基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動漫設(shè)計系統(tǒng)

曹鋒

摘? 要： 針對傳統(tǒng)的動漫設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計的作品存在大量丟幀現(xiàn)象的問題，設(shè)計基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動漫設(shè)計系統(tǒng)。在原有系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，改進了相關(guān)硬件的配置。在硬件部分的基礎(chǔ)上，設(shè)計系統(tǒng)的軟件部分。使用數(shù)字媒體技術(shù)處理微動漫的設(shè)計底稿圖像。根據(jù)處理后的圖像對微動漫的角色和場景等對象建模，結(jié)合配音、音效等，輸出微動漫作品，完成基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動漫設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計。通過與傳統(tǒng)的動漫設(shè)計系統(tǒng)的對比實驗，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)計作品存在大量丟幀的問題，提高了動漫作品品質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 微動漫設(shè)計; 數(shù)字媒體技術(shù); 軟件設(shè)計; 圖像處理; 場景建模; 對比實驗

中圖分類號： TN02?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

動漫產(chǎn)業(yè)是“新興的朝陽產(chǎn)業(yè)”，隨著手機等便攜設(shè)備的不斷升級，以及互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，微動漫應(yīng)運而生。微動漫是用簡潔夸張的手法來描繪或演繹生活與社會時事，通過多種方法使觀眾在娛樂的同時領(lǐng)悟到微動漫作品想要表達的深刻含義，微動漫產(chǎn)品與新媒體傳播技術(shù)的有機結(jié)合，推動了微動漫產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的動漫設(shè)計系統(tǒng)在制作微動漫產(chǎn)品時會出現(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)的動漫行業(yè)，在設(shè)計和制作動漫產(chǎn)品的過程中，應(yīng)用數(shù)字媒體技術(shù)可以提高動漫作品的質(zhì)量，給觀眾更好的觀看體驗?；谝陨戏治?，本文將設(shè)計基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動漫設(shè)計系統(tǒng)。

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

本文設(shè)計基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動漫設(shè)計系統(tǒng)的硬件部分，在原有設(shè)計系統(tǒng)硬件部分的基礎(chǔ)上，對硬件配置進行改進，具體的微動漫設(shè)計系統(tǒng)硬件配置如表1所示。

按照表1對基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動漫系統(tǒng)硬件部分設(shè)計完畢后，在此基礎(chǔ)上設(shè)計微動漫設(shè)計系統(tǒng)的軟件部分。結(jié)合系統(tǒng)的硬件和軟件部分，實現(xiàn)該系統(tǒng)的目標功能。

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

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

2.1? 數(shù)字媒體技術(shù)處理動漫底稿圖像

動漫設(shè)計底稿是由設(shè)計師手繪的以線條表現(xiàn)動漫角色，以顏色表現(xiàn)動漫角色和場景的粗略設(shè)計圖。在使用設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計微動漫作品時，將底稿通過掃描儀輸入系統(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，使動漫角色與環(huán)境的區(qū)分度增加。為避免圖像處理過程中，使圖像丟失細節(jié)，根據(jù)圖像退化機制，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)計檢索圖像顏色特征。即對底稿圖像分塊，以分塊后每一塊的平均顏色、標準方差、非對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，為使建模后的動漫形象和場景更為真實，使用共生矩陣法提取圖像的紋理特征。設(shè)[I（x，y）]是經(jīng)過之前處理后的底稿圖像，若其灰度級為[N]，取圖像中的兩點[（x，y）]和[x+x1，y+y1]，兩點的灰度值為[（g1，g2）]，則在底稿中灰度值[（g1，g2）]共有[N2]個組合[7?9]。將這些灰度值組成一個[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，將底稿圖像生成對應(yīng)的矩陣，設(shè)置多個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，都得到其對應(yīng)的一個特征向量。通過各個方向上圖像紋理的特征向量均值和方差，表述整個動漫底稿圖像的紋理特征。完成對底稿圖像的紋理特征提取。根據(jù)對底稿圖像的處理結(jié)果，對微動漫中的角色和場景等對象建模處理。

2.2? 動漫對象建模設(shè)計

在一部微動漫作品中，主要有動漫角色和動漫環(huán)境兩個部分。微動漫作品的制作流程通常是設(shè)計師設(shè)計出微動漫的每一個場景初稿，然后在設(shè)計系統(tǒng)中對初稿開展多次調(diào)整，再根據(jù)設(shè)計稿建模，得到最終的作品[11]。動漫角色是一個作品的靈魂，本文采用群體模型生成方法實現(xiàn)對動漫角色的建模。

