三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)中的角色建模與行為控制方法研究

□吳 琦

一、引言

隨著社會(huì)和科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)動(dòng)畫的需求不僅僅只是影像畫面效果，追求更多的是立體、逼真的影像體驗(yàn)，三維虛擬動(dòng)畫作為一個(gè)設(shè)計(jì)行業(yè)也因此而受到人們的大量關(guān)注。三維虛擬動(dòng)畫主要是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)人物以及事物進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，以達(dá)到逼真效果，是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫學(xué)和計(jì)算機(jī)圖像學(xué)中重要的一個(gè)分支結(jié)構(gòu)，通過真實(shí)人物素材的提供，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出既虛擬又抽象的三維動(dòng)畫效果。且這種三維虛擬動(dòng)畫技術(shù)不受任何空間條件的制約，因此這種技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)熱門行業(yè)以及領(lǐng)域。

隨著我國開放性發(fā)展，尤其是改革開放以來，三維虛擬動(dòng)畫技術(shù)發(fā)展迅速，并出現(xiàn)了一大批流暢且人性的制作三維模擬動(dòng)畫的軟件APP，促進(jìn)了當(dāng)代三維虛擬動(dòng)畫的水平與效率，且保證了制作質(zhì)量。

三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是角色建模，通過傳統(tǒng)的平面動(dòng)畫與現(xiàn)代的立體觀念相結(jié)合的方式，分析二維情形下人物角色的特征，結(jié)合人物形象理念設(shè)計(jì)相應(yīng)的三維虛擬動(dòng)畫形象。因?yàn)槿S虛擬動(dòng)畫結(jié)構(gòu)需要匹配二維模式下多個(gè)動(dòng)畫圖形才可以建立一個(gè)完整的三維虛擬動(dòng)畫角色，而三維虛擬動(dòng)畫的角色建立又是通過數(shù)學(xué)矩陣和向量的角度為出發(fā)點(diǎn)，通過對(duì)人物素材角色的輪廓建立相應(yīng)的取樣點(diǎn)，從而畫出對(duì)應(yīng)的取樣曲線序列，形成初步的三維網(wǎng)絡(luò)模型。而三維虛擬動(dòng)畫的精髓是三維人物的關(guān)節(jié)和骨節(jié)，這時(shí)就需要借用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行動(dòng)作的捕捉從而進(jìn)行三維角色的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)三維人物角色在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)規(guī)律無障礙的運(yùn)動(dòng)。

二、建立虛擬三維動(dòng)畫模型的過程

為了實(shí)現(xiàn)三維虛擬模型的布線合理性，需要利用物理引擎的方式作為基礎(chǔ)，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)的方式實(shí)現(xiàn)三維虛擬人物動(dòng)畫的各個(gè)姿態(tài)。但是角色動(dòng)畫又區(qū)別于流體和變形動(dòng)畫，角色動(dòng)畫一般由兩部分組成。第一部分是骨骼模型的建立，且是三維虛擬動(dòng)畫中最關(guān)鍵且重要的一個(gè)步驟，而骨骼模型的關(guān)鍵是關(guān)節(jié)，通過載體鉸鏈對(duì)象將其進(jìn)行連接形成父骨骼，之后通過最后的關(guān)節(jié)模型連接父子骨骼，從而定義所設(shè)計(jì)的骨骼運(yùn)動(dòng)情況。第二部分是外層皮膚的建立，此環(huán)節(jié)需要依托成熟的骨骼模型進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此骨骼模型的建立是至關(guān)重要的。

對(duì)于骨骼模型，要從其本身的最高層級(jí)的根骨骼說起，通過旋轉(zhuǎn)自由度實(shí)現(xiàn)骨骼間的連接，之后通過所設(shè)計(jì)的骨骼模型對(duì)其進(jìn)行父骨骼與根骨骼的記錄調(diào)節(jié)。

目前適用于骨骼模型創(chuàng)建和調(diào)節(jié)的當(dāng)選MAYA軟件，它的優(yōu)勢是可以通過轉(zhuǎn)換系統(tǒng)IK實(shí)現(xiàn)三維模擬人物模型的手臂轉(zhuǎn)換，并且可以將其放到任何一種三維模擬人物模型中加以使用。利用MAYA創(chuàng)建骨骼模型的過程如圖1所示。

