視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的三維動(dòng)畫優(yōu)化技術(shù)研究

鄧明慧

（江西科技學(xué)院，江西 南昌 330000）

0 引 言

三維動(dòng)畫不受時(shí)間、空間與對象等約束，通過不同表現(xiàn)形式形象、生動(dòng)、立體地描述具有復(fù)雜性、抽象性的目標(biāo)對象[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維動(dòng)畫在社會(huì)不同領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，使影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、軍事模擬等領(lǐng)域發(fā)生巨大變化并取得驚人的成就[2]。

社會(huì)發(fā)展與生活節(jié)奏的加快在改善人們物質(zhì)生活的同時(shí)也給人們文化、精神上帶來巨大發(fā)展，人們對于精神生活的追求欲望更加強(qiáng)烈[3]。因此，視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)格局發(fā)生改變，“以人為主”與“智能化”成為視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心理念與技術(shù)支撐[4]，將感性與理性相結(jié)合，滿足人們對于藝術(shù)追求的深層次心理需求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要組成部分[5]，其作為人工智能領(lǐng)域的前沿技術(shù)，通過模擬人類感知功能，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境之間的交互體驗(yàn)。

為提升三維動(dòng)畫應(yīng)用性能，研究視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維動(dòng)畫優(yōu)化技術(shù)，將視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)以人為主的理念與智能化技術(shù)手段，獲取更加優(yōu)質(zhì)的三維動(dòng)畫優(yōu)化效果。

1 視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維動(dòng)畫優(yōu)化技術(shù)

1.1 三維動(dòng)畫優(yōu)化技術(shù)邏輯結(jié)構(gòu)

三維動(dòng)畫中使用了藝術(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及仿生學(xué)等諸多學(xué)科內(nèi)容，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過藝術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形的充分融合，獲取三維動(dòng)畫畫面[6]。

正是由于三維動(dòng)畫呈現(xiàn)的目標(biāo)對象是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，導(dǎo)致其呈現(xiàn)的內(nèi)容具有程序設(shè)定與觀看視角固定的約束性[7]，不能根據(jù)用戶實(shí)際需求與意愿調(diào)整動(dòng)畫內(nèi)容并與其實(shí)施交互。

而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性與真實(shí)性充分體現(xiàn)了視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的“以人為主”與“智能化”，能夠針對性地解決三維動(dòng)畫的約束性。

視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維動(dòng)畫優(yōu)化技術(shù)邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 三維動(dòng)畫優(yōu)化技術(shù)邏輯結(jié)構(gòu)

視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維動(dòng)畫優(yōu)化技術(shù)包含前期設(shè)計(jì)、中期制作、后期合成與交互體驗(yàn)四個(gè)主要階段[8]。

前期設(shè)計(jì)階段是三維動(dòng)畫優(yōu)化的基礎(chǔ)，主要處理內(nèi)容為劇本設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)與場景合成；中期制作、后期合成與交互體驗(yàn)是三維動(dòng)畫優(yōu)化的關(guān)鍵，中期制作階段的主要處理內(nèi)容為模型構(gòu)建、紋理處理、渲染等[9]；后期合成階段主要是針對動(dòng)畫片段與聲音合成、文件生成等內(nèi)容進(jìn)行處理；交互體驗(yàn)階段則主要針對用戶與虛擬三維動(dòng)畫場景之間的動(dòng)態(tài)交互進(jìn)行處理。

1.2 多視覺三維動(dòng)畫建模

多視覺三維動(dòng)畫模型構(gòu)建是以前期設(shè)計(jì)階段中的造型與場景設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，基于多視覺動(dòng)畫關(guān)鍵幀處圖像序列生成變分模式下深度判斷模型[10]，參考離散空間取樣原理得到動(dòng)畫原始深度圖，通過最初對偶原理優(yōu)化動(dòng)畫圖像深度模型，基于此判斷求解多視覺三維動(dòng)畫模型。

