基于虛擬現(xiàn)實技術的3D動畫場景平面設計

傅建明　鮑艷

摘 要： 針對當前方法難以獲取3D動畫場景完整正確的信息，存在計算復雜、三維動畫場景連續(xù)性較差的問題，提出基于虛擬現(xiàn)實技術的3D動畫場景平面設計方法。該方法先在空間中建立代表動畫場景深度信息的網(wǎng)格節(jié)點，將攝像機坐標系與世界坐標系的坐標進行變換，得到關于動畫場景圖像候選網(wǎng)格節(jié)點的深度坐標值；利用動畫場景的深度圖像進行預處理以平滑噪聲，獲取動畫場景圖像的三維點云；根據(jù)動畫場景圖像特征點與三維點云之間的關系得到動畫場景圖像的三維特征點，利用ICP法完成動畫場景圖像點云的精確配準，由此建立3D動畫場景模型。實驗結果表明，所提方法能夠有效提升3D動畫場景的重建精度，且具有較強的實時性及穩(wěn)定性。

關鍵詞： 虛擬現(xiàn)實技術； 3D動畫場景； 平面設計； 三維點云

中圖分類號： TN911.73?34； TP317 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）21?0059?03

Graphic design of 3D animation scene based on virtual reality technology

FU Jianming， BAO Yan

（College of Art and Design， Jiangxi University of Technology， Nanchang 330098， China）

Abstract： Since it is difficult for the current method to acquire the complete and correct information of the 3D animation scene， and exists the problems of the poor continuity of 3D animation scene and complex computation， a graphic design method of 3D animation scene based on virtual reality technology is proposed. With the method， the grid nodes representing the depth information of animation scene are established in the space coordinates； the camera coordinate system is transformed into the world coordinate system to get the depth coordinate values of the candidate grid nodes of the animation scene； the preprocessing for the depth image of animation scene is used to smooth the noise to acquire the 3D point cloud of the animation scene image. According to the relationship between the feature points of animation scene image and 3D point cloud， the 3D feature point of animation scene image is obtained， and the ICP method is used to realize the point cloud accurate matching of the animation scene image to establish the 3D animation scene model. The experimental results show that the method can improve the reconstruction accuracy of 3D animation scene effectively， and has strong real?time performance and high stability.

Keywords： virtual reality technology； 3D animation scene； graphic design； 3D point cloud

0 引 言

隨著三維重建技術的發(fā)展，二維動畫場景已難以滿足人們對視覺的需求及主觀感受[1?2]?，F(xiàn)階段大多數(shù)3D動畫場景重建方法獲取的3D動畫場景數(shù)據(jù)是重建動畫場景表面的部分信息，并且是按照以觀察者為中心的坐標系中的三維形狀和位置對重建的動畫場景進行描述，難以呈現(xiàn)動畫場景的深度信息[3]。在這種情況下，如何準確有效地提取動畫場景背后的全部信息完成3D動畫場景平面設計，成為計算機視覺研究領域亟需解決的主要問題，受到了該領域有關專家學者的高度關注[4?5]。

文獻[6]提出立體匹配的3D動畫場景平面設計方法。該方法對于噪聲比較大的動畫場景圖像重建效果較好，但存在計算過程較為復雜，且消耗時間較長的問題。文獻[7]提出基于角點檢測的3D動畫場景平面設計方法，利用該方法進行動畫場景重建準確率較高，但存在動畫場景重建效率較低的問題[8?9]。

針對上述問題，本文提出基于虛擬現(xiàn)實技術的3D動畫場景平面設計方法。實驗結果表明，所提方法能夠有效提升3D動畫場景的重建精度，且具有較強的實時性及穩(wěn)定性。

1 基于虛擬現(xiàn)實技術的3D動畫場景平面設計

1.1 3D動畫場景節(jié)點坐標的計算endprint

假設[（u，v）]代表點[Pl]在動畫場景圖像中的亞像素坐標，[Xw，Yw，Zw]代表動畫場景圖像中對應點的世界坐標系下的三維坐標，利用動畫場景圖像中的亞像素坐標可計算獲得動畫場景圖像徑向、切向畸變下攝像機坐標系下的歸一化三維坐標[xd]，利用式（1）進行計算：

[xd（1）xd（2）1=αx0u00αyv0001-1uv1] （1）

式中：[αx]代表動畫場景圖像坐標系[x]軸的尺度因子；[αy]代表動畫場景圖像坐標系[y]軸的尺度因子；[（u0，v0）]代表動畫場景圖像中心的像素坐標；[xd（1），xd（2）]代表動畫場景圖像歸一化的[x]方向和[y]方向的坐標點。假設[xn]代表歸一化處理后的動畫場景圖像坐標，利用多次迭代的形式對動態(tài)動畫場景圖像徑向、切向畸變進行補償，設[xd]為[xn]的初始估計值，利用式（2）進行表示：

