油田應急培訓系統中角色模型及動畫制作方法研究

石楊， 劉賢梅， 趙婭

(東北石油大學 計算機與信息技術學院, 大慶 163318)

0 引言

石油作業處于危險的環境，加強工人應急培訓，保障石油的安全生產，其重要性不容忽視[1]。為了解決這一問題，在工人上崗前需要對工人展開相應的應急培訓操作。通過調查發現，傳統的“教科書”式培訓不能讓工人理解正確的應急操作流程，也不能夠讓工人隨時、重復、直觀的學習?；谶@一弊端引入虛擬培訓的手段，虛擬培訓是指利用虛擬現實技術生成創建具有三維信息的虛擬環境的培訓體制，在油田應急培訓系統中，學員通過觀看演示動畫、作答選擇題以及工具選擇等方式熟悉真實作業環境，了解各種突發事故的應急處理預案。虛擬角色利用三維可視化數字技術對真實人物進行模擬，并借助3D顯示設備模擬真實環境、操作和流程，使受訓的人員能夠獲得和真實世界中相同或者相近的體驗。因此，應急培訓系統中虛擬角色的出現可以讓受訓人員在虛擬環境中獲取和真實場景無異的操作體驗，還可以實現隨時隨地可重復的操作培訓，在重復中不斷增強訓練效果，更重要的是這種虛擬環境使他們脫離了現實環境培訓中的風險，并能從這種培訓中獲得感性知識和實際經驗。本文主要研究油田應急培訓系統中的角色模型與角色動畫的制作。利用3DS Max軟件設計制作虛擬角色幾何模型，構建虛擬角色蒙皮，利用關鍵幀技術制作骨骼動畫，最后利用Unity3D實現動畫效果的演示。

1 角色模型的設計與制作

1.1 虛擬角色設計

虛擬角色的形象設計應滿足應急培訓項目的要求，對真實工人的操作環境、操作背景有一定的了解，最終創建出和實際工人相似度最大的虛擬角色模型。系統中虛擬角色的設計主要包括3個方面：即安全帽、角色五官以及工服的設計。

1.安全帽的設計

安全帽的正中間是一個中國石油的LOGO，帽檐部分較寬，防止石油工人在作業時上方重物脫落砸傷。從帽檐到帽頂采用紅色漸變，使安全帽整體看起來比較有光澤。

具體效果如圖1所示。

圖1 安全帽的設計效果圖

2.五官的設計

經過對人體五官比例的研究學習，五官的比例大致如下：眉毛約在整個人物面部的1/3處，眼睛約在整個人物面部的1/2處，鼻子的長度約占整個面部的1/3，嘴巴距離發際線的具體約為面部的7/9，發際線到比底的距離約占整個面部的2/3。人物面部的寬度約為5個鼻子的寬度[2]。具體效果如圖2所示。

圖2 五官樣式及比例設計圖

3.工服的設計

基于石油工人的工作性質，對其工服采取了以紅色為主打色的設計方案, 紅色是比較鮮艷、明顯、熱烈的顏色，紅色的工服能夠突出石油工人所在的位置。工服的設計包括胸口的石油徽標、兩側的熒光條、可以插放物品的小口袋等[3]。具體效果如圖3所示。

圖3 衣服平面設計圖

1.2 虛擬角色三維模型制作

虛擬角色模型的制作采取“自頂向下”的方式，即安全帽、頭部、身體的順序構造模型。

(1)安全帽：以“球體”為原型，減少它的分段數，達到優化的效果，調整安全帽的形狀，依次“擠出”帽子頂端還有兩側凸出部分，最后制作出帽檐的部分。具體效果如圖4所示。

圖4 安全帽制作圖

(2)頭部：主要是采取 “邊緣拖動復制”、“頂點焊接”、“擠出倒角”等操作，將五官按照比例連接在一起，制作出一半的角色頭部模型。由于虛擬角色的臉部是相互對稱的，所以將一半的角色頭部進行“實例化”操作，實例出完全相同的另一半臉部模型，在更改原模型的同時，實例出的模型也會隨之改變，最后將原模型和實例化的模型焊接在一起。采用“網格平滑”操作，將有棱有角的面片轉換為平滑的網格，以此來實現整個頭部模型的光滑度。具體效果如圖5所示。

