現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維動(dòng)畫處理技術(shù)研究

張路

摘? 要： 在原有現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)三維動(dòng)畫處理技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，常出現(xiàn)動(dòng)畫著色渲染效果較差的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)新型現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維動(dòng)畫處理技術(shù)。使用PCA圖像特征提取技術(shù)獲取圖像特征點(diǎn)，在原有圖像預(yù)處理過(guò)程的基礎(chǔ)上，增加著色渲染強(qiáng)化步驟，并對(duì)著色渲染后的圖像展開驗(yàn)證環(huán)節(jié)，保證渲染的效果。引用腳本語(yǔ)言插件，在原有系統(tǒng)中設(shè)定動(dòng)畫腳本語(yǔ)言控制動(dòng)畫處理過(guò)程，增加相應(yīng)的功能模塊并引用三維動(dòng)畫引擎實(shí)現(xiàn)其功能。至此，現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維動(dòng)畫處理技術(shù)設(shè)計(jì)完成。為保證設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性，選取測(cè)試平臺(tái)，設(shè)定測(cè)試樣本。與原有處理技術(shù)相比，此處理技術(shù)的圖像著色渲染結(jié)果與樣本較為一致，而原有技術(shù)處理后的圖像色差較大且邊緣模糊，綜上所述，所提動(dòng)畫處理技術(shù)效果更佳。

關(guān)鍵詞： 現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì); 三維動(dòng)畫技術(shù); 圖像處理; 特征提取; 著色渲染; 動(dòng)畫處理

中圖分類號(hào)： TN911.73?34; TP379? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）17?0043?04

Abstract： The poor color rendering effect often occurs in the application of 3D animation processing technology in the original modern art design system. In view of the above problem， a new 3D animation processing technology is designed for the modern art design system. PCA image feature extraction technology is used to obtain image feature points. On the basis of the original image preprocessing， the enhancement steps of color rendering are added， and the verification link of the rendered image is expanded to ensure the rendering effect. The script language plug?in is imported to set animation script language in the original system to control the animation processing procedure. Some corresponding function modules are added and the 3D animation engine is used to realize their functions. So far， the design of 3D animation processing technology in modern art design system has been completed. In order to ensure the effectiveness of the design results， the test platform is selected， and the test samples are set up. In comparison with the original processing technology， the effect of the image color rendering of this processing technology is more consistent with that of the sample. The color difference of the image processed by the original technology is large and the color edge is fuzzy. Anyway， the proposed animation processing technology has a better effect.

Keywords： modern art design; 3D animation technology; image processing; feature extraction; color rendering; animation processing

0? 引? 言

自計(jì)算機(jī)技術(shù)與三維技術(shù)誕生以來(lái)，藝術(shù)設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)技術(shù)逐步融合，產(chǎn)生現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)理念[1?2]。現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)在不斷發(fā)展的過(guò)程中，設(shè)計(jì)師隊(duì)伍逐漸壯大，現(xiàn)代設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，設(shè)計(jì)觀念也在不斷更新。近年來(lái)，現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用的范圍逐漸增加，從傳統(tǒng)的動(dòng)畫、影視制作逐漸走向教育、生產(chǎn)方向，為保證現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)運(yùn)用的效果，在以往的研究中設(shè)計(jì)出多種藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)[3]。但隨著三維技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)三維動(dòng)畫技術(shù)的要求，常出現(xiàn)三維動(dòng)畫著色渲染效果不佳的問(wèn)題。就目前現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展前景而言，這是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。因而，在此次研究中，將就現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維動(dòng)畫處理技術(shù)展開研究。

三維動(dòng)畫技術(shù)是一種以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)的綜合計(jì)算機(jī)學(xué)科，它是集心理學(xué)、數(shù)學(xué)等多種學(xué)科融為一體的新型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)靜態(tài)圖像技術(shù)向?qū)崟r(shí)圖像技術(shù)的轉(zhuǎn)變[4?5]。三維動(dòng)畫技術(shù)中主要包括動(dòng)畫控制技術(shù)、三維造型渲染和合成等技術(shù)。近年來(lái)，三維動(dòng)畫是國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)應(yīng)用中非常熱門與廣泛的領(lǐng)域之一，將此技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)之中，可有效提升藝術(shù)設(shè)計(jì)效果，保證現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

1? 三維動(dòng)畫處理技術(shù)設(shè)計(jì)

在原有的現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，由于三維動(dòng)畫處理技術(shù)與系統(tǒng)硬件之間不匹配，造成了動(dòng)畫渲染效果較差的情況[6?8]。針對(duì)此現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)中將著重對(duì)腳本語(yǔ)言以及三維動(dòng)畫引擎進(jìn)行設(shè)定，提升系統(tǒng)著色渲染性能。在此次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)以下流程保證設(shè)計(jì)的順序與可行性，具體流程如圖1所示。