參考整體LM 集束修正原理對初始化地圖進(jìn)行協(xié)同完成處理，公式描述如下：

式中：τi和yi分別描述動(dòng)畫圖像第i個(gè)關(guān)鍵幀的相機(jī)位姿六元組描述向量和生成場景三維特征點(diǎn)。

假設(shè)多視覺動(dòng)畫圖像具有光照固定性與深度圖平滑性[11]，則式（2）可描述動(dòng)畫圖像深度能量函數(shù)模型：

式中：Wda和Wre分別描述動(dòng)畫圖像數(shù)據(jù)懲罰項(xiàng)和變分規(guī)則項(xiàng)；δ和Ψ分別描述Wda與Wre之間的權(quán)重系數(shù)和深度圖取值范圍，Ψ?R2。Wda計(jì)算公式如下：

Wre內(nèi)包含Huber 算子，其計(jì)算過程如下：

為準(zhǔn)確求解W d，用m描述輔助變量，得到：

式中θ表示常量。相較于式（2），式（6）在引入m后轉(zhuǎn)換成凸優(yōu)化問題，對其實(shí)施求解并以其解為基礎(chǔ)可實(shí)現(xiàn)多視覺三維動(dòng)畫模型構(gòu)建，基于三維動(dòng)畫模型進(jìn)行紋理處理與渲染處理。

1.3 三維動(dòng)畫模型紋理渲染

三維動(dòng)畫模型紋理的位置坐標(biāo)和此坐標(biāo)對應(yīng)顏色的數(shù)據(jù)是三維動(dòng)畫模型紋理渲染的關(guān)鍵[12]。利用紋理映射方法映射三維動(dòng)畫模型，公式描述為：

利用式（8）可將輸入的三維動(dòng)畫模型紋理轉(zhuǎn)變?yōu)殇秩炯y理，采用雙線性算法實(shí)施求解[13]。同時(shí)，x和y的取值范圍均為0～1 之間，因此可用描述三維動(dòng)畫模型紋理空間相鄰像素的差值，得到：

融合式（9），式（10）能夠獲取三維動(dòng)畫模型輸入點(diǎn)像素間的差值，基于該差值可完成三維動(dòng)畫模型紋理渲染處理。

1.4 用戶與三維動(dòng)畫場景的動(dòng)態(tài)交互

三維動(dòng)畫優(yōu)化過程中，靜態(tài)的三維虛擬仿真場景無法完成用戶實(shí)際的交互需求。為滿足用戶的交互需求，采用 VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言）建立基于事件的三維動(dòng)畫人機(jī)交互機(jī)制，通過環(huán)境變化、用戶交互等生成事件，并將其作為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化的觸發(fā)器[14]。

三維動(dòng)畫虛擬仿真場景中的節(jié)點(diǎn)利用事件入口與出口分別接收、發(fā)出事件，利用路由連接一個(gè)節(jié)點(diǎn)的事件出口與相鄰節(jié)點(diǎn)的事件入口構(gòu)建事件體系，由此實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫虛擬場景與用戶之間的動(dòng)態(tài)交互，該交互過程貫穿于三維動(dòng)畫優(yōu)化各階段中[15]。

三維動(dòng)畫虛擬仿真場景的動(dòng)態(tài)交互機(jī)制如圖2 所示，其中的傳感器節(jié)點(diǎn)具有感知用戶需求的功能，其在VRML 虛擬空間中處于隱藏狀態(tài)，能夠感知用戶對三維動(dòng)畫目標(biāo)點(diǎn)擊、拖移等操作，依照用戶實(shí)際需求變換屬性與變量，同時(shí)變換的內(nèi)容可通過不同節(jié)點(diǎn)接口的路由進(jìn)行傳輸，也可同外界數(shù)據(jù)源交流。

