基于幾何特征的動畫建筑場景無損復(fù)原系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要： 傳統(tǒng)的復(fù)原系統(tǒng)在對動畫建筑場景進行復(fù)原時，會出現(xiàn)一定程度的損壞，很難達到無損復(fù)原，影響人們的視覺體驗。為了解決這一問題，設(shè)計一種新的動畫建筑場景復(fù)原系統(tǒng)，該系統(tǒng)引用幾何特征原理。文中僅針對硬件進行設(shè)計，并給出硬件結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)主要由顯示器、存儲器、處理器和傳輸器四部分組成，處理器選用48位處理器，能夠同時處理簡單指令集和復(fù)雜指令集;存儲器選用OYR存儲器，能夠?qū)崿F(xiàn)多類型存儲;傳輸器采用隔層結(jié)構(gòu)、上層結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多方位傳輸;顯示器選用彩色二極管為核心裝置，解決閃爍問題。為驗證系統(tǒng)的工作效果，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行實驗對比，結(jié)果表明，基于幾何特征的復(fù)原系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)動畫建筑場景的無損復(fù)原，使人們擁有完美的觀賞體驗。

關(guān)鍵詞： 無損復(fù)原系統(tǒng); 硬件設(shè)計; 數(shù)據(jù)傳輸; 動畫建筑場景; 場景復(fù)原; 實驗驗證

中圖分類號： TN02?34; TP301.6" " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2019）21?0105?05

Abstract： When the traditional restoration system recovers an animated architectural scene， there will be a certain degree of damage， which is difficult to achieve non?destructive restoration and affect people′s visual experience. In order to solve this problem， a new system for animated architectural scene restoration is designed by means of the principle of geometric features. The hardware structure diagram is given. The system is mainly composed of four parts： display， memory， processor and transmitter. The 48?bit processor is selected， which can process both simple instruction set and complex instruction set at the same time. The OYR memory is adopted to realize multi?type storage. The compartment structure， upper layer structure and network structure are adopted for the transmitter to realize multi?directional transmission of data. The color diode is used as a core device in the display to eliminate the flicker phenomenon. In order to verify the working effect of the system， the system is compared with the traditional system in the experiment. The experimental results show that the geometric feature?based restoration system can realize the non?destructive restoration of the animated architectural scene， which can make people have a perfect viewing experience.

Keywords： lossless restoration system; hardware design; data transmission; animated architecture scene; scene restoration; experimental verification

0" 引" 言

步入21世紀以后，信息和知識飛速發(fā)展，影視文化成為人們現(xiàn)在生活不可缺少的一部分，其中具有非常大潛力的動漫產(chǎn)業(yè)也隨之興起。我國的動漫專業(yè)教育在不斷提高，培養(yǎng)出了大量出類拔萃的人才，人們對于動漫的技術(shù)要求也在逐步提高，動畫建筑場景對于動漫產(chǎn)業(yè)是極為重要的。在一部動漫當(dāng)中角色要有自己的活動空間，所以無論何時都能看到場景的出現(xiàn)和切換，如果沒有了場景，一個角色會顯得死氣突兀，難以得到人們的認可。動漫演繹的內(nèi)容十分豐富，而場景則烘托了角色的演繹地點和氣氛[1]。

動漫建筑場景復(fù)原過程抽象性很強，很容易被外界因素破壞，必須要采取有效手段對動漫場景進行復(fù)原。傳統(tǒng)的動漫建筑場景復(fù)原系統(tǒng)雖然能夠復(fù)原絕大部分場景，但是不能達到無損復(fù)原，技術(shù)相對落后，而幾何特征方法恰恰能彌補這一缺陷，達到無損復(fù)原，滿足動漫的技術(shù)要求[2]。綜上所述，本文基于幾何特征設(shè)計了一種新的動漫場景復(fù)原系統(tǒng)。動漫建筑的復(fù)原系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，本文只針對硬件進行設(shè)計，軟件部分不予研究，通過本文設(shè)定的系統(tǒng)硬件能夠達到無損復(fù)原。本研究對于動漫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有很大的推動作用。