[xn=xy=xd（1）xd（2）] （2）

假設[kridial]代表動畫場景圖像的徑向畸變分量，[δ]代表動畫場景圖像的切向畸變分量，可分別表示為：

[kridial=1+k1r2+k2r4+k3r6] （3）

[δ=2k3xy+k4（r2+2x2）k3（r2+2x2）+2k4xy] （4）

式中：[r2=x2+y2]代表[x]方向和[y]方向的動畫場景圖像的畸變相對值；[k1，k2，k3，k4]代表動畫場景圖像的線性畸變參數(shù)。通過對式（2）～式（4）進行聯(lián)立求解，可獲得歸一化處理后動態(tài)動畫場景圖像坐標[xn：]

[xn=xy=（xd（1）-δ（1））kradial（xd（2）-δ（2））kradial] （5）

式中，[δ1，δ2]代表動畫場景圖像切向畸變的線性畸變值，結合[xn]的計算結果對動畫場景圖像的徑向畸變[kradial]和切向畸變分量[δ]進行多次迭代，得到收斂的[xn。]由于[xn]為線性模型中攝像機坐標系的歸一化坐標，假設[Xc，Yc，Zc]代表攝像機坐標系的坐標，則利用式（6）將攝像機坐標系與世界坐標系的坐標進行變換：

[Zcxy1=ZcXcZcYcZc1=RXwYwZw+t] （6）

式中[R]和[t]分別代表攝像機外部參數(shù)的旋轉矩陣和平移向量。

通過對式（6）進行求解，得到關于動畫場景圖像候選網(wǎng)格節(jié)點在該深度方向的深度坐標值。

1.2 3D動畫場景重建模型

通過攝像機拍攝獲取同一視角下的[n]幅動畫場景圖像[Ii，]對動畫場景圖像[Ii（x，y）]的相同像素點[（x，y）]取均值再取整處理后，得到該動畫場景圖像的相同像素點組成的圖像[Ix，y]：

[Ix，y=avgi=1，2，…，nIi（x，y）] （7）

攝像機在獲取動畫場景的深度圖像時由于設備本身原因或測量環(huán)境等帶來的影響通常會產(chǎn)生一定的噪聲，對后面的計算存在著較大的不利影響，因此首先需要對原始的深度動畫場景圖像進行去噪，利用式（8）對動畫場景圖像進行濾波：

[I（x，y）=1ωp i，j∈Ωωi，j?Ii，j] （8）

式中：[Ix，y]代表濾波噪聲后的動畫場景圖像；[Ω]代表動畫場景圖像像素[x，y]的鄰域范圍；[ωi，j]代表濾波器在動畫場景圖像像素[x，y]點處的權值；[ωp]代表惟一化參數(shù)；[Ii，j]代表原動畫場景圖像。假設[ωs]代表動畫場景圖像空間域權值，[ωr]代表動畫場景圖像灰度域權值，結合高斯函數(shù)得到雙邊濾波的動畫場景圖像的權值系數(shù)[ω]為：

[ω=exp-i-x2+j-y22σ2s?exp-Ii，j-Ix，y22σ2r] （9）

式中：[i，j]分別代表原動畫場景圖像[x]方向和[y]方向的坐標點；[σs]代表動畫場景圖像的空間域權值的標準差；[σr]代表動畫場景圖像灰度域權值的標準差。假設[P=piNpi=1，X=xiNxi=1]分別代表動畫場景圖像待匹配的兩個點云數(shù)據(jù)的集合，搜索出動畫場景圖像的點集[P]中的每個點[pi]在點集[X]上的最近鄰點作為對應點，設[Y=yiNpi=1]代表[P=piNpi=1]的對應點組成模型的點集，動畫場景圖像點云配準的目的是尋找點集[P]和點集[Y]之間的最優(yōu)變換關系，結合ICP法得到動畫場景圖像的最小旋轉矩陣[R]和平移向量[t]的最小目標函數(shù)，利用式（10）進行計算：

[f=1Npi=1Npyi-Rpi+t2] （10）

式中[Np]代表動畫場景圖像表鄰域中點的總數(shù)，通過點云配準后，產(chǎn)生大量冗余的動畫場景圖像特征點，利用近鄰點聚類過程對動畫場景圖像點云進行合并完成數(shù)據(jù)精簡。假設[s]代表動畫場景圖像三維空間中的一個三維向量樣本點，且[s∈E]滿足[Nearest（E，s，s），]利用式（11）表示動畫場景圖像點云的數(shù)據(jù)精簡：