圖2 三維動(dòng)畫虛擬仿真場景的動(dòng)態(tài)交互機(jī)制

2 仿真測試

2.1 測試環(huán)境

為驗(yàn)證本文研究的視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維動(dòng)畫優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用性能，設(shè)定如表1 所示的應(yīng)用測試配置條件，選取移動(dòng)攝像機(jī)多視角拍攝的6 組動(dòng)畫圖像分鏡頭為測試對象，采用本文技術(shù)對其進(jìn)行處理測試。

表1 應(yīng)用測試配置條件

2.2 三維動(dòng)畫建模測試

采用本文技術(shù)對6 組測試對象進(jìn)行三維動(dòng)畫建模，各組測試對象特征點(diǎn)匹配結(jié)果如表2 所示。

表2 測試對象特征點(diǎn)匹配結(jié)果

由表2 得到，采用本文技術(shù)進(jìn)行三維動(dòng)畫建模過程中，測試對象特征點(diǎn)匹配率均達(dá)到91%以上。將基于平差理論的三維動(dòng)畫優(yōu)化技術(shù)和基于小波分析的三維動(dòng)畫優(yōu)化技術(shù)作為對比，對比本文技術(shù)與對比技術(shù)特征點(diǎn)匹配率均值，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 特征點(diǎn)匹配率對比

特征點(diǎn)匹配率的高低直接影響三維動(dòng)畫建模精度，兩者之間為正比例關(guān)系，特征點(diǎn)匹配率越高建模精度也越高。由圖3 得到，本文技術(shù)針對六組測試對象得到的特征點(diǎn)匹配率均值為93.65%，與對比技術(shù)相比提升3.63%以上，由此可知采用本文技術(shù)進(jìn)行三維動(dòng)畫建模處理，特征點(diǎn)匹配率高于對比技術(shù)，說明本文技術(shù)處理三維動(dòng)畫建模精度較高。

2.3 三維動(dòng)畫渲染結(jié)果測試

將實(shí)驗(yàn)中本文技術(shù)建模后的各組測試對象實(shí)施三維動(dòng)畫模型紋理渲染后輸出至虛擬三維環(huán)境內(nèi)。第5 組三維動(dòng)畫模型紋理采樣圖像和紋理渲染圖像如圖4所示。

為測試本文技術(shù)紋理渲染效果，將第5 組測試對象進(jìn)行尺度變換，將渲染速度設(shè)為固定值，測試尺度有所差異的條件下三維動(dòng)畫模型渲染效果結(jié)果如表3 所示。

由表3 得到，在保證渲染速度一致的條件下，不同尺度的三維動(dòng)畫模型渲染后像素均為77.7 dpi。由此說明，在渲染速度固定的條件下，三維動(dòng)畫模型尺度發(fā)生任何改變，其渲染后的像素值均不變，即效果不變。

圖4 第5 組測試對象三維動(dòng)畫模型紋理渲染結(jié)果

表3 渲染效果測試

2.4 交互功能評價(jià)

選取10 位相關(guān)領(lǐng)域人員采用百分制方法對6 組測試對象的交互功能進(jìn)行整體評價(jià)，在每組測試對象10 個(gè)評價(jià)分?jǐn)?shù)中排除最高評價(jià)分?jǐn)?shù)和最低評價(jià)分?jǐn)?shù)后，計(jì)算每組的平均值，結(jié)果如表4 所示。

表4 測試對象交互功能評價(jià) 分

分析表4 得到，本文技術(shù)處理后各組測試對象的交互功能評價(jià)結(jié)果均達(dá)到90 分以上，與對比技術(shù)相比存在顯著優(yōu)勢，由此可知本文技術(shù)處理后的三維動(dòng)畫具有較強(qiáng)交互功能，符合視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)以人為主的核心設(shè)計(jì)理念。

3 結(jié) 語

本文主要研究視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維動(dòng)畫優(yōu)化技術(shù)，考慮視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中以人為主的核心設(shè)計(jì)理念，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)相結(jié)合，提升三維動(dòng)畫的交互功能。應(yīng)用測試結(jié)果充分說明本文技術(shù)達(dá)到了最初的研究目的。