基于虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)的角色建模與行為控制研究

基于虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)的角色建模與行為控制研究

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ImplementGainabout（）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。Key：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：TN915.43?34;TP391.9

：A

：1004?373X（2020）17?0110?05Abstract：Thecharactersinthe3Dvirtualanimationdesignaresubjectedtomodelingandbehaviorcontroltoimprovetheeffectofrealisticvisualexperienceinthevirtualscene.The3DvirtualanimationcharactermodeliscreatedinthePOSERsoftware，andthe3Dvirtualanimationcharacterskeletoniscreatedinthe3Dsoftwareandtheskeletonissubjectedtoskinningtoachieveanimationcharactermodeling.Theskeletalanimationtechnologyisusedtosimulatetherolemotionbehavior，adjustactionanddriveskeletoninthe3Dsoftware.Themotioninformation，keyframesettingandfootprintinthe3Dsoftwareareusedtoaddrequiredactionfortheskeletonofrequiredrolemodelinthedesign.TheImplementGainabout（）functionisadoptedtomanipulatevirtualcharactermovementtocontrolthebehaviorofrolemodels.Theproposedmethodisappliedtothe3Dvirtualanimationsimulationteachingexperimentoffirefightingandrescue.Theexperimentalresultsshowthatthefirefightermodelcreatedwiththismethodhasalargenumberoftextures，whichisclearerandmorerealistic.Themodelisoflowerror，accuratemodelingandexactbehaviorcontrol，smoothoperationandidealoveralleffect.Keywords：3Dvirtual;animationdesign;rolemodeling;behaviorcontrol;skinningoperation;animationtechnology;movementbehavior0

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)通過角色模型展現(xiàn)，在此選用POSER5.0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題。由于蒙皮過程中出現(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;若蒙皮破損位置過多，此修改器過于繁瑣，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（SkeletalAnimation）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（AnimationBlending）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。1.2.2

動(dòng)作調(diào)整經(jīng)過在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DirectX或OpenGL完成場(chǎng)景的顯示;2）在開源圖形引擎OpenSceneGraph內(nèi)應(yīng)用通過3D封裝后的osg插件;3）在Delt3D動(dòng)畫仿真引擎內(nèi)應(yīng)用通過3D封裝后的ReplicaBody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Delt3D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ImplementGainabout（）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)ImplementGainabout（）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：mUnlockingkeyRegulator=newUnlockingkeyRegulator（m_role1.gain（），GainUnlockingkeyplate（））;BoerUnlockingkeyPressdown（constdCore：：Unlockingkeyplate*unlockingkeyplate，intunlockingkey）{BoerStatement（fake）;Transformation（unlockingkey）{exampleofcaseosgGA：：GRAPHICALUSERINTERFACEIncidentTheAdaPter：：UNLOCKINGKEY_F4：{m_role1—>ImplementGainabout（“STAGE”，fake，authentic）;smash;}exampleofcaseosfGA：：GRAPHICALUSERINTERFACEIncidentTheAdaPter：：UNLOCKINGKEY_F5：{m_role1—>ImplementGainabout（“TAKEAWALK”，fake，authentic）;m_role1—>SetupRotate（rotate）;m_role1—>SetupSpeed（speed）;smash;}exampleofcaseosgGA：：GRAPHICALUSERINTERFACEIncidentTheAdaPter：：UNLOCKINGKEY_F6：{m_role1—>ImplementGainabout（“FUNCTION”，fake，authentic）;m_role1—>SetupRotate（rotate）;m_role1—>SetupSpeed（speed）;smash;}breakacontract：smash;}revertStatement;}通過以上操作，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3DSMAX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3DSMAX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)。Reference[1]孔素然，殷均平.人體特殊動(dòng)作三維動(dòng)畫建模與渲染方法改進(jìn)研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2016，33（9）：169?172.[2]葉鳳華，葉歡.基于Flash和3D動(dòng)畫渲染技術(shù)的育苗機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（3）：189?192.[3]周渝果.淺析茶葉包裝折疊紙盒上的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)[J].福建茶葉，2016，38（11）：189?190.[4]胡志剛，黃拼搏，周振宇，等.二維影像技術(shù)和三維可視化技術(shù)輔助ALPPS治療肝癌效