在專用的建模軟件中，根據(jù)設(shè)計稿完成初步的角色模型建立，使用遺傳算法對初代模型的結(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，按照圖1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)上述過程，直至模型建立完畢。

由于動漫角色要連接兩個或多個場景，因此，對動漫角色在作品中的路徑需要做一定的規(guī)劃[14]，本文采用改進后的PSO算法規(guī)劃和設(shè)計動漫角色的路徑。PSO算法的執(zhí)行過程如下：

初始化粒子數(shù)據(jù)：動漫角色數(shù)目、群體的迭代代數(shù)、（即場景次數(shù)）、角色在相連場景中的位置點、閾值和各角色在場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 //當前粒子的迭代次數(shù)未達到設(shè)定的閾值

{

if 本次角色位置的迭代次數(shù)小于目標位置的迭代次數(shù)

{

初始化所有粒子的最大值;

計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位置;

}

end //結(jié)束路徑規(guī)劃

}

粒子的更新速度計算公式如下所示：

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]個粒子在[d]維空間上的最優(yōu)值[15]。規(guī)劃好動漫角色的路徑后，對角色所在場景建模。每一場景的中心以角色所在位置為場景的定位點。結(jié)合設(shè)計稿中動漫角色與場景的時空關(guān)系，按照如圖2所示的多層次建模示意圖完成場景的建模。

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

3? 系統(tǒng)測試實驗

本文設(shè)計了基于數(shù)字媒體的微動漫設(shè)計系統(tǒng)，為了測試該設(shè)計系統(tǒng)的可行性，進行實驗驗證。

3.1? 實驗內(nèi)容

實驗選擇USAnimation軟件作為實驗數(shù)據(jù)生成平臺?；赨SAnimation軟件，由專業(yè)的動漫從業(yè)人員繪制微動漫底稿，并將底稿數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機虛擬實驗環(huán)境中。實驗采用對比驗證的形式，測試組為本文設(shè)計基于數(shù)字媒體技術(shù)的微動漫設(shè)計系統(tǒng)，對照組為傳統(tǒng)動漫設(shè)計系統(tǒng)。

實驗的測試對比指標為系統(tǒng)制作微動漫時數(shù)據(jù)幀的完整性，即制作的微動漫作品的丟幀率、設(shè)計底稿動漫角色的行為控制準確率以及對底稿數(shù)據(jù)的渲染性，即制作微動漫作品所展現(xiàn)出的色彩、質(zhì)感、光線等視覺效果。

實驗數(shù)據(jù)為一個具有多個場景的微動漫底稿，將該底稿輸入測試組和對照組兩個設(shè)計系統(tǒng)中。兩個系統(tǒng)分別根據(jù)設(shè)計底稿輸出微動漫作品。統(tǒng)計作品中每一場景數(shù)據(jù)幀的完整率，計算平均值后，以平均值為衡量兩組系統(tǒng)的數(shù)據(jù)指標，統(tǒng)計作品中不同時間點的角色運動行為控制情況，對比兩種系統(tǒng)角色控制準確率，將作品底稿分配到兩個系統(tǒng)進行場景渲染，對比單機渲染的耗時情況。

在實驗測試過程中，控制除實驗變量以外的測試條件不變，完成測試內(nèi)容，記錄兩個系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)。分析測試數(shù)據(jù)得出對應(yīng)的實驗結(jié)論。

3.2? 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如圖3所示。圖3a）和圖3b）分別代表兩個設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計制作的微動漫作品所有場景的平均丟幀率。

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）中嚴重的丟幀情況會影響設(shè)計的微動漫作品的連貫性;圖3b）中的丟幀情況，對于實驗測試選用的多個場景的設(shè)計底稿來講，不會影響動漫作品的連貫性。

在計算所有場景平均丟幀情況時，對照組系統(tǒng)在制作其中兩個場景時存在嚴重丟幀情況，實際播放對照組的作品時，由于丟幀造成場景不連貫，影響了用戶的觀看體驗。測試組系統(tǒng)的作品存在輕微的丟幀情況，但不影響微動漫的播放。

