基于虛擬現實技術的三維動畫建模設計

謝娟

摘? 要： 傳統的三維動畫建模方法獲取的三維動畫信息不全面，導致三維動畫連續性差。基于此，提出并設計了基于虛擬現實技術的三維動畫建模方法。首先利用虛擬現實技術對三維動畫場景中節點進行編組，計算三維動畫場景節點坐標;其次確定三維動畫中物體的表面特征，全面搜索動畫場景圖像的點集，獲取三維動畫中所有場景的深度信息;最后對三維動畫進行精簡處理，完成三維動畫建模設計。實驗結果表明，采用基于虛擬現實技術的三維動畫建模方法相比傳統的三維動畫建模方法連續性更強，同時可全面展現三維動畫信息。

關鍵詞： 三維動畫建模; 虛擬現實技術; 節點編組; 坐標計算; 場景劃分; 對比驗證

Abstract： As the 3D animation information obtained by the traditional 3D animation modeling method is incomprehensive， which causes the poor continuity of 3D animation， a 3D animation modeling method based on virtual reality technology is proposed and designed. The nodes in 3D animation scene are grouped by means of the virtual reality technology， and the coordinates of the nodes in 3D animation scene are calculated. The surface features of objects in 3D animation are defined. The point sets of animation scene image are searched comprehensively， so as to obtain the depth information of all scenes in 3D animation. The 3D animation is simplified to complete the 3D animation modeling design. The experimental results show that the 3D animation modeling method based on virtual reality technology has better continuity in comparison with the traditional 3D animation modeling method， and can fully display the 3D animation information.

Keywords： 3D animation modeling; virtual reality technology; node grouping; coordinate calculation; scene partition; comparison validation

近年來，三維動畫技術發展迅速，能夠通過建立角色、實物、場景的三維數據，讓三維數據在某個空間內通過一定的軌跡和動作進行活動。現階段，多數三維動畫建模方法獲取的是動畫場景表面的部分信息，以觀察者為中心對動畫場景進行描述，難以呈現動畫場景的深度信息。由于獲取信息不完全，導致三維動畫建模出現連續性差的問題，如何將動畫場景后的詳細信息提取出來，以保證三維動畫的連續性，已經成為目前亟需解決的問題。

虛擬現實技術是一種基于計算機圖形學的多視點、實時動態的三維環境，該三維環境可以對現實世界進行描述，還能夠建立超越現實的虛構世界。操作者能夠通過看、聽、摸等感官，對自然技能和人的思維方式模擬，將人類代入環境交互中。在實際操作中，操作者為實時數據源的形式存在于虛擬環境中，在其中人為行為主體，是一種全新的人機交互方式。虛擬現實技術在衛生、教育、軍事、醫學等方面都有廣泛的應用，因此將其應用到三維動畫建模中，具有重要意義。此次設計方法對三維動畫場景節點坐標計算，利用虛擬現實技術將節點坐標信息與幾何信息結合，完成三維動畫建模設計。

1? 三維動畫場景節點坐標計算

三維動畫場景即由多個節點組成的虛擬模型[1]，建模過程中通過計算三維動畫場景的節點坐標，保證三維動畫的連續性[2?3]。利用節點描述三維動畫場景中各個模型的顏色、外形和材質等，構建三維動畫場景節點層次結構，如圖1所示。

對三維動畫場景中的所有節點進行編組處理，假設[m，n]為[t]在動畫場景圖像中的像素坐標[4]，[Xa，Ya，Za]為動畫場景圖像中對應點的世界坐標系[5]下的三維坐標，將三維動畫場景描述為：

利用虛擬現實技術獲取三維動畫場景中節點編組的場景尺度[6]，公式如下：

式中：[Cx]為三維動畫場景中x的軸的場景尺度;[ai，k]為三維動畫場景的中心像素點;[z]為動畫場景節點。

利用式（2）完成三維動畫節點編組，根據節點編組結果，將復雜的場景按照分布的區域[7]劃分成很多小單位，最后再通過分組節點將其整合，具體劃分過程見圖2。

根據場景劃分結果，對三維動畫場景節點坐標計算，假設[n]代表編組完成的三維動畫場景節點，利用迭代形式，徑向[8]、切向畸變補償三維動畫場景圖像，假設[gsdf]代表三維動畫場景中的徑向畸變分量，[φ]代表三維動畫場景中的切向畸變分量，則其表達式為：

