)計(jì)。

2.1? 數(shù)字媒體技術(shù)處理動(dòng)漫底稿圖像

動(dòng)漫設(shè)計(jì)底稿是由設(shè)計(jì)師手繪的以線條表現(xiàn)動(dòng)漫角色，以顏色表現(xiàn)動(dòng)漫角色和場(chǎng)景的粗略設(shè)計(jì)圖。在使用設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)微動(dòng)漫作品時(shí)，將底稿通過(guò)掃描儀輸入系統(tǒng)中，使用數(shù)字媒體技術(shù)在系統(tǒng)中對(duì)其做一定的處理。

首先使用傅里葉變換處理圖像，降低圖像的處理復(fù)雜度。使用直方圖拉伸含有背景的底稿圖像，使動(dòng)漫角色與環(huán)境的區(qū)分度增加。為避免圖像處理過(guò)程中，使圖像丟失細(xì)節(jié)，根據(jù)圖像退化機(jī)制，采用維納濾波恢復(fù)方法恢復(fù)圖像[3?4]。

初步處理圖像后，為方便根據(jù)底稿圖像建模，提取圖像特征。使用顏色直方圖統(tǒng)計(jì)檢索圖像顏色特征。即對(duì)底稿圖像分塊，以分塊后每一塊的平均顏色、標(biāo)準(zhǔn)方差、非對(duì)稱性三次根作為圖像的分布特征描述。提取和分析分塊圖像特征，得到底稿圖像根據(jù)顏色分布特征的向量序列[5?6]。

提取圖像顏色特征后，為使建模后的動(dòng)漫形象和場(chǎng)景更為真實(shí)，使用共生矩陣法提取圖像的紋理特征。設(shè)[I（x，y）]是經(jīng)過(guò)之前處理后的底稿圖像，若其灰度級(jí)為[N]，取圖像中的兩點(diǎn)[（x，y）]和[x+x1，y+y1]，兩點(diǎn)的灰度值為[（g1，g2）]，則在底稿中灰度值[（g1，g2）]共有[N2]個(gè)組合[7?9]。將這些灰度值組成一個(gè)[N×N]的矩陣，歸一化處理后，由選擇各灰度組合的概率[P（g1，g2）]生成如下式所示的灰度共生矩陣：

根據(jù)灰度共生矩陣，將底稿圖像生成對(duì)應(yīng)的矩陣，設(shè)置多個(gè)方向作為矩陣的掃描方向[10]。掃描每一方向的灰度共生矩陣，都得到其對(duì)應(yīng)的一個(gè)特征向量。通過(guò)各個(gè)方向上圖像紋理的特征向量均值和方差，表述整個(gè)動(dòng)漫底稿圖像的紋理特征。完成對(duì)底稿圖像的紋理特征提取。根據(jù)對(duì)底稿圖像的處理結(jié)果，對(duì)微動(dòng)漫中的角色和場(chǎng)景等對(duì)象建模處理。

2.2? 動(dòng)漫對(duì)象建模設(shè)計(jì)

在一部微動(dòng)漫作品中，主要有動(dòng)漫角色和動(dòng)漫環(huán)境兩個(gè)部分。微動(dòng)漫作品的制作流程通常是設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出微動(dòng)漫的每一個(gè)場(chǎng)景初稿，然后在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對(duì)初稿開(kāi)展多次調(diào)整，再根據(jù)設(shè)計(jì)稿建模，得到最終的作品[11]。動(dòng)漫角色是一個(gè)作品的靈魂，本文采用群體模型生成方法實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)漫角色的建模。

在專(zhuān)用的建模軟件中，根據(jù)設(shè)計(jì)稿完成初步的角色模型建立，使用遺傳算法對(duì)初代模型的結(jié)構(gòu)線做縮放比例調(diào)整[12?13]，以初代模型為遺傳算法的父代，按照?qǐng)D1所示流程，提取父代角色模型的曲線，執(zhí)行交叉操作后，生成子代模型曲線。再對(duì)子代模型曲線執(zhí)行變異操作，生成又一子代模型。反復(fù)上述過(guò)程，直至模型建立完畢。

