基于視覺傳達的多角色虛擬人物三維融合系統設計

梁志慧 鄭文鋒

摘? 要： 為了提高多角色虛擬人物三維仿真設計的可視化效果，綜合利用視覺傳達設計中的VR技術、傳感器技術以及虛擬人技術，建立以虛擬人物三維模型為基礎的基于視覺傳達的多角色虛擬人物三維融合系統。采用三維仿真渲染工具Vega Prime進行多角色虛擬人物三維造型模塊創建和虛擬場景仿真，然后設計了多角色虛擬人的運動算法，最終達到了用戶、三維仿真場景以及多角色虛擬人物之間的融合。仿真實驗結果表明，采用該系統進行多角色虛擬人物三維融合設計的可視化效果較好，滿足特殊角色人物三維造型設計要求。

關鍵詞： 三維融合系統; 虛擬人物; 視覺傳達; 系統設計; VR技術; 仿真實驗

中圖分類號： TN911.73?34; TP39? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）04?0117?03

Design of multi?role virtual character 3D fusion system based on visual communication

LIANG Zhihui， ZHENG Wenfeng

（Wuzhou University， Wuzhou 543002， China）

Abstract： On the basis of 3D model of virtual character， a multi?role virtual character 3D fusion system based on the visual communication is established with the VR technology， sensor technology and virtual human technology in the visual communication design， so as to improve the visualization effect of multi?role virtual character 3D simulation design. The construction of 3D modeling modules of multi?role virtual characters and the virtual scenes simulation are performed with Vega Prime， a 3D simulation rendering tool， and the motion algorithm of multi?role virtual character is designed， so as to achieve the fusion of users， 3D simulation scenes and multi?role virtual characters. The simulation results show that the visualization effect of multi?role virtual character 3D fusion designed with this system is well， which can meet the requirements of 3D modeling design for special role character.

Keywords： 3D fusion system; virtual character; visual communication; system design; VR technology; simulation experiment

隨著虛擬現實和三維仿真技術的發展，使用虛擬現實技術進行多角色虛擬人物造型設計，能夠多角度展示虛擬人物的三維造型[1]。現存系統中，對虛擬人物三維仿真設計的虛擬重建方法主要有點云融合、角點檢測以及圖形圖像處理方法等[2]。其中，文獻[3]提出基于VR技術的虛擬人物三維仿真設計方法，采用B/S架構進行多角色虛擬人物三維仿真設計模型的VR渲染和三維場景建模，在嵌入式Linux中完成虛擬人物三維仿真設計軟件開發，但該系統進行虛擬人物三維仿真設計中存在一定程度上比例失真，致使設計的虛擬人物逼真度不高。文獻[4]提出基于三層體系結構的虛擬人物三維融合系統。該系統在人機交互環境下實現對多角色虛擬人物的綜合設計，提高不同角色的虛擬人物在三維仿真場景下的沉浸感，但該系統對多角色虛擬人物設計實時處理性能不佳。

針對以上問題，本文引入視覺傳達設計理念，提出基于視覺傳達的多角色虛擬人物三維融合系統。實驗結果表明，所設計的三維融合系統在優化多角色虛擬人物三維仿真設計性能，以及提高虛擬人物多角色逼真度等方面具有優越性能。

1? 多角色虛擬人物三維融合系統設計

1.1? 設計原理

基于B/S構架進行多角色虛擬人物三維融合系統總體設計構架構建[5]，在嵌入式軟件環境、B/S構架中進行多角色虛擬人物圖像信息處理和界面的信息交互開發，建立多角色虛擬人物塑造的影像處理系統。采用相關軟件開發進行多角色虛擬人物塑造的網格化紋理渲染，選取MBM29LV400BC[6]作為系統邏輯譯碼控制組件，完成對虛擬人物多角色塑造的界面交互性處理。結合嵌入式總線控制技術，提高多角色虛擬人物塑造過程中的信息整合以及相關特征融合能力。

1.2? 多角色虛擬人物造型設計模型總體建模

多角色虛擬人物塑造模型可劃分為圖像處理模塊、圖片編輯模塊、圖像三維重構模塊、程序驅動加載模塊、圖像3D渲染模塊及虛擬現實虛擬仿真模塊。利用嵌入式總線控制技術完成多角色虛擬人物設計的總線傳輸調度和信息采集?；谝陨戏治?，本文構建的多角色虛擬人物塑造模型總體結構如圖1所示。

2? 三維虛擬場景的構建及渲染

2.1? 三維虛擬場景的構建

使用體繪制方法進行多角色虛擬人物塑造過程中的紋理渲染，在觀測體（Viewing Volume）模型中構建虛擬場景數據庫，將虛擬場景數據庫中多角色虛擬人物構造信息經渲染指令實現相關程序輸出控制[7?8]，有效提高多角色虛擬人物三維塑造模型控制能力。