使用以上流程完成此次設(shè)計(jì)。在此次設(shè)計(jì)中引用的三維動(dòng)畫引擎為高性能高集成的引擎，使用其實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代設(shè)藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本性能，此次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)為現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，所有技術(shù)的實(shí)現(xiàn)以原有系統(tǒng)硬件與此次研究中引用的設(shè)備作為基礎(chǔ)。

1.1? 提取動(dòng)畫特征點(diǎn)

在特征點(diǎn)提取的過(guò)程中，采用PCA圖像特征提取技術(shù)，將圖像設(shè)定為[x×y]階的圖像協(xié)方差矩陣[9]，以此降低特征值與特征向量計(jì)算的時(shí)間，提升特征點(diǎn)的獲取速度，保證計(jì)算過(guò)程中可以更加有效地獲取圖像數(shù)據(jù)。設(shè)定[Q]為一個(gè)具有[n]種維度的列向量，動(dòng)畫[D]通過(guò)公式[T=QD]投影在列向量中，其中動(dòng)畫[D]設(shè)定為圖像矩陣，在列向量中得到的橫向投影向量[10]為動(dòng)畫的投影特征向量。根據(jù)對(duì)以往文獻(xiàn)的研究可知，在投影中圖像分散度越高，投影向量對(duì)圖像的分辨能力越好，所以，投影特征向量的協(xié)方差矩陣的軌跡可用于投影圖像分散程度。通過(guò)公式可以表示為：

當(dāng)上述公式得到最大值時(shí)，可得到相應(yīng)的動(dòng)畫協(xié)方差公式[w（Q）=xGeD]，其中，[x]為歸一化列向量，[Ge]為列協(xié)方差。歸一化處理后，[w（Q）]為動(dòng)畫[D]的投影集，此投影集為正交關(guān)系，則有：

當(dāng)投影后滿足上述要求時(shí)，可得出相應(yīng)的特征向量提取公式，具體如下所示：

通過(guò)以上公式獲取原始圖像的特征向量，并將其組成為動(dòng)畫的特征向量，并以此作為動(dòng)畫處理的基礎(chǔ)信息。

1.2? 完成動(dòng)畫預(yù)處理

將獲取到的動(dòng)畫特征點(diǎn)，采用三維動(dòng)畫技術(shù)中的相關(guān)技術(shù)完成動(dòng)畫的預(yù)處理過(guò)程，在原有的三維動(dòng)畫預(yù)處理過(guò)程中，包含對(duì)原始圖像的去噪、特征點(diǎn)頂點(diǎn)設(shè)定、圖像的顏色分析與設(shè)定、圖像紋理處理等多方面工作。此次設(shè)計(jì)中，針對(duì)原有動(dòng)畫處理技術(shù)的問(wèn)題，在預(yù)處理工作中增加相關(guān)內(nèi)容，其余部分沿用原有技術(shù)中的設(shè)定，具體情況如圖2所示。

在此次設(shè)計(jì)中，將預(yù)處理過(guò)程設(shè)定為一種二維圖像向三維動(dòng)畫的轉(zhuǎn)變過(guò)程，將此過(guò)程設(shè)定為固定的流水線，具體如圖2所示。保證在預(yù)處理的過(guò)程中，每一步驟都具有輸入與輸出。將預(yù)處理過(guò)程設(shè)定為特征點(diǎn)轉(zhuǎn)換、圖像組合以及光柵化、插值以及貼圖[11?12]、著色渲染等環(huán)節(jié)。將第一部分中獲取到的特征點(diǎn)采用數(shù)據(jù)處理的方式，轉(zhuǎn)換為模型的坐標(biāo)系，然后采用光柵化處理完成動(dòng)畫著色與渲染，這是動(dòng)畫處理過(guò)程中的重要步驟，需要對(duì)每一部分的原始圖像進(jìn)行檢查與修復(fù)，保證圖像的有效性。將動(dòng)畫圖像與數(shù)據(jù)模型進(jìn)行整合，通過(guò)使用幀緩存寫操作完成對(duì)預(yù)處理后的圖像存儲(chǔ)工作，保證動(dòng)畫著色渲染效果。

1.3? 設(shè)定腳本語(yǔ)言

通過(guò)以上設(shè)計(jì)完成三維動(dòng)畫處理技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，為保證其在現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可操作性，通過(guò)設(shè)定腳本語(yǔ)言完成對(duì)其的控制。在原有藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中增加腳本語(yǔ)言插件，提升系統(tǒng)對(duì)三維動(dòng)畫處理技術(shù)的控制能力。

