基于模板的虛擬人體動(dòng)畫設(shè)計(jì)

方旭

（中國人民解放軍重慶通信學(xué)院，重慶400035）

1.引言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的迅速發(fā)展，虛擬環(huán)境中虛擬人的運(yùn)動(dòng)生成與控制已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。一般情況下，動(dòng)畫師在設(shè)計(jì)骨骼動(dòng)畫時(shí)，只是直接對(duì)3維模型進(jìn)行操作，以最常見的關(guān)鍵幀動(dòng)畫為例，先在某一幀內(nèi)，修改每塊骨骼的位置、方向，然后將所有的幀連續(xù)播放形成動(dòng)畫。這樣做的缺點(diǎn)是效率低、操作繁瑣，且不易修改。并且由于三維人體運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜，一般都有上百個(gè)自由度，采用關(guān)鍵幀方法很難預(yù)先確定人體每個(gè)關(guān)節(jié)的角度。

本文提出了一種基于動(dòng)畫模板的動(dòng)畫制作方法。基于給定的動(dòng)畫模板，用戶只需輸入一個(gè)3D骨骼模型和其行走路徑，根據(jù)模型的尺寸和想要實(shí)現(xiàn)的行走風(fēng)格在操作界面上調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，就可快速、方便地制作出具有某種風(fēng)格的動(dòng)畫。

2.設(shè)計(jì)思想

傳統(tǒng)的動(dòng)畫制作方法有一個(gè)共同特點(diǎn)，即用戶無法根據(jù)需要自由定制動(dòng)畫效果，且結(jié)果一旦生成，修改起來較麻煩。而本文的動(dòng)畫模板從人機(jī)交互的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，更加適于用戶使用，可自由方便地定制動(dòng)畫，操作簡(jiǎn)單，效率高，對(duì)現(xiàn)有結(jié)果的修改也較容易。

本文實(shí)現(xiàn)的動(dòng)畫系統(tǒng)是在Blender軟件的平臺(tái)下，用Python腳本語言編寫的，適用于制作蒙皮骨骼動(dòng)畫。Blender不僅在開發(fā)過程中大量使用了Python語言，而且在Blender軟件中自帶了Python解釋器和核心的Python模塊，使得我們可以在Blender中方便地使用Python語言開發(fā)自己的程序。

3.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前，制作3D動(dòng)畫的方法有三種：關(guān)鍵幀方式、運(yùn)動(dòng)曲線方式、路徑方式。我們的方法綜合了關(guān)鍵幀和運(yùn)動(dòng)曲線方式。

3.1 動(dòng)畫模板系統(tǒng)的架構(gòu)

本文的動(dòng)畫模板系統(tǒng)由4部分構(gòu)成：用戶操作界面、Python腳本程序、Blender宿主系統(tǒng)和3D顯示窗口，如圖1所示。Python腳本相當(dāng)于一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，動(dòng)畫模板的所有功能都是通過調(diào)用執(zhí)行它來實(shí)現(xiàn)的。Python腳本和用戶界面可實(shí)現(xiàn)雙向的交互，腳本程序既可以從用戶界面得到輸入，又可以把執(zhí)行的結(jié)果和返回的狀態(tài)信息顯示在界面上。用戶操作界面可以看作一個(gè)提供給用戶的接口，能夠接收用戶輸入的參數(shù)，同時(shí)顯示當(dāng)前的狀態(tài)信息。Blender宿主系統(tǒng)是整個(gè)架構(gòu)的核心部分，它承擔(dān)著解釋執(zhí)行Python腳本、繪制、顯示等任務(wù)，將最后生成的動(dòng)畫在3D窗口中顯示出來。

3.2 動(dòng)畫模板的實(shí)現(xiàn)

所謂動(dòng)畫模板，就是利用一段腳本程序控制一個(gè)“虛”的、邏輯的骨骼模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。要將模板表示的運(yùn)動(dòng)附著在某個(gè)真實(shí)的骨骼模型上，只需將模板中的每個(gè)代理與模型上的某個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，動(dòng)畫模板通過控制代理物體的運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)骨骼模型運(yùn)動(dòng)。