1" 動畫建筑場景無損復(fù)原系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了提高復(fù)原系統(tǒng)的性能，對系統(tǒng)硬件進行重點設(shè)計，硬件部分主要由顯示器、存儲器、處理器和傳輸器四部分組成。顯示器主要負責(zé)將場景復(fù)原系統(tǒng)的結(jié)果顯示在LED屏幕上;存儲器負責(zé)把場景復(fù)原系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)存儲在中心計算器中;處理器負責(zé)處理動畫建筑場景無損復(fù)原的所有數(shù)據(jù);復(fù)原器主要負責(zé)將丟失的數(shù)據(jù)圖像全方位復(fù)原[3]。幾何特征的動畫建筑場景無損復(fù)原系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1" 處理器設(shè)計

處理器分為HKG和CYN兩種狀態(tài)，主要應(yīng)用URN技術(shù)和分流技術(shù)，處理器內(nèi)部擁有48位HKG指令集，24位CYN指令集。處理器工作時的兩種狀態(tài)分別為HKG狀態(tài)、CYN狀態(tài)，當(dāng)處理器處理48位HKG指令集時是HKG狀態(tài)，當(dāng)處理器處理24位CYN指令集時是CYN狀態(tài)。本文選用的處理器為48位處理器，該處理器性能優(yōu)于16位和24位ONRE處理器，代碼密度更強，同時，在HKG模塊中增加了CYN模式。CYN在48位的HKG指令集中抽出32條指令集，編成24位新的代碼[4]。相對于HKG指令集，CYN指令集有局限性，更多的指令加大了系統(tǒng)的運行時間，因此要完成相同的指令，必須要同時切換HKG指令集和CYN指令集。本文設(shè)定的處理器在執(zhí)行任何一個程序時都可以隨時轉(zhuǎn)換，且不影響程序的執(zhí)行和處理器的工作模式。

處理器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

觀察圖2可知，本文研究的處理器包含UD和HE兩種模式，UD處理模式主要負責(zé)處理復(fù)雜的指令集，HE處理模式主要負責(zé)處理簡單的指令集。由于技術(shù)不斷發(fā)展，中心客戶端會繁衍各種復(fù)雜的指令集，整體的體系結(jié)構(gòu)也會越來越復(fù)雜，有[14]的指令集是比較常用的指令集，使用率占[34]，由UD處理模式處理;不常用的指令集占[34]，使用率是[14]，由HE處理模式處理[5]。

UD和HE兩種模式擁有各自的優(yōu)點，HE處理模式負責(zé)簡單的精簡計算處理固定的指令，在使用中可以自動縮減指令，完成程序處理;UD處理模式保留了儲存指令，由寄存器在儲存器內(nèi)部操作，只需要最簡單的基本指令[6]。處理器內(nèi)部芯片采用高端硬布線邏輯，打破了以往采用微碼的技術(shù)芯片，大大減少了指令，達到了指令簡化，優(yōu)化編譯。UD和HE兩種模式的共同使用使處理器的處理效果得到有效提升，工作成本得到很大程度的降低[7]。

觀察圖3可知，處理器整體電路采用串聯(lián)的方式連接，以VCC和GND接地，K2與并聯(lián)電阻[R4]，[R5]連接，同時工作。

1.2" 存儲器設(shè)計

本文采用OYR存儲器，可同時存儲文字數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)，該存儲器內(nèi)部有34個數(shù)據(jù)通道，23個GJK出口，28個QCB出口，運轉(zhuǎn)為960 MHz。存儲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分成基本存儲系統(tǒng)存儲和工作存儲?；敬鎯τ址譃槿齻€區(qū)域，分別負責(zé)HBV數(shù)據(jù)塊、程序塊和用戶端[8]。系統(tǒng)存儲負責(zé)HBV的處理運算結(jié)果;工作存儲負責(zé)已經(jīng)處理完可執(zhí)行的程序塊，調(diào)節(jié)相互的作用及關(guān)系。存儲器能夠同步完成讀取資料、運算結(jié)果等操作。內(nèi)部加入地址寄存器，能夠存儲尋找地址時的方向指針。數(shù)據(jù)地址累加器可以同時打開兩個指定地址，使存儲器內(nèi)部所有程序都可以配套使用，數(shù)據(jù)塊包括共享數(shù)據(jù)塊和瞬時數(shù)據(jù)塊[9]。存儲器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