圖5 角色頭部制作效果圖

(3)身體：在創建身體模型時，秉持衣服和身體一體化的原則，減少角色模型的面數，為后期的優化提供了保障。具體效果如圖6所示。

圖6 角色身體制作效果圖

1.3 虛擬角色貼圖

為虛擬角色貼圖不僅可以增加石油工人的真實感，還可以減少模型的面數。人物眼睛完全利用貼圖來實現，大大減少了眼球以及睫毛模型的面數，當模型應用到油田應急培訓系統中時，運行速度會有所提升。

虛擬角色貼圖采用“UVW展開”的方式對角色進行材質賦予，即將模型展開成一張二維的圖片，針對圖片的不同位置賦予相應的顏色。角色貼圖的實現方法如下：

(1)對角色安全帽和虛擬角色進行“ UVW展開”操作。將角色的頭部和身體剖開，具體效果如圖7所示。

圖7 角色UVW展開圖

(2)利用Photoshop工具對上述的UVW展開圖進行顏色的繪制，控制不同部分的材質顏色。具體效果如圖8所示。

圖8 角色UVW貼圖

(3)在材質編輯器中選取“多維子對象”作為虛擬角色模型的貼圖方式，設置安全帽和人物身體的ID，分別賦予材質。利用“材質編輯器”為虛擬角色賦上材質，貼圖后的虛擬角色效果如圖9所示。

圖9 最終貼圖效果

1.4 虛擬角色與骨骼的匹配

基于H-Anim人體建模標準，采用樹形結構創建角色骨骼模型。

1.骨骼構造

角色模型的運動主要通過骨骼的各關節點來控制，骨骼模型由關節點按一定層次連接成樹的結構。角色骨骼大致分為19個部分，和虛擬角色模型各個部分相匹配。[4]具體如圖10所示。

圖10 角色骨骼組成

2.骨骼運動

對于骨骼運動的研究，我們建立空間直角坐標系方便計算與定位，直角坐標系以O為原點，創建x軸(橫軸)、y軸(重軸)、z軸(豎軸)三條坐標軸?；陉P節的虛擬角色骨骼模型在運動時存在關節活動范圍極限值, 即

R(x,y,z)min≤R(x,y,z)=α≤R(x,y,z)max

(1)

式中,R(x,y,z)min和R(x,y,z)max為關節繞x,y和z軸允許旋轉的最小和最大角度。

根據 GB10000—88《中國成年人人體尺寸》中的數據, 成年人肢體各關節活動范圍如表1所示。

表1 成年人肢體部分關節的主要活動范圍

對虛擬角色骨骼模型進行運動編輯時, 各關節的運動要符合關節約束關系,否則運動不自然。[5]

以頸部為例，人體骨骼運動范圍如圖11所示。

圖11 人體骨骼頸部活動范圍圖

虛擬角色骨骼運動是由關節的運動觸發的，父節點的平移、旋轉會帶動子節點運動[6]。具體如圖12所示。

圖12 骨骼關節運動

3.骨骼綁定

(1)調整Biped系統中每一個骨骼的大小比例，讓模型能夠完全包含骨骼。為了方便骨骼和模型的的對位，設置模型視圖穿透效果，使角色透明，這樣能夠清楚的看到骨骼和模型匹配程度。具體效果如圖13所示。

圖13 模型中的骨骼效果

(2)角色模型是由各種形狀的面片組成，面片數的多少對于模型和骨骼的匹配會有一定的影響，面片數越多，細致程度越高，綁定的效果越好。但是基于項目的模型面片數應該盡量減少，所以本系統中的模型面片數適中，能夠正常展示系統所需動畫動作即可。

(3)把模型綁定到骨骼上的技術叫做蒙皮，蒙皮是通過添加“physique 修改編輯器”來實現的。而其中關鍵步驟就是調節每節骨骼的影響區域和力的衰減程度，這個過程簡稱 Envelope 封套。控制骨骼對模型的作用域，紅色框內為完全控制；紫色框為控制衰減區；棕色框以外完全不受控制，各個部分的權重分配不盡相同。通過調節紅色和棕色的范圍框的控制點來調節它們各自的作用范圍。具體效果如圖14所示。