圖1 三維模擬人物骨骼的創(chuàng)建流程圖

由圖1可以看出三維模擬人物骨骼模型的創(chuàng)建還需要對(duì)三維模擬人物的軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬，如圖2所示，此時(shí)就需要借助開源物理引擎ODE對(duì)三維模擬人物的關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而出現(xiàn)我們所說的物理模擬，之后通過模擬器實(shí)時(shí)給人物關(guān)節(jié)傳遞狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)三維模擬人物的生成。

圖2

由圖2可知，三維模擬人物動(dòng)畫的步驟需要嚴(yán)格執(zhí)行每一步且及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)世界建立三維模擬對(duì)象，并根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求對(duì)三維模擬角色進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)制，實(shí)現(xiàn)模擬器中的互動(dòng)，根據(jù)要求設(shè)定所需的人物角色速度與人物所需要承受的力量，一切設(shè)置妥當(dāng)就可以實(shí)現(xiàn)完整三維模擬人物形象的建立了。

三、對(duì)三維虛擬人物動(dòng)畫行為的控制過程

當(dāng)三維虛擬人物形象外部建立完成之后，就要對(duì)其的動(dòng)作進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以達(dá)到所需的真實(shí)性?？刂七^程如圖3所示。首先對(duì)人物素材動(dòng)作進(jìn)行捕獲，運(yùn)用物理學(xué)的方法進(jìn)行軌跡的復(fù)制，使三維虛擬動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)人物相應(yīng)比例的運(yùn)動(dòng)與調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)三維虛擬動(dòng)畫人物的逼真性。之后通過系統(tǒng)反饋，設(shè)置適合三維模擬人物動(dòng)畫關(guān)節(jié)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)外界信息與三維虛擬動(dòng)畫相比例的結(jié)合，盡可能避免外界的干擾實(shí)現(xiàn)相對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，增加人物形象與現(xiàn)實(shí)形象的相似度，與骨骼關(guān)節(jié)承受力量的科學(xué)性，滿足對(duì)三維虛擬動(dòng)畫的約束控制條件。

圖3 三維模擬人物形象的行為控制過程

由圖3可知三維虛擬人物形象的行為動(dòng)作是整個(gè)三維虛擬人物形象的靈魂，需要我們認(rèn)真進(jìn)行比例數(shù)據(jù)分析，才可以設(shè)計(jì)出毫無違和感的人物形象以及舒適真實(shí)的三維模擬角色動(dòng)作。

作為三維虛擬人物角色的靈魂所在，骨骼關(guān)節(jié)的調(diào)整與控制變得至關(guān)重要。在進(jìn)行大體的行為控制之后，我們還應(yīng)該考慮行為分支的控制。首先交互控制，三維虛擬人物形象之間的交互控制，使用者與三維虛擬人物的交互控制，尋找交互控制的最可適宜控制點(diǎn)，設(shè)置適應(yīng)使用者各種環(huán)境角度下的操作。還需要及時(shí)調(diào)整交互界面，通過不同視角觀察三維虛擬人物形象，將觀察點(diǎn)放置到各個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)相結(jié)合，使三維虛擬人物形象更加逼真。比如，可以設(shè)置三維虛擬人物形象的眼睛部位，結(jié)合三維立體實(shí)現(xiàn)眼睛的多效結(jié)合，比如三維虛擬人物所處的情景，還需要考慮各種環(huán)境下人物形象的處理方法與對(duì)應(yīng)策略。

除此之外還需要設(shè)立多個(gè)攝像機(jī)捕捉人物素材各方面的形象、神態(tài)、動(dòng)作等肢體語言，并及時(shí)傳送給設(shè)置終端，對(duì)人物形象進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)三維虛擬人物形象全方位的真實(shí)感，給瀏覽者帶來最真實(shí)的體驗(yàn)，還需對(duì)三維虛擬形象進(jìn)行碰撞檢測，當(dāng)三維虛擬人物形象碰撞到障礙物的時(shí)候所出現(xiàn)的體驗(yàn)感覺應(yīng)該是不同的。在三維虛擬人物形象上建立虛擬的訪問返回檢測裝置，可以實(shí)現(xiàn)三維虛擬人物形象的數(shù)據(jù)返回，從而與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)。