觀察圖4可知，存儲器最大功率不能超過15 mW，存儲數(shù)據(jù)和內(nèi)部通道控制器要同時運轉(zhuǎn)，確保各個數(shù)據(jù)被精準儲存。內(nèi)部通道控制器一定要是存儲數(shù)據(jù)的4倍，提高存儲器的精準度。存儲器有著較好的供電系統(tǒng)，支持多種電壓類型的輸入，可以檢測內(nèi)部故障，降低故障率。OYR儲存器有優(yōu)越的環(huán)境適應(yīng)系統(tǒng)，不需要配置額外的溫度適配器，并且安裝了保護裝置。存儲器的辨識度極高，能準確辨識多種數(shù)據(jù)，提高存儲效率[10]。存儲器電路如圖5所示。

觀察圖5可知，[RS]與[RG]采用串聯(lián)方式連接，[RS]與[RV]采用并聯(lián)方式連接，電路圖內(nèi)部擁有4個接地端，3個指示燈。

1.3" 傳輸器設(shè)計

本文選用的傳輸器在工作過程中，各零件緊密配合，能夠完成數(shù)據(jù)的共享，如果一個部件出現(xiàn)異常，傳輸器能夠自動處理問題[11]。傳統(tǒng)傳輸器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺少多樣化，做工質(zhì)量差，很難滿足市場的需求，需要精密的調(diào)校，本文引用人工智能技術(shù)，簡化了傳輸器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了做工質(zhì)量。傳輸器有多種接口，主要接口為三星生產(chǎn)的JKC27?20i，它具有高速運轉(zhuǎn)、兼容能力強、外圍擴展等優(yōu)點。傳輸器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

觀察圖6可知，傳輸器采用了三種結(jié)構(gòu)：隔層結(jié)構(gòu)負責(zé)將儀表盤、電機保護裝置等對應(yīng)安裝，完成多種數(shù)據(jù)采集;網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)負責(zé)將分散的數(shù)據(jù)集中起來與上層數(shù)據(jù)進行完整對接，實現(xiàn)交互數(shù)據(jù);上層結(jié)構(gòu)負責(zé)將硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)情況安裝在監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)人機交互，將數(shù)據(jù)顯示給客戶端。傳遞音頻數(shù)據(jù)時采用多種RHG語音傳遞技術(shù)，較傳統(tǒng)音頻優(yōu)化了噪音、通話等，該技術(shù)效果顯著，優(yōu)于其他的音頻設(shè)備，有很強的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力，尤其在傳輸率特別低的情況下仍然能正常工作。通過對TNLC的調(diào)校保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

傳輸器整體通過分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，最底層是各種類型的驅(qū)動，通過設(shè)備驅(qū)動管理實現(xiàn)系統(tǒng)操作，為了達成通信協(xié)議，需要移植TFV協(xié)議，傳輸器內(nèi)部包括了其他的應(yīng)用程序與服務(wù)器，提供多樣化中文界面，適用管理與訪問的遠程家庭網(wǎng)，實現(xiàn)內(nèi)部終端的控制。同時采用多功能ZY儀表盤，配合采集功能的器械達到多線路連接，最多可達500余條，實現(xiàn)了將光纖數(shù)據(jù)高速傳輸。

傳輸器電路圖如圖7所示。觀察圖7可知，傳輸器能夠與控制器結(jié)合，實現(xiàn)雙工傳輸，使傳輸能力更強，安裝過程更簡單。同時能傳輸多個版本的PTCN，支持傳輸彩色格式視頻36位，能夠最大傳輸40位視頻數(shù)據(jù)。光纖接口一般為CI或YG接口，工作時能承受的溫度為-30～50 ℃，用料為硬化濾紙，傳輸器采用4根HFTI線，光纜的使用壽命更長[12]。