由于動(dòng)漫角色要連接兩個(gè)或多個(gè)場(chǎng)景，因此，對(duì)動(dòng)漫角色在作品中的路徑需要做一定的規(guī)劃[14]，本文采用改進(jìn)后的PSO算法規(guī)劃和設(shè)計(jì)動(dòng)漫角色的路徑。PSO算法的執(zhí)行過(guò)程如下：

初始化粒子數(shù)據(jù)：動(dòng)漫角色數(shù)目、群體的迭代代數(shù)、（即場(chǎng)景次數(shù)）、角色在相連場(chǎng)景中的位置點(diǎn)、閾值和各角色在場(chǎng)景的初始位置范圍等參數(shù)。執(zhí)行以下程序（僅部分主要程序）：

while do //當(dāng)前粒子的迭代次數(shù)未達(dá)到設(shè)定的閾值

{

if 本次角色位置的迭代次數(shù)小于目標(biāo)位置的迭代次數(shù)

{

初始化所有粒子的最大值;

計(jì)算粒子在新位置的適應(yīng)度數(shù)值;

結(jié)合粒子更新速度，確定粒子下一迭代位置;

string edit geometry; //角色幾何體位置描述

再次迭代粒子位置;

判斷粒子是否位于目標(biāo)位置;

}

end //結(jié)束路徑規(guī)劃

}

粒子的更新速度計(jì)算公式如下所示：

式中：[max=maxp1d，p2d，…，pnd]表示粒子的最優(yōu)值;[min=minp1d，p2d，…，pnd]表示粒子的最差值;[n]為粒子的數(shù)目;[pid] 表示第[i]個(gè)粒子在[d]維空間上的最優(yōu)值[15]。規(guī)劃好動(dòng)漫角色的路徑后，對(duì)角色所在場(chǎng)景建模。每一場(chǎng)景的中心以角色所在位置為場(chǎng)景的定位點(diǎn)。結(jié)合設(shè)計(jì)稿中動(dòng)漫角色與場(chǎng)景的時(shí)空關(guān)系，按照如圖2所示的多層次建模示意圖完成場(chǎng)景的建模。

根據(jù)上述過(guò)程對(duì)動(dòng)漫場(chǎng)景建模后，將角色建模與場(chǎng)景建模組合。將組合后的動(dòng)漫對(duì)象按照設(shè)計(jì)順序，結(jié)合配音、音效等，輸出成品微動(dòng)漫作品。至此，完成了對(duì)基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3? 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)了基于數(shù)字媒體的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)，為了測(cè)試該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)選擇USAnimation軟件作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成平臺(tái)。基于USAnimation軟件，由專(zhuān)業(yè)的動(dòng)漫從業(yè)人員繪制微動(dòng)漫底稿，并將底稿數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比驗(yàn)證的形式，測(cè)試組為本文設(shè)計(jì)基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對(duì)照組為傳統(tǒng)動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)的測(cè)試對(duì)比指標(biāo)為系統(tǒng)制作微動(dòng)漫時(shí)數(shù)據(jù)幀的完整性，即制作的微動(dòng)漫作品的丟幀率、設(shè)計(jì)底稿動(dòng)漫角色的行為控制準(zhǔn)確率以及對(duì)底稿數(shù)據(jù)的渲染性，即制作微動(dòng)漫作品所展現(xiàn)出的色彩、質(zhì)感、光線等視覺(jué)效果。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為一個(gè)具有多個(gè)場(chǎng)景的微動(dòng)漫底稿，將該底稿輸入測(cè)試組和對(duì)照組兩個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。兩個(gè)系統(tǒng)分別根據(jù)設(shè)計(jì)底稿輸出微動(dòng)漫作品。統(tǒng)計(jì)作品中每一場(chǎng)景數(shù)據(jù)幀的完整率，計(jì)算平均值后，以平均值為衡量?jī)山M系統(tǒng)的數(shù)據(jù)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)作品中不同時(shí)間點(diǎn)的角色運(yùn)動(dòng)行為控制情況，對(duì)比兩種系統(tǒng)角色控制準(zhǔn)確率，將作品底稿分配到兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)景渲染，對(duì)比單機(jī)渲染的耗時(shí)情況。

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，控制除實(shí)驗(yàn)變量以外的測(cè)試條件不變，完成測(cè)試內(nèi)容，記錄兩個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。分析測(cè)試數(shù)據(jù)得出對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3a）和圖3b）分別代表兩個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作的微動(dòng)漫作品所有場(chǎng)景的平均丟幀率。