在實(shí)現(xiàn)人物“走路”的動(dòng)作時(shí)，不必控制腿部和腳部的每一個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，只需關(guān)注腳部的3個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)：heel、foot、toe。當(dāng)這3個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)沿著正確的軌跡運(yùn)動(dòng)起來后，在heel關(guān)節(jié)點(diǎn)上加以反向動(dòng)力學(xué)（IK）約束，將IK鏈長(zhǎng)度設(shè)為2，即可帶動(dòng)大腿、小腿一起運(yùn)動(dòng)。

本文采用了添加空物體（empty）的方法，如圖2所示。在模型的中心點(diǎn)、雙腳、兩臂共增加9個(gè)空物體，除模型的中心點(diǎn)外，每個(gè)空物體與模型的一個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。動(dòng)畫模板實(shí)際上是控制空物體的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)空物體按照給定的要求形成動(dòng)畫以后，其與相應(yīng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的約束關(guān)系由用戶在Blender操作界面中手動(dòng)設(shè)定。

在本文實(shí)現(xiàn)的“行走”動(dòng)畫模板中，對(duì)foot和toe部位的關(guān)節(jié)點(diǎn)與骨骼添加“Track To”約束，對(duì)heel處的關(guān)節(jié)點(diǎn)與骨骼添加“IK”約束，對(duì)arm處的關(guān)節(jié)點(diǎn)與骨骼添加“Track To”約束，此外，中心點(diǎn)處的空物體不是與模型的某一個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，而是作為整個(gè)模型的父類控制著模型在空間方位、朝向上的變化。

用戶在使用動(dòng)畫模板時(shí)，希望得到一定的自由度，能夠根據(jù)需要隨時(shí)修改運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，得到不同的行走風(fēng)格。在模板中，用戶不僅可以設(shè)置模型的基本屬性，如模型中心點(diǎn)距地面的距離（Center height）、肘部關(guān)節(jié)點(diǎn)距地面的距離（Arm height）、雙腳分開距離（Heel separation），還可以修改和動(dòng)畫有關(guān)的屬性如：

(1)步伐的頻率(Move time)：即每個(gè)行走單元所用的時(shí)間，Move time越大，腳部運(yùn)動(dòng)的頻率越慢；反之，Move time越小，腳部運(yùn)動(dòng)的頻率越快。角色行走的步幅（即行走單元的長(zhǎng)度）、胳膊擺動(dòng)的幅度也是與Move time相關(guān)的，Move time越大，步幅和胳膊的擺動(dòng)幅度也越大，反之亦然。

(2)腳部抬起的高度(Liftheight)：這里的Liftheight為腳部運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)的高度值。

對(duì)于角色模型的胳膊的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，只需在肘關(guān)節(jié)處添加一個(gè)空物體，讓空物體相對(duì)于模型的中心前后運(yùn)動(dòng)，然后對(duì)空物體和肘部關(guān)節(jié)點(diǎn)加以“Track To”約束，小臂和大臂就會(huì)跟著擺動(dòng)起來。肘部關(guān)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于地面的高度用Arm height的值來表示。

4.結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文的動(dòng)畫模板的有效性，我們將同樣一個(gè)“行走”的動(dòng)作作用于兩個(gè)角色模型。如圖3所示。可以看出，第一組圖片基本保持了人物在行走時(shí)的動(dòng)作特征，第二組的小動(dòng)物也模仿了人走路的姿態(tài)。并且，將liftheight值增大，其它參數(shù)值保持不變，得到了人行走的另一組動(dòng)畫。人物的動(dòng)作幅度加大，腿抬起的高度明顯增加。

5.總結(jié)

本章提出了一種基于模板的行走動(dòng)畫定制方法，并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的行走動(dòng)畫系統(tǒng)。使用該模板系統(tǒng)制作動(dòng)畫，不必直接對(duì)模型進(jìn)行操作，只需設(shè)置用戶操作界面上的參數(shù)即可。而且，用戶可以根據(jù)特定的需求，隨意的調(diào)整參數(shù)，編輯出個(gè)性定制的動(dòng)畫。相比現(xiàn)有的動(dòng)畫制作方法，本文實(shí)現(xiàn)的動(dòng)畫模板使用簡(jiǎn)單、方便，可以快速地編輯、修改動(dòng)畫。

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