1.4" 顯示器設(shè)計

本文選用的顯示器為二極管顯示器，市場上二極管顯示器使用量在逐步提高，其中原因有兩種，提高成品率與降低成本。二極管顯示器可以提高系統(tǒng)的靈活性，制造商不需要去把控控制器就能提升效率，并把顯示器市場經(jīng)濟最大化。首次出現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的是小型且低分辨率黑白顯示器，因技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在第二次制造的翻蓋手機顯示器中取得了很大的成就。第一批的攝錄機與數(shù)碼相機都是采用彩色的二極管取景器，更是奠定了其發(fā)展方向，自彩色二極管被制造出來，就一直被廠家利用優(yōu)化工藝來改進顯示器[13]。因為二極管的圖像質(zhì)量、電能效率及低溫性能突出得到了廣泛認可。缺點是彩色二極管暫時還比較昂貴，目前各種廠家在不斷努力縮小價格上的差距。本文設(shè)定的顯示器結(jié)構(gòu)如圖8所示。并不是所有制造出來的彩色二極管都是一樣的，觀察圖8可知，本文設(shè)計的彩色二極管采用更大的電流驅(qū)動無緣矩陣，得到有效降壓，驅(qū)動電壓為20 V。里面包含了可四位二進的兩個鎖存器，由四組數(shù)據(jù)碼輪流輸入，被譯碼器譯碼后分別進入到集成電路的各個陽極上，由MTS組成的電路被數(shù)字驅(qū)動所控制，頻率電壓顯示較高。顯示器分別由四組不同的數(shù)碼管顯示，有效解決了閃爍問題。顯示器大部分結(jié)構(gòu)原理相同，不同的只有四段譯碼器與被譯碼的電路過程。本文與傳統(tǒng)顯示器相比具有很大優(yōu)勢，無論是外觀、焊接、線路等都有很大提升。

2" 驗證實驗

2.1" 實驗?zāi)康?/p>

為了檢測本文研究的基于幾何特征的動畫場景復(fù)原系統(tǒng)的實際效果，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行對比，分析系統(tǒng)復(fù)原效果。

2.2" 實驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實驗參數(shù)如表1所示。

2.3" 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述參數(shù)進行實驗，選用本文研究的復(fù)原系統(tǒng)和傳統(tǒng)復(fù)原系統(tǒng)同時對同一個建筑物場景進行動畫復(fù)原，觀察復(fù)原結(jié)果，并分析復(fù)原后的損壞程度，根據(jù)結(jié)果對兩種系統(tǒng)的性能進行具體的分析。得到的實驗結(jié)果如圖9所示。

復(fù)原后的建筑場景損壞程度：

選取8個時間點，分別記錄成[S1]，[S2]，…，[S8]，其中，[S1]為初始點，[S8]為結(jié)束點。在這8個時間點內(nèi)記錄建筑場景復(fù)原后的結(jié)果。觀察圖9可知，隨著復(fù)原時間的增加，動畫場景損壞程度在逐漸減小，但是使用傳統(tǒng)系統(tǒng)復(fù)原的動畫場景，在結(jié)束點[S8]時，仍然存在12%的場景損壞，而使用本文系統(tǒng)復(fù)原的動畫場景，在結(jié)束點[S8]時已經(jīng)沒有場景損壞，達到無損復(fù)原的效果。

2.4" 實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗結(jié)果與分析，可得到如下實驗結(jié)論：對于動漫場景進行無損復(fù)原是一項十分復(fù)雜的工作，傳統(tǒng)系統(tǒng)雖然能夠盡量將場景還原，但是也難以達到無損復(fù)原。本文引用了細節(jié)放大技術(shù)，硬件結(jié)構(gòu)中的處理器、存儲器和傳輸器同時受中心模塊管理，能夠在短時間內(nèi)多次復(fù)原，并對每個細節(jié)進行針對性訓(xùn)練，從而達到整個場景的無損復(fù)原。該技術(shù)具有很強的復(fù)原能力，在動畫產(chǎn)業(yè)中有著很大的發(fā)展空間。

3" 結(jié)" 語

動畫產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球主要產(chǎn)業(yè)之一，并且為人們的生活帶來更多視覺享受，動畫產(chǎn)業(yè)的相關(guān)技術(shù)也在逐步完善，建筑場景復(fù)原是動畫場景復(fù)原的重要手段之一。對于動漫來說，建筑場景復(fù)原能夠起到貫穿和升華的作用，提高藝術(shù)感染力。現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展給了動畫場景復(fù)原更多的呈現(xiàn)手段，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，引用幾何特征技術(shù)設(shè)計了一種新的動畫場景復(fù)原系統(tǒng)，在硬件上進行了強化設(shè)置，通過全方位分析建筑物的幾何特征，達到無損復(fù)原的效果，給觀賞者更加直觀、真實的觀賞感受。

參考文獻

[1] 尹威.運用傳統(tǒng)建筑元素的動畫場景設(shè)計方法探討[J].教育，2017，23（2）：242.

YIN Wei. Discussion on the design method of animation scenes using traditional architectural elements [J]. Education， 2017， 23（2）： 242.

[2] 徐紅琴.中國傳統(tǒng)建筑元素在動畫場景設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].藝術(shù)科技， 2017，30（1）：41?43.