2.2? 程序輸出控制

使用相關紋理渲染技術和三維場景數據庫模型構建方法進行多角色虛擬化特征繪制和可視化環境設計。在多角色虛擬人物塑造階段建立模型數據庫，使用0penFlight數據庫進行多角色虛擬人物三維仿真設計中點云重構，虛擬人物三維仿真點云數據庫是整個模型構建根本。使用Multigen Creator 3.2構建模型，三維仿真場景數據庫中的多角色虛擬人物塑造數據信息根據系統渲染指令實現相關程序輸出。將多角色虛擬人物的三維仿真模型載入Vega Prime中，結合場景視化程序構造多角色虛擬人物三維仿真模型開發庫，采用Matlab編程工具實現多角色虛擬人物三維仿真模型的三維開發[9]。使用三維可視化渲染工具Vega Prime進行虛擬人物多角度三維仿真設計的功能系統構建及視景仿真，建立相關程序輸出控制模塊，在輸出端完成虛擬人物三維仿真設計的視景仿真。采用套接字構建網絡連通系統，完成網絡控制和程序加載，具體過程如圖2所示。

3? 多角色虛擬化身運動建模與分析

3.1? 虛擬化身的運動學建模

本文所采用的三維仿真場景中，將不同角色虛擬人物視為OSG的一個節點，該節點可發生水平、垂直、旋轉運動，僅需變換虛擬人物最小單元的頂點坐標[10]，就可實現不同角色虛擬人物的移動。設定虛擬人物可變換最小單元某一點坐標為[（X，Y，Z）]，根據該坐標可創建虛擬人物抽象運動模型，即：

[x=V（t）cos（θt）dty=V（t）sin（θt）dtz=const-high] （1）

式中：[θ]表示三維虛擬人物運動變換角度;[V（t）]表示虛擬人物當前運動速度;[x]，[y]分別表示該人物在三維場景中的質心位置;[z]表示與其相關的另一虛擬人物的高度。

3.2? 三維虛擬人物的運動

在虛擬場景中，由點構成的三維虛擬人物根據軌跡做直線運動或轉彎運動，設定該人物在虛擬場景中的當前位置坐標為[（x，y）]，其偏轉角度為[θ]，直線運動模型如圖3所示。

在三維虛擬場景的某個拐點處，采用線段分解方式將虛擬人物執行的轉彎運動調整成直線運動，但這種突發性轉換容易產生畫面抖動。因此，本文采用圓弧形運動方式，當發生突發性轉換時，保證觀察者觀察到的畫面仍然流暢。轉彎運動模型如圖4所示。

圖4中，[r]表示轉彎半徑，運動時長為[Δt]時，轉角為[θ]，此時該虛擬人物的質心位置更新為：

[x′=x+r·cos θy′=y+r·sin θθ=180°·V（t）·Δt（2πr）] （2）

半徑[r]為：

[r=2P（P-c）（P-b）（P-c）（a+b+c）P=（a+b+c）2] （3）

式中，[a]，[b]，[c]分別表示虛擬人物可變換最小單元三個邊的長度。

3.3? 虛擬人物多角色協同與場景融合

將不同虛擬人物的運動變換融合到一個三維虛擬場景中，虛擬人物的角色要在行為上協同工作，以免發生運動沖突。因此，需要先獲取三維虛擬場景的移動路徑參數，對不同移動路徑做好規劃，為不同角色虛擬人物劃分與其行為相應的移動路徑。依據式（4）可給出不同角色的虛擬人物移動軌跡限制關系：

[Dobj=min f（x，y）=（x-x1）2+（y-y1）2]? （4）

式中，[min f（x，y）≥max[Z1，Z2]2]，即不同角色之間的閾值為最高的那個角色的[12]高度。

考慮到虛擬人物角色的多樣性、三維場景的復雜性，以及不同角色之間協同運動時的空間限制，利用有限狀態機自適應決策不同角色的虛擬人物在各段移動軌跡上的移動決策策略。

4? 測試結果與分析

采用某游戲公司提供的多種角色測試本文提出的基于視覺傳達的多角色虛擬人物三維融合系統設計方法。實驗環境為Windows 7操作系統、4 GB內存、Intel Core i5?3470處理器、Matlab R2012a軟件。圖5為本文系統多角色虛擬人物的最終融合效果。

表1給出本文系統、文獻[3]系統、文獻[5]系統多角色虛擬人物三維融合時間對比結果。

分析上述多角色虛擬人物三維融合實驗結果表明，本文系統可在短暫的時間內快速根據已有的三維場景中的虛擬人物角色模型，構造出多種類型的新角色虛擬人物。這些虛擬人物角色模型已經得到合作的動漫公司相關部門專業人員的認可，可達到實際動畫場景使用的要求。

5? 結? 語

本文研究基于視覺傳達的多角色虛擬人物三維融合系統，提高虛擬人物三維仿真設計的逼真程度。結果表明，本文系統進行多角色虛擬人物三維融合的輸出性能較好，可在短暫的時間內快速根據已有的三維場景中的虛擬人物角色模型，構造出多種類型的新角色虛擬人物。

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