分析圖3可知，圖3a）中的丟幀情況要明顯多于圖3b）中丟幀情況。圖3a）中嚴(yán)重的丟幀情況會(huì)影響設(shè)計(jì)的微動(dòng)漫作品的連貫性;圖3b）中的丟幀情況，對(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)試選用的多個(gè)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)底稿來(lái)講，不會(huì)影響動(dòng)漫作品的連貫性。

在計(jì)算所有場(chǎng)景平均丟幀情況時(shí)，對(duì)照組系統(tǒng)在制作其中兩個(gè)場(chǎng)景時(shí)存在嚴(yán)重丟幀情況，實(shí)際播放對(duì)照組的作品時(shí)，由于丟幀造成場(chǎng)景不連貫，影響了用戶的觀看體驗(yàn)。測(cè)試組系統(tǒng)的作品存在輕微的丟幀情況，但不影響微動(dòng)漫的播放。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能夠有效解決傳統(tǒng)動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)存在的丟幀率高的問(wèn)題，具有更好的行業(yè)應(yīng)用前景。

由于角色控制是微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)元素，角色控制準(zhǔn)確率越高，系統(tǒng)所呈現(xiàn)的動(dòng)漫展示效果越好，為此選取底稿角色控制的準(zhǔn)確率作為系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。兩種系統(tǒng)的角色運(yùn)動(dòng)行為控制準(zhǔn)確率比較結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知：在15 s之前，兩組系統(tǒng)的角色行為控制準(zhǔn)確率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在15 s時(shí)，測(cè)試組系統(tǒng)和對(duì)照組系統(tǒng)角色運(yùn)動(dòng)行為控制均達(dá)到最高點(diǎn)，測(cè)試組系統(tǒng)為84%，對(duì)照組系統(tǒng)為34%;15 s之后，兩組系統(tǒng)的角色行為控制準(zhǔn)確率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，測(cè)試組系統(tǒng)最低下降至?xí)r間點(diǎn)30 s時(shí)的65%，對(duì)照組系統(tǒng)最低下降至?xí)r間點(diǎn)30 s時(shí)的9%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)角色控制準(zhǔn)確性顯著高于對(duì)照組。原因在于本文系統(tǒng)對(duì)動(dòng)漫對(duì)象進(jìn)行建模處理，有助于動(dòng)漫角色控制，提升了角色運(yùn)動(dòng)行為控制準(zhǔn)確率。

由于動(dòng)漫角色渲染時(shí)會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間用于微動(dòng)漫場(chǎng)景的參數(shù)設(shè)置以及復(fù)雜動(dòng)作流程設(shè)計(jì)，所以系統(tǒng)渲染耗時(shí)情況是衡量系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。

兩種系統(tǒng)的單機(jī)渲染耗時(shí)情況如表2所示。

分析表2 數(shù)據(jù)可知，測(cè)試組系統(tǒng)的渲染速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)比組系統(tǒng)，測(cè)試組系統(tǒng)渲染耗時(shí)僅為對(duì)比組系統(tǒng)的20%，原因在于測(cè)試組系統(tǒng)有效利用了數(shù)字多媒體技術(shù)，提高了動(dòng)漫作品的質(zhì)量，給觀眾更好的觀看體驗(yàn)的同時(shí)，合理、動(dòng)態(tài)、彈性分布渲染節(jié)點(diǎn)，極大程度地縮減了渲染耗時(shí)。

兩個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)下的微動(dòng)漫第20幀的設(shè)計(jì)效果圖如圖5所示。

分析圖5可知，測(cè)試組系統(tǒng)的微動(dòng)漫第20幀設(shè)計(jì)效果無(wú)論是色彩飽和度還是視覺(jué)感受遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)照組。結(jié)果表明，本文微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)效果更好。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)是文化創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，優(yōu)秀動(dòng)漫作品的影響力可以輻射全球。本文設(shè)計(jì)了基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并通過(guò)與傳統(tǒng)的動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明了本文設(shè)計(jì)的基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動(dòng)漫設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠有效減少丟幀，提高了動(dòng)漫作品品質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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