XU Hongqin. Application of Chinese traditional architectural elements in animation scene design [J]. Art science， 2017， 30（1）： 41?43.

[3] 孫冬，徐云鵬.基于三維技術(shù)的動畫場景設(shè)計形式與發(fā)展研究[J].設(shè)計，2017，58（3）：74?75.

SUN Dong， XU Yunpeng. Animated scene design based on 3D technology research on form and development [J]. Design， 2017， 58（3）： 74?75.

[4] 高海燕.動畫場景設(shè)計中傳統(tǒng)建筑造型藝術(shù)的應(yīng)用分析[J].漢江師范學(xué)院學(xué)報，2017，37（3）：72?76.

GAO Haiyan. Application analysis of traditional architectural art in animation scene design [J]. Journal of Hanjiang Normal University， 2017， 37（3）： 72?76.

[5] 張利敏.淺析運用傳統(tǒng)建筑元素的動畫場景設(shè)計方法[J].戲劇之家，2018，32（3）：91.

ZHANG Limin. An analysis of the design method of animation scenes using traditional architectural elements [J]. Theatre house， 2018， 32（3）： 91.

[6] 祝清瑞，李爭.基于增強現(xiàn)實的動態(tài)紅外場景仿真系統(tǒng)設(shè)計研究[J].紅外，2017，38（2）：26?31.

ZHU Qingrui， LI Zheng. Design of dynamic infrared scene simulation system based on augmented reality [J]. Infrared， 2017， 38（2）： 26?31.

[7] 林珊多，王藝潼，伊鴻月.場景設(shè)計在游戲動畫中的重要性[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2017，85（30）：11?13.

LIN Shanduo， WANG Yitong， YI Hongyue. Scene design in game animation importance [J]. Architectural engineering technology and design， 2017， 85（30）： 11?13.

[8] 佘開，何怡剛，李兵，等.基于場景幾何特征的ETC識別范圍預(yù)測方法[J].儀器儀表學(xué)報，2017，38（2）：295?303.

SHE Kai， HE Yigang， LI Bing， et al. Prediction method of identification zone for ETC based on scenario geometric features [J]. Chinese journal of scientific instrument， 2017， 38（2）： 295?303.

[9] 楊振發(fā)，萬剛，曹雪峰，等.基于幾何結(jié)構(gòu)特征的點云表面重建方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2017，29（11）：2684?2692.

YANG Zhenfa， WAN Gang， CAO Xuefeng， et al. Method of surface cloud surface reconstruction based on geometric structure features [J]. Journal of system simulation， 2017， 29（11）： 2684?2692.

[10] 楊躍，劉俊勇，黃媛，等.基于特征橢球和支持向量機復(fù)合映射的暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測模型[J].電網(wǎng)技術(shù)，2017，41（8）：2514?2520.

YANG Yue， LIU Junyong， HUANG Yuan， et al. Transient stability prediction model based on composite ellipsoid and support vector machine [J]. Power system technology， 2017， 41（8）： 2514?2520.

[11] 王衛(wèi)民，金力.基于Android的手語動畫自動生成軟件設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2017，25（18）：42?45.

WANG Weimin， JIN Li. Sign language animation generation of software design based on android [J]. Electronic design engineering， 2017， 25（18）： 42?45.

[12] 杜寶江，楊益宇，杭詩怡，等.火災(zāi)虛擬場景模型單元庫的技術(shù)實現(xiàn)[J].中國水運，2018，39（1）：96?98.

DU Baojiang， YANG Yiyu， HANG Shiyi， et al. Technical realization of fire virtual scene model unit library [J]. China water transport， 2018， 39（1）： 96?98.

[13] 曲文元，熊建設(shè)，秦勃，等.基于聲線跟蹤法開發(fā)超聲無損檢測動態(tài)仿真軟件[J].計算機仿真，2006，23（4）：269?273.

QU Wenyuan， XIONG Jianshe， QIN Bo， et al. Research on modeling technology based on geometric characteristics of scene from single image [J]. Computer simulation， 2006， 23（4）： 269?273.

[14] 董蘭芳，鄭月平.基于場景幾何特性的單視圖建模技術(shù)研究[J].計算機仿真，2013，30（11）：412?415.

DONG Lanfang， ZHENG Yueping. Research on modeling technology based on geometric characteristics of scene from single image [J]. Computer simulation， 2013， 30（11）： 412?415.