式中：[t2+km]代表三維動畫場景圖像的畸變相對值;[d2]代表圖像線性畸變參數;[kr2]代表圖像畸變分量。

將上述三維動畫圖像的徑向畸變和切向畸變分量多次迭代，得到關于三維動畫場景圖像節點在該深度方向的深度坐標值[9]，以此完成三維動畫場景節點坐標的計算，為三維動畫建模提供基礎。

2? 三維動畫建模

在上述三維動畫場景節點計算的基礎上，利用虛擬現實技術[10]對三維動畫建模。虛擬現實技術的基本特征如圖3所示。

利用虛擬現實技術表示三維動畫的幾何信息，定義三維動畫中物體的表面特征[11]，取三維動畫場景中圖像像素點的均值，得到該三維動畫場景圖像的相同像素點組成的圖像[Ix，y]：

通過式（4），利用虛擬現實技術描述三維動畫的幾何信息，結合三維動畫的幾何信息[6]與虛擬現實技術中的節點坐標位置，全面搜索動畫場景圖像的點集[12]，尋找三維動畫場景圖像點集與點集之間的最優變換關系，獲取三維動畫中所有場景的深度信息[f]：

式中：[N]為動畫場景圖像表鄰域中點總數;[r]為動畫場景圖像的特征點;[yi]為三維向量樣本點;[t]為三維動畫場景點云數據合并因子。

通過上述過程，得到三維動畫場景的深度信息，在上述配準過程中，會產生大量冗余的動畫場景圖像特征點[11]。因此，利用虛擬現實技術對三維場景圖像點云進行合并，假設[q]代表場景圖像三維空間中的一個三維向量樣本點，利用式（6）對三維動畫場景圖像點云的數據精簡，得到三維動畫場景圖像點云量的總數[dsE，s]：

式中：[?]為三維動畫場景某點的點云值;[s]，[n]分別為三維空間中的圖像點值。

通過上述過程對虛擬現實技術下的三維動畫精簡處理，在此基礎上，將建模坐標轉換到世界坐標，變換過程中利用單個表面部分描述空間方向信息[13]，信息轉換來源于頂點坐標值和多邊形所在的平面方程，平面方程表示為：

式中，[AX]，[BY]，[CZ]代表平面內任何一點。

通過上述過程，完成坐標系轉換，利用虛擬現實技術生成三維動畫的模型元件，最后將三維動畫建模場景輸出，以此完成最終的三維動畫建模設計。

3? 實驗對比

為驗證上述設計的基于虛擬現實技術的三維動畫建模方法的有效性，將傳統的三維動畫建模方法與此次設計的建模方法進行對比實驗，對比兩種建模方法三維動畫的連續性。

3.1? 實驗環境

采用CCD攝像機多角度拍攝的5組動畫場景圖像序列作為實驗數據，動畫場景圖像分辨率為[380×600] dpi，分別使用傳統的三維動畫建模方法與此次設計的三維動畫建模方法對實驗圖像建模。實驗環境配置見表1。

由于實驗數據與建模數據存在格式上的差異，為減少實驗時間，對實驗三維動畫的數據格式轉換，獲取動畫場景圖像第[k]組對應點在變換之后的距離差[Gk]：

3.2? 實驗結果分析

實驗數據由DF?ET軟件生成，5組動畫場景中的數據由少至多，對比在動畫場景多和少情況下的三維動畫模型的連續性，實驗對比結果如圖4所示。

分析上述實驗對比結果可知，在三維動畫場景較少時，傳統的建模方法能夠保證較好的模型連續性，隨著三維動畫場景增多，傳統建模方法的模型連續性逐漸降低。而此次設計的基于虛擬現實技術的三維動畫建模方法在三維動畫場景多與少的情況下，都能保證較好的連續性，主要是因為在利用虛擬現實技術進行三維動畫場景建模中，能獲取更多的三維場景信息;同時，根據三維動畫特征與三維點云之間的關系得到動畫場景的三維特征點，完成三維動畫的精確配準，從而保持較高的連續性。

4? 結? 語

首先利用虛擬現實技術對三維動畫場景中的節點編組，獲取三維動畫場景節點坐標信息，然后利用虛擬現實技術定義三維動畫中物體的表面特征，全面搜索動畫場景圖像的點集，利用虛擬現實技術生成三維動畫的模型元件，完成三維動畫建模。實驗對比結果表明，此次設計的基于虛擬現實技術的三維動畫建模方法比傳統的三維動畫建模方法連續性更強，具有一定的實際應用意義。

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