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

由于角色控制是微動漫設(shè)計系統(tǒng)的一個關(guān)鍵評價元素，角色控制準確率越高，系統(tǒng)所呈現(xiàn)的動漫展示效果越好，為此選取底稿角色控制的準確率作為系統(tǒng)評價指標。兩種系統(tǒng)的角色運動行為控制準確率比較結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知：在15 s之前，兩組系統(tǒng)的角色行為控制準確率均呈現(xiàn)上升趨勢，在15 s時，測試組系統(tǒng)和對照組系統(tǒng)角色運動行為控制均達到最高點，測試組系統(tǒng)為84%，對照組系統(tǒng)為34%;15 s之后，兩組系統(tǒng)的角色行為控制準確率均呈現(xiàn)下降趨勢，測試組系統(tǒng)最低下降至時間點30 s時的65%，對照組系統(tǒng)最低下降至時間點30 s時的9%。

實驗結(jié)果表明，實驗組系統(tǒng)角色控制準確性顯著高于對照組。原因在于本文系統(tǒng)對動漫對象進行建模處理，有助于動漫角色控制，提升了角色運動行為控制準確率。

由于動漫角色渲染時會花費大量時間用于微動漫場景的參數(shù)設(shè)置以及復(fù)雜動作流程設(shè)計，所以系統(tǒng)渲染耗時情況是衡量系統(tǒng)好壞的標準之一。

兩種系統(tǒng)的單機渲染耗時情況如表2所示。

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

兩個系統(tǒng)設(shè)計下的微動漫第20幀的設(shè)計效果圖如圖5所示。

分析圖5可知，測試組系統(tǒng)的微動漫第20幀設(shè)計效果無論是色彩飽和度還是視覺感受遠遠高于對照組。結(jié)果表明，本文微動漫設(shè)計系統(tǒng)最終設(shè)計效果更好。

4? 結(jié)? 語

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

參考文獻

[1] 熊昕.影視動漫設(shè)計中3D技術(shù)的應(yīng)用研究：以央視少兒頻道動畫片為例[J].電視技術(shù)，2018，42（12）：79?81.

[2] 王薇，蔣高明，叢洪蓮，等.基于互聯(lián)網(wǎng)的緯編針織物計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)[J].紡織學(xué)報，2017，38（8）：150?155.

[3] 葉鳳華，侯潔.襯板軋制動漫設(shè)計用AZ61合金的組織與性能研究[J].熱加工工藝，2018，47（14）：82?87.

[4] 聶茂，徐寧.動漫IP與國產(chǎn)動漫品牌協(xié)同運營研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2018，21（6）：154?159.

[5] 劉緒.基于數(shù)字媒體技術(shù)的服裝圖案處理研究[J].染整技術(shù)，2018，40（7）：68?70.

[6] 王靜，周來水，畢建平，等.基于CBR/RBR集成推理的注塑模架智能化設(shè)計系統(tǒng)的研究[J].塑料科技，2017，45（6）：68?72.

[7] 李志.游戲動漫專業(yè)項目化教學(xué)實踐研究：以游戲地圖美術(shù)設(shè)計課程為例[J].裝飾，2018（1）：132?133.

[8] 侯文輝，萬江.從影像記錄到微動漫演繹：互聯(lián)網(wǎng)+視域下戲曲大眾化傳播凝視[J].藝術(shù)百家，2017，33（6）：75?81.

[9] 陶蓉蓉.少數(shù)民族動漫藝術(shù)設(shè)計的開放思維培養(yǎng)：基于一帶一路背景[J].貴州民族研究，2017，38（10）：169?172.

[10] 趙輝.三維動漫場景實時性漫游優(yōu)化設(shè)計仿真[J].計算機仿真，2017，34（7）：359?362.

[11] 張穎露，劉華.中國典型動漫企業(yè)專利分析及啟示[J].情報雜志，2017，36（3）：125?130.

[12] 孫珊珊.高職院校動漫與藝術(shù)設(shè)計專業(yè)群學(xué)生創(chuàng)造力培養(yǎng)實踐與探索：基于湖南大眾傳媒職業(yè)學(xué)院的分析[J].職業(yè)技術(shù)教育，2019，40（5）：33?36.

[13] 張夢雨，黃心淵.基于移動設(shè)備的全景影片交互敘事研究：以Google Spotlight Stories影片Buggy Night為例[J].當代電影，2017（5）：133?136.

[14] 湯曉穎，張純.互聯(lián)網(wǎng)背景下珠三角動漫游戲設(shè)計與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)造性融合[J].包裝工程，2017，38（8）：202?206.

[15] 魯士發(fā)，周蓉，丁樹峰，等.美學(xué)生態(tài)視角下的數(shù)字資源建設(shè)與應(yīng)用研究[J].中國電化教育，2017（9）：91?97.