[Nearest（E，s，s）??s∈Es-s≤s-s] （11）

式中：[s-s=i=1ksi-s′i2；][E]代表動畫場景圖像點云數(shù)量的總數(shù)；[s]代表該樣本點的最近鄰點；[s]代表動畫場景圖像點云精簡后的點云數(shù)量；[si]代表動畫場景圖像三維空間向量[s]的第[i]維度；[s′i]代表動畫場景圖像三維空間向量[s]的最近鄰點。通過對式（11）求解可得到動畫場景圖像數(shù)據(jù)精簡后的點云，以此為依據(jù)完成3D動畫場景平面設計。

2 實驗結果與分析

為了驗證實驗的準確性，實驗數(shù)據(jù)采用CCD攝像機多角度拍攝的5組動畫場景圖像序列，動畫場景圖像分辨率為380×600 dpi，幀速率為20 f/s。通過Windows平臺分別對改進方法和雙目視覺方法的3D動畫場景平面設計實驗結果進行描述。分別利用改進方法和雙目視覺方法進行3D動畫場景平面設計實驗，將兩種方法下3D動畫場景的點云計算時間（單位：ms）進行對比，對比結果如圖1所示。通過對圖1進行分析可知，利用改進方法進行3D動畫場景的點云計算時間要短于雙目視覺方法，這主要是因為在利用虛擬現(xiàn)實技術進行3D動畫場景平面設計過程中，先在空間中建立代表動畫場景深度信息的網(wǎng)格節(jié)點，并根據(jù)動畫場景圖像特征點與三維點云之間的關系得到動畫場景圖像的三維特征點。利用ICP法完成動畫場景圖像點云的精確配準，得到動畫場景圖像的三維點云，使得利用改進方法進行3D動畫場景平面設計的點云計算時間較短。endprint

分別利用改進方法和雙目視覺方法進行3D動畫場景平面設計實驗，將兩種不同方法進行3D動畫場景平面設計的性能指標參數(shù)的定位距離均方誤差[Hli]進行對比，利用式（12）進行計算：

[Hli=12ml2li-ml] （12）

式中：[li]代表動畫場景圖像第[i]組對應點在變換之后的距離差；[ml]代表預先給定值。兩種不同方法的性能指標參數(shù)對比結果如圖2所示。

通過對圖2進行分析可知，利用改進方法進行3D動畫場景平面設計的性能指標參數(shù)的定位距離均方誤差要低于雙目視覺方法，這主要是因為在利用虛擬現(xiàn)實技術進行3D動畫場景平面設計過程中，先計算出動畫場景圖像徑向、切向畸變下攝像機坐標系下的歸一化三維坐標，利用多次迭代的形式對動態(tài)動畫場景圖像徑向、切向畸變進行補償，結合雙邊濾波法對動畫場景圖像進行濾波處理，獲得動畫場景圖像的空間域權值和動畫場景圖像灰度域權值，使得利用改進方法進行3D動畫場景平面設計的定位距離均方誤差較低。

分別利用改進方法和雙目視覺方法進行3D動畫場景平面設計實驗，將兩種不同方法進行3D動畫場景平面設計的重建精度對比，采用點云數(shù)量對比不同方法下的3D動畫場景平面設計的重建精度，對比結果如表1所示。

通過對表1進行分析可知，利用改進方法進行3D動畫場景平面設計的點云數(shù)量要多于雙目視覺方法，能有效提高動畫場景的重建精度，這主要是因為在利用虛擬現(xiàn)實技術進行3D動畫場景平面設計過程中，先計算出動畫場景圖像徑向、切向畸變下攝像機坐標系下的歸一化三維坐標，用多次迭代的形式對動態(tài)動畫場景圖像徑向、切向畸變進行補償，獲得歸一化處理后的動畫場景圖像坐標，在此基礎上結合點云配準法計算出動畫場景圖的最小旋轉矩陣以及最小平移向量的目標函數(shù)，使得利用改進方法進行3D動畫場景平面設計能有效提高重建的精度。

3 結 語

針對當前方法進行3D動畫場景平面設計過程中難以獲取3D動畫場景完整、正確的深度信息，存在計算復雜，且三維動畫場景連續(xù)性較差的問題，提出一種基于虛擬現(xiàn)實技術的3D動畫場景平面設計方法。實驗結果表明，所提方法能夠有效提升3D動畫場景的重建精度，且具有較強的實時性以及可靠性。

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