圖14 Envelope 封套

(4)骨骼模型匹配完成，以手部模型為例，旋轉骨骼，測試蒙皮效果。具體效果如圖15所示。

圖15 虛擬角色手部綁定

2 骨骼動畫制作

2.1 利用關鍵幀技術制作骨骼動畫

幀，動畫中最小單位的單幅影像畫面，相當于電影膠片上的每一格鏡頭。在動畫軟件的時間軸上幀表現為一格或一個標記。關鍵幀動畫是指在不同時間里，記錄虛擬角色不同的運動狀態，最后把這一系列運動狀態連起來播放形成的動畫。從原理上講，關鍵幀插值問題可歸結為參數插值問題，制作關鍵幀動畫要在時間軸上的不同位置改變骨骼的運動形態，中間狀態自動轉換形成連續的動畫效果。根據動畫時間的長短設置關鍵幀的幀數、速度、方向、播放方式以及開始時間，依據運動學原理設計并制作動畫，可以實現良好的動畫的演示效果。具體效果如圖16所示。

圖16 關鍵幀設置

在系統中，清罐工在清理油罐時，會有從罐頂掉落的危險，高空墜落這一動畫展示的是清罐工從罐頂掉落的這一過程。在運動過程中骨骼模型會隨著骨骼的運動而運動，運動過程中不會出現骨骼出現在模型外面的情況，則骨骼和模型綁定的良好。具體效果如圖17所示。

圖17 高空墜落效果圖

除此之外，油田應急培訓系統中還涉及觸電、心肺復蘇、佩戴呼吸機、滅火動畫等動畫。具體效果如圖18所示。

圖18 動畫效果圖

2.2 應急培訓系統中的虛擬角色應用

應急培訓系統主要包含8個應急模塊：原油泄漏、高空墜落、中毒窒息、人員觸電、機械傷害、鍋爐爆炸、鍋爐缺水、恐怖襲擊。PC端用戶使用Oracle數據庫存儲培訓考核信息。移動端用戶使用SQLite數據庫存儲培訓考核信息?？刂茖影I務數據接口、邏輯控制層和數據網絡服務，本系統中的虛擬角色作為真實人物的“替身”貫穿于各個模塊。如圖19所示。

將模型動畫轉成FBX格式，利用Unity3D實現動畫效果的播放演示。導出模型動畫實際上是從編輯器中導出蒙皮頂點，將骨骼相對于模型坐標系的矩陣的逆導出，通過動作插值實現每幀更新，遞歸計算每個骨骼的權重，父子節點變換，提交渲染子類給渲染管理器隊列實現的。

油田應急培訓系統中采用有限狀態機對角色行為進行建模，狀態機中的狀態對應角色的行為，每個狀態有一個與之相關的動作，并在機器處于該狀態時播放，這樣就使動畫設計器能夠定義角色動作和動畫的播放順序。對狀態機添加不同狀態，給每個狀態添加模型動畫，設置狀態轉換條件，點擊動畫與動畫之間的連線可以自由切割動畫狀態，設置轉換緩沖，利用狀態之間的連線實現不同角色動畫間的轉換實現不同的動畫效果。具體效果如圖20所示。

圖19 系統框架圖

圖20 狀態機輸入與輸出關系與狀態轉換圖

在應急培訓系統中，虛擬角色出現在自動播放題以及工具選擇題中。自動播放題中受訓人員是以答題的形式觀看動畫演示，工具選擇題中工人需要選擇的正確的工具，點擊使用工具的角色進行碰撞體檢測，工具選擇正確則播放演示動畫，反之則不播放該動畫。是否播放動畫以及何時播放動畫都是利用Unity代碼實現的，具體效果如圖21所示。

3 總結

對于油田仿真培訓系統中的角色模型與角色動畫的制作，首先是使用3DS Max軟件制作虛擬角色模型，然后基于H-Anim人體建模標準創建Biped骨骼系統，調節每節骨骼的影響區域和力的衰減程度，實現模型和骨骼的完美匹配。使用關鍵幀技術制作骨骼動畫，最后利用狀態機輸入與輸出的關系實現動畫之間的轉換。本系統中各個角色按照預案的規定對突發事件進行處置，為現實情況中突發事件的各類情況提供了一個模擬真實環境的實訓平臺，使油田作業者能夠熟練掌握整個應急處置流程，提升了油田作業者在突發事件發生時的應急處置能力和效果。