趙偉

摘 要： 針對傳統(tǒng)基于進化計算的三維動漫人物設計方法存在表情僵硬、行動不靈活的缺點，提出基于VR技術的動漫人物三維設計方法。其從客觀存在的物理層面與主體審美的精神層面分析虛擬現(xiàn)實觀，基于虛擬現(xiàn)實觀圖解，融合VR技術與動漫人物三維設計技術，獲取三維動漫虛擬系統(tǒng)設計流程。通過鼠標雙擊地面的形式促使動漫人物在場景中行走，把文本輸入到文本框中，實現(xiàn)三維動漫人物相互溝通式漫游；設置虛擬動漫人物角色運動、碰撞檢測等基本屬性，確保動漫人物能夠自動計算障礙物的躲避路徑。通過對相機實施動漫人物跟蹤模式、飛行操作模式、雙重模式的設置，確保人物通過控制相機實現(xiàn)動漫場景的漫游。實驗結果表明，所提方法設計的動漫人物行動靈活、表情生動逼真、用戶滿意度高。

關鍵詞： VR技術； 動漫人物； 三維設計； 碰撞檢測； 虛擬現(xiàn)實觀； 相機控制

中圖分類號： TN911.23?34； J218.7 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0172?04

Abstract： In allusion to the disadvantages of rigid expression and inflexible actions existing in the traditional 3D cartoon character design method based on evolutionary computation， a cartoon character 3D design method based on VR technology is proposed. The virtual reality view is analyzed from the physical level of objective reality and the spiritual level of subjective aesthetic. The design process of the 3D animation virtual system is obtained on the basis of virtual reality view diagrammatization and by integrating the VR technology with the cartoon character 3D design technology. Cartoon characters are made to walk in the scene by using the form of double clicking the ground， and texts are input into a text box， so as to realize intercommunicated roaming of 3D cartoon characters. Virtual cartoon character movement， collision detection and other basic properties are set to ensure that cartoon characters can automatically calculate the path to avoid obstacles. The double modes of cartoon character tracking mode and flight operation mode are set for the camera to ensure that the cartoon scene roaming can be realized by the character′s control of the camera. The experimental results show that the cartoon characters designed by the proposed method are flexible in action， vivid in expression and have high user satisfaction.

Keywords： VR technology； cartoon character； 3D design； collision detection； virtual reality view； camera control

0 引 言

伴隨著數(shù)字化信息社會的到來，虛擬現(xiàn)實技術應運而生且被廣泛的應用[1]。虛擬現(xiàn)實技術是通過觸覺、視覺、聽覺等感知活動呈現(xiàn)出真實、立體的畫面，來滿足人們對于虛幻的體驗、好奇心的解答等需求。由于虛擬現(xiàn)實技術的交互性、自主性等特點，其多應用在醫(yī)學模擬手術、娛樂觀影體驗、室內(nèi)裝修效果展示以及三維動漫設計等領域。同樣數(shù)字信息技術的發(fā)展帶動了動漫產(chǎn)業(yè)的繁榮，動漫是我國文化產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，動漫三維設計在網(wǎng)絡游戲、卡通動畫、多媒體產(chǎn)品方面應用較廣，是經(jīng)濟發(fā)展的重要力量。為大力發(fā)展三維動畫產(chǎn)業(yè)，引入虛擬現(xiàn)實技術，可實現(xiàn)多方位的三維展示性能。本文提出基于VR技術的動漫人物三維設計方法，其是高科技工具與藝術思維的結合形成一種嶄新的藝術表現(xiàn)形式[2]，使得動漫制作的科技水平飛速提升，呈現(xiàn)的動漫效果更加生動、立體，促進了動漫產(chǎn)業(yè)的再生與發(fā)展。

1 基于VR技術的動漫人物三維設計

1.1 虛擬現(xiàn)實觀

本文研究的VR技術就是時下比較流行的虛擬現(xiàn)實技術。人們一般意義上的時空觀與單向接受的審美方式逐漸被改變，主要是因為虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，使人們的感官領域不斷擴大，甚至改變了人們感知體驗事物的方法與態(tài)度。技術的飛速發(fā)展并廣泛應用，使得人們認知世界的態(tài)度與觀念發(fā)生巨大變化，并且觀念的改變又推動技術的不斷革新。虛擬現(xiàn)實技術下形成的一種理念可稱作虛擬現(xiàn)實觀。另一種理解是，人們?yōu)闈M足自身虛幻的體驗、精神的渴望以及夢想的實現(xiàn)而進行的一種精神體驗。僅僅把“虛擬”“現(xiàn)實”兩個詞語合并得到的并不是這里所說的虛擬現(xiàn)實。本文研究虛擬現(xiàn)實技術是整體存在，它所包括的東西比一般客觀物理現(xiàn)實更加飽滿，含概一些虛擬元素，類似一種似是而非的客觀存在。虛擬現(xiàn)實觀主要從兩個層面向人們描述人物、景觀等場景創(chuàng)作，也就是客觀存在的物理層面與主體審美的精神層面，界面消融的新技術觀、虛擬現(xiàn)實的新藝術觀、能動體驗的審美觀共同構成了這兩個精神層面[3]。圖1對虛擬現(xiàn)實觀進行了詳細的描述。