四、仿真實(shí)驗(yàn)

三維虛擬人物形象設(shè)計(jì)完成之后，還要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性以及控制的有效性，并對(duì)設(shè)計(jì)過程中的人物形象的采集點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證與再采集，結(jié)合傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)比較，對(duì)三維虛擬人物形象進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)全部情景下的三維模擬人物實(shí)驗(yàn)。

(一)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備。選取內(nèi)存運(yùn)行合適的計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維模擬人物形象的原始數(shù)據(jù)設(shè)定，之后將計(jì)算機(jī)與綜合平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接連接，充分利用三維虛擬人物角色動(dòng)作行為控制綜合平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制方面的檢測，使用傳統(tǒng)的采集方法對(duì)三維虛擬人物角色進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與檢測，將所有數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)終端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的整合分類，并對(duì)比傳統(tǒng)和當(dāng)下的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的相同相異點(diǎn)進(jìn)行分析，選擇最合適的數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入確保三維虛擬角色實(shí)驗(yàn)前的嚴(yán)謹(jǐn)性與綜合性。

(二)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比總結(jié)。將所有采集的數(shù)據(jù)結(jié)合起來進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)通過傳統(tǒng)方式進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本文所提高方式的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)較少，精準(zhǔn)度較低，人物形象的綜合完整度較低，但是本文所提到的方式則完整度較高，數(shù)據(jù)比較密集，可驗(yàn)證性較高，符合實(shí)驗(yàn)要求的嚴(yán)謹(jǐn)與科學(xué)，可以多次的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的檢測，控制人物的行為，多次進(jìn)行驗(yàn)證，符合時(shí)代所特有的高效性與有效性。

(三)分析實(shí)驗(yàn)。當(dāng)一場三維虛擬模擬實(shí)驗(yàn)完成之后，還要對(duì)其進(jìn)行各個(gè)功能、各種終端下運(yùn)行以及各種情景下的分析，對(duì)其性能的分析是為了檢驗(yàn)這種三維虛擬人物角色實(shí)驗(yàn)是否滿足我們對(duì)三維虛擬人物角色所需要的動(dòng)作需求與行為需求，對(duì)其外形的分析是為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的三維虛擬人物形象是否滿足大眾的審美以及外形的真實(shí)性與相似性，對(duì)其在各種情景之中的分析是為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的三維虛擬人物角色是否在各種情境下做出相應(yīng)的動(dòng)作與神態(tài)，比如雨天淋雨和避雨神態(tài)以及動(dòng)作，與他人碰撞或者與外物碰撞所作出的反應(yīng)，最重要的是要檢驗(yàn)各種情景是否滿足終端的大眾配置，在普通終端下運(yùn)行是否流暢，是否可以實(shí)現(xiàn)大眾化的計(jì)算機(jī)運(yùn)行使用且不破壞三維虛擬人物形象的畫質(zhì)。

(四)整合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定最終結(jié)果。進(jìn)行對(duì)比整合數(shù)據(jù)之后，需要對(duì)三維虛擬角色行為控制、建模方式提供科學(xué)依據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)束不是結(jié)局，而是下一場成功實(shí)驗(yàn)的開端，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳細(xì)記錄在冊，不僅方便調(diào)節(jié)改正時(shí)候的使用，更為后人提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過最后的確定形象明確三維虛擬人物形象的設(shè)計(jì)方法以及三維人物形象的標(biāo)準(zhǔn)。

五、結(jié)語

隨著我國近年來動(dòng)畫行業(yè)的不斷興起，大眾對(duì)動(dòng)畫人物建模的要求也在隨之增加，三維虛擬動(dòng)畫的真實(shí)性成為人們當(dāng)代對(duì)動(dòng)畫的追求。本文通過對(duì)三維虛擬人物動(dòng)畫在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行更新與升級(jí)，不僅增加了三維虛擬人物形象的精致度，而且也運(yùn)用了豐富的色彩已到達(dá)真實(shí)的目的，使三維虛擬人物形象更加逼真。