常用的腳本語(yǔ)言插件種類較多，包括擴(kuò)展型插件、幫助型插件、幾何體插件等，根據(jù)現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特征，此次設(shè)計(jì)中選用擴(kuò)展型插件，即maxscript插件[13]，完成腳本語(yǔ)言的設(shè)定工作。插件的整體功能設(shè)定如圖3所示。

采用以上插件設(shè)定腳本語(yǔ)言，在腳本語(yǔ)言中采用VC++語(yǔ)言完成輔助設(shè)計(jì)，將腳本語(yǔ)言設(shè)定為以.ms為擴(kuò)展名的文件，直接復(fù)制在現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，至此腳本語(yǔ)言設(shè)定完成。

1.4? 引用三維動(dòng)畫引擎

采用腳本語(yǔ)言完成對(duì)三維動(dòng)畫處理技術(shù)的控制，為保證其藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，引用三維動(dòng)畫引擎輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的模塊功能。在原有的藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中增加動(dòng)畫管理模塊[14?15]、渲染管理模塊、基礎(chǔ)圖元管理模塊、資源管理模塊，將設(shè)定后的三維動(dòng)畫引擎的位置設(shè)定如圖4所示。

將三維動(dòng)畫引擎按照上述設(shè)定安裝至現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，通過(guò)動(dòng)畫引擎完成三維動(dòng)畫處理過(guò)程，并將處理后的結(jié)果通過(guò)原有系統(tǒng)硬件顯示。至此，三維動(dòng)畫處理過(guò)程完成。

2? 性能測(cè)試分析

通過(guò)上述部分完成現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維動(dòng)畫處理技術(shù)設(shè)計(jì)，保證此次設(shè)計(jì)結(jié)果可有效解決原有技術(shù)無(wú)法解決的問(wèn)題，進(jìn)行測(cè)試完成性能研究。

2.1? 構(gòu)建測(cè)試環(huán)境

在此次測(cè)試中將本文設(shè)計(jì)技術(shù)與原有技術(shù)、基于數(shù)字信號(hào)處理的三維動(dòng)畫處理技術(shù)分別應(yīng)用于現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)之中，并對(duì)比不同技術(shù)的動(dòng)畫處理過(guò)程中腳本語(yǔ)言對(duì)動(dòng)畫的控制能力，通過(guò)動(dòng)畫渲染效果體現(xiàn)。在此次測(cè)試中，對(duì)現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)進(jìn)行設(shè)定，具體內(nèi)容如表1所示。

通過(guò)以上平臺(tái)條件實(shí)現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行，并以系統(tǒng)為測(cè)試的基礎(chǔ)設(shè)備，將測(cè)試樣本圖像帶入系統(tǒng)中，完成三維動(dòng)畫處理過(guò)程，獲取動(dòng)畫著色渲染結(jié)果。此次測(cè)試的重點(diǎn)為三維動(dòng)畫的渲染效果，因而，測(cè)試中的樣本分別設(shè)定為三維動(dòng)畫人物形象與三維動(dòng)畫場(chǎng)景，將設(shè)定好的樣本形象采用本文設(shè)計(jì)技術(shù)、原有技術(shù)、基于數(shù)字信號(hào)的處理技術(shù)分別展開處理，對(duì)比不同技術(shù)的處理結(jié)果，將所得結(jié)果通過(guò)圖像顯示，對(duì)比各技術(shù)之間的差異，以此完成測(cè)試過(guò)程。測(cè)試樣本圖像設(shè)定如圖5所示。

采用以上圖像完成此次測(cè)試，在測(cè)試中只對(duì)比動(dòng)畫著色渲染結(jié)果，其他差異暫不計(jì)入。

2.2? 結(jié)果分析

采用以上設(shè)定完成測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

將樣本圖像輸入現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，使用原有處理技術(shù)、本文技術(shù)與基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，所得結(jié)果如圖7所示。在測(cè)試結(jié)果中可以直觀發(fā)現(xiàn)，原有處理技術(shù)與基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)處理后的圖像與樣本的色差較大，本文技術(shù)處理后的圖像與樣本顏色基本一致。將圖像放大后，原有技術(shù)與基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)處理后的圖像邊緣較為模糊，本文技術(shù)處理后的圖像邊緣較為清晰。由此可知，本文技術(shù)的渲染效果優(yōu)于原有技術(shù)與基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。綜上所述，本文技術(shù)性能優(yōu)于原有技術(shù)與基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，與現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的貼合度更高。