為滿足人們對于虛幻世界體驗的形式與要求，虛擬現(xiàn)實技術在景觀與人物等客觀存在事物的基礎上融入更多的虛擬元素，給體驗者呈現(xiàn)出不一樣的畫面感。在這種新的體驗形式中，人們能夠獲取到不一樣的感官、視覺體驗，也是一個滿足好奇心理、探索求知、獲取樂趣的一個過程，人們通過一種簡單自然的方式從看、聽、觸方面感知虛擬現(xiàn)實世界，豐富了想象力與自主體驗、增強了智慧與創(chuàng)造性。以上內(nèi)容作為本文的理論基礎，接下來會對基于虛擬現(xiàn)實技術的動漫人物三維設計進行詳細研究。

1.2 三維動漫虛擬系統(tǒng)設計流程

數(shù)字信息技術的發(fā)展帶動了虛擬現(xiàn)實技術與三維動漫設計的飛躍進步，海量功能強大且性能優(yōu)良的軟、硬件動漫設計產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。在嚴格分析兩者特性的基礎上，本文對VR技術與動漫人物三維設計技術的結合進行了深入的研究，給出三維動漫虛擬系統(tǒng)的設計流程[4]，圖2對其進行詳細的描述。

分析圖2可得，三維模型設計、動作捕捉系統(tǒng)以及動漫人物的制作是動漫人物與場景制作的三大主體部分，而虛擬與現(xiàn)實技術和動漫三維人物的設計又是相輔相成的關系。整個設計系統(tǒng)把動漫技術、VR設備、網(wǎng)絡技術等進行了合理的歸納，整個系統(tǒng)主體是運動捕捉技術、交互式輸入設備、立體投射技術以及網(wǎng)絡虛擬平臺。體驗者在進行成品三維動漫觀看的過程中，不僅可以看到各種身臨其境的場景與人物，還能夠參與到具體的場景中去，以自身的視角在動漫中遨游，獲取不一樣的觀看體驗。該系統(tǒng)把VR技術與動漫人物三維設計相結合，制作的動漫人物具有參與感強、實時效果優(yōu)等特點[5]。

1.3 三維動漫人物的漫游

基于VR技術對三維動漫人物進行設計，通過鼠標雙擊地面的形式促使人物在場景中行走，操控方向鍵決定攝像機的方向。第一人稱自主參觀場景是通過攝像機對準人物的方式來實現(xiàn)的[6]。操控人物的行走方向還可以通過點擊場景中的景點、事物來實現(xiàn)?；赩R技術的動漫人物漫游開啟了一種全新的漫游方式，在具體的過程中，基于網(wǎng)頁與Virtools的虛擬系統(tǒng)，人物之間的對話以及在游戲中與非玩家人物的對話是通過以下步驟呈現(xiàn)出來的：把文本輸入到文本輸入框中，發(fā)揮服務器程序的作用將其存儲到數(shù)據(jù)庫，Virtools進行數(shù)據(jù)接收通過文本的方式呈現(xiàn)出來，在本地的硬盤中實現(xiàn)存儲與讀取。在游戲中，通過點擊非玩家人物與其進行對話，能夠獲取到游戲下一步任務等相關信息。當遇到可操控對象時，可以與其進行一系列交互動作，比如移動等，圖3為詳細的動物人物漫游設計流程。

1.4 虛擬動漫人物運動以及碰撞檢測

控制用戶的虛擬人物就是直接控制人物，通過第三人稱的形式使得用戶的操作更加便捷。本文基于VR技術設計的動漫三維人物是通過鼠標進行操控[7]。采用wait message + 2D picking + set position + character go to行為模塊確保通過鼠標點擊地面推進人物向目標方向行走，點擊位置的坐標是通過wait message的onclick信息對2D picking進行激活得到的，目標參考對象的位置是根據(jù)采用set position加載2D picking得到的坐標參數(shù)進行設置的。人物的簡單操控可以通過character go to指定人物的目標參考對象實現(xiàn)，但是這種操作下的人物沒有判斷與躲避障礙物的功能。為了解決這一問題，三維動漫設計采用網(wǎng)格塑造障礙層，設定好障礙區(qū)域，把層滑動添加到人物中，也可以采用網(wǎng)格路徑求解的方式獲取路徑并將其添加到人物跟隨網(wǎng)格路徑，最終動漫人物能夠在障礙層網(wǎng)格上自動計算障礙物的躲避路徑[8]，實現(xiàn)有效躲避障礙物。

1.5 相機的控制

動漫人物視角的控制是通過相機實現(xiàn)的，動漫人物在漫游的過程中要重視相機視角的設置，相機相當于人物的眼睛，萬一出現(xiàn)操作不當?shù)臓顩r很有可能導致受眾退出的結果。所以用戶的需求是第一位的，為保證這一點，對相機進行了跟蹤人物與飛行操作雙重模式的設置：動漫人物跟蹤模式，就是相機會對動漫人物進行實時跟蹤，人物是相機注視的對象，動漫人物的一舉一動都會被相機記錄下來。設置人物是相機的注視目標，令它們之間的長度是等量的，發(fā)揮相機方向、保持固定距離兩種功能的作用，這樣只是簡單的程序設計，存在諸多缺點，在相機與人物保持一定距離的情況下，導致動漫人物活動不靈活，極度受限[9]。

本文通過改進保持固定距離的方式優(yōu)化系統(tǒng)功能使得動漫人物既能靈活操作，又能達到相機與動漫人物距離不變的目的。具體做法是：在限定的領域中，人物是相機的注視目標，相機不會對人物跟進采取措施，若超出這個范圍，相機智能地對人物進行跟進。若相機離人物太遠，突然跟進的話動作幅度很大，易引起人物的反感，因此，相機回到人物身邊這一動作會在時間上有個延遲，則放緩相機運行的腳步。跟拍相機控制程序如圖4所示。

飛行操作模式，即動漫人物無須時刻被相機追蹤，同時不被動漫人物所限的一種操作模式[10]。相機會順著一條路徑進行運動，人物可以通過控制相機實現(xiàn)場景的漫游。被注視對象不會限制相機的活動，使得相機的操作更加靈活、便捷。

2 實驗分析

為了驗證本文提出的基于VR技術的動漫人物三維設計方法更加逼真、生動，展開實驗分析。實驗通過讓公眾參與到動漫三維創(chuàng)作中的方式，獲取公眾對于虛擬現(xiàn)實的理解與評價，便于對設計的作品加以改進。主要內(nèi)容是實施多次問卷調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結果對作品進行調(diào)整與改進。以三種三維動漫作品方案為例，對公眾的想法展開調(diào)查，來驗證本文提出的基于VR技術的動漫人物三維設計方法的優(yōu)勢，并將傳統(tǒng)基于進化計算方法作為對比分析方法。

2.1 不同方法的設計效果對比

眼動儀，采樣頻率為500 Hz；兩臺計算機，監(jiān)控實驗過程與記錄實驗數(shù)據(jù)的任務由主機來完成，三種方案由另一臺計算機呈現(xiàn)，利用以太網(wǎng)將兩臺機器進行連接。通過視頻轉(zhuǎn)換設備將主機與配有1394卡的記錄機器進行連接，確保被試操作軟件的過程及眼動數(shù)據(jù)信息連接在一起，以視頻格式存儲起來。為驗證本文方法設計的動漫人物設計更加生動真實，實驗以本文方法設計的歷史人物公孫龍為例，對資深游戲公司人物設計師與歷史學教授展開咨詢與訪問。

2.2 實驗結果分析

為了驗證本文方法設計的動漫人物設計更加生動真實，實驗以本文方法設計的歷史人物公孫龍為例，對資深游戲公司人物設計師與歷史學教授展開咨詢與訪問，詳細的調(diào)研情況匯總表如表1所示。

表1能夠清晰地描述出兩位專業(yè)人士對于本文方法設計下的動漫人物形象的真實評論，實驗的結果表明，本文方法設計的動漫人物更加真實、生動。

虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，使人們的感官領域不斷擴大，甚至改變了人們感知體驗事物的方法與態(tài)度。本文提出基于VR技術的動漫人物三維設計方法，其能夠呈現(xiàn)出身臨其境的效果，設計的動漫人物形象生動、逼真，滿足用戶追逐夢想、體驗虛幻世界的需求，為三維動漫設計提供了先進、強大的技術支持，是制作出優(yōu)良動漫作品的保障。

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