現代藝術設計系統(tǒng)中的三維動畫處理技術研究

張路

摘? 要： 在原有現代藝術設計系統(tǒng)三維動畫處理技術應用的過程中，常出現動畫著色渲染效果較差的問題。針對上述問題，設計新型現代藝術設計系統(tǒng)中的三維動畫處理技術。使用PCA圖像特征提取技術獲取圖像特征點，在原有圖像預處理過程的基礎上，增加著色渲染強化步驟，并對著色渲染后的圖像展開驗證環(huán)節(jié)，保證渲染的效果。引用腳本語言插件，在原有系統(tǒng)中設定動畫腳本語言控制動畫處理過程，增加相應的功能模塊并引用三維動畫引擎實現其功能。至此，現代藝術設計系統(tǒng)中的三維動畫處理技術設計完成。為保證設計結果的有效性，選取測試平臺，設定測試樣本。與原有處理技術相比，此處理技術的圖像著色渲染結果與樣本較為一致，而原有技術處理后的圖像色差較大且邊緣模糊，綜上所述，所提動畫處理技術效果更佳。

關鍵詞： 現代藝術設計; 三維動畫技術; 圖像處理; 特征提取; 著色渲染; 動畫處理

中圖分類號： TN911.73?34; TP379? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）17?0043?04

Abstract： The poor color rendering effect often occurs in the application of 3D animation processing technology in the original modern art design system. In view of the above problem， a new 3D animation processing technology is designed for the modern art design system. PCA image feature extraction technology is used to obtain image feature points. On the basis of the original image preprocessing， the enhancement steps of color rendering are added， and the verification link of the rendered image is expanded to ensure the rendering effect. The script language plug?in is imported to set animation script language in the original system to control the animation processing procedure. Some corresponding function modules are added and the 3D animation engine is used to realize their functions. So far， the design of 3D animation processing technology in modern art design system has been completed. In order to ensure the effectiveness of the design results， the test platform is selected， and the test samples are set up. In comparison with the original processing technology， the effect of the image color rendering of this processing technology is more consistent with that of the sample. The color difference of the image processed by the original technology is large and the color edge is fuzzy. Anyway， the proposed animation processing technology has a better effect.

Keywords： modern art design; 3D animation technology; image processing; feature extraction; color rendering; animation processing

0? 引? 言

自計算機技術與三維技術誕生以來，藝術設計與三維設計技術逐步融合，產生現代藝術設計理念[1?2]。現代藝術設計在不斷發(fā)展的過程中，設計師隊伍逐漸壯大，現代設計產業(yè)迅猛發(fā)展，設計觀念也在不斷更新。近年來，現代藝術設計應用的范圍逐漸增加，從傳統(tǒng)的動畫、影視制作逐漸走向教育、生產方向，為保證現代藝術設計運用的效果，在以往的研究中設計出多種藝術設計系統(tǒng)[3]。但隨著三維技術的不斷進步，傳統(tǒng)系統(tǒng)無法適應三維動畫技術的要求，常出現三維動畫著色渲染效果不佳的問題。就目前現代藝術設計系統(tǒng)的發(fā)展前景而言，這是一個急需解決的問題。因而，在此次研究中，將就現代藝術設計系統(tǒng)中的三維動畫處理技術展開研究。

三維動畫技術是一種以計算機圖形學為基礎的綜合計算機學科，它是集心理學、數學等多種學科融為一體的新型技術，實現了從傳統(tǒng)靜態(tài)圖像技術向實時圖像技術的轉變[4?5]。三維動畫技術中主要包括動畫控制技術、三維造型渲染和合成等技術。近年來，三維動畫是國內外計算機應用中非常熱門與廣泛的領域之一，將此技術應用于現代藝術設計系統(tǒng)之中，可有效提升藝術設計效果，保證現代藝術設計的優(yōu)越性。

1? 三維動畫處理技術設計

在原有的現代藝術設計系統(tǒng)中，由于三維動畫處理技術與系統(tǒng)硬件之間不匹配，造成了動畫渲染效果較差的情況[6?8]。針對此現象，本文設計中將著重對腳本語言以及三維動畫引擎進行設定，提升系統(tǒng)著色渲染性能。在此次設計的過程中，通過以下流程保證設計的順序與可行性，具體流程如圖1所示。

使用以上流程完成此次設計。在此次設計中引用的三維動畫引擎為高性能高集成的引擎，使用其實現現代設藝術設計系統(tǒng)的基本性能，此次設計的基礎為現代藝術設計系統(tǒng)，所有技術的實現以原有系統(tǒng)硬件與此次研究中引用的設備作為基礎。

1.1? 提取動畫特征點

在特征點提取的過程中，采用PCA圖像特征提取技術，將圖像設定為[x×y]階的圖像協(xié)方差矩陣[9]，以此降低特征值與特征向量計算的時間，提升特征點的獲取速度，保證計算過程中可以更加有效地獲取圖像數據。設定[Q]為一個具有[n]種維度的列向量，動畫[D]通過公式[T=QD]投影在列向量中，其中動畫[D]設定為圖像矩陣，在列向量中得到的橫向投影向量[10]為動畫的投影特征向量。根據對以往文獻的研究可知，在投影中圖像分散度越高，投影向量對圖像的分辨能力越好，所以，投影特征向量的協(xié)方差矩陣的軌跡可用于投影圖像分散程度。通過公式可以表示為：

當上述公式得到最大值時，可得到相應的動畫協(xié)方差公式[w（Q）=xGeD]，其中，[x]為歸一化列向量，[Ge]為列協(xié)方差。歸一化處理后，[w（Q）]為動畫[D]的投影集，此投影集為正交關系，則有：

當投影后滿足上述要求時，可得出相應的特征向量提取公式，具體如下所示：

通過以上公式獲取原始圖像的特征向量，并將其組成為動畫的特征向量，并以此作為動畫處理的基礎信息。

1.2? 完成動畫預處理

將獲取到的動畫特征點，采用三維動畫技術中的相關技術完成動畫的預處理過程，在原有的三維動畫預處理過程中，包含對原始圖像的去噪、特征點頂點設定、圖像的顏色分析與設定、圖像紋理處理等多方面工作。此次設計中，針對原有動畫處理技術的問題，在預處理工作中增加相關內容，其余部分沿用原有技術中的設定，具體情況如圖2所示。

在此次設計中，將預處理過程設定為一種二維圖像向三維動畫的轉變過程，將此過程設定為固定的流水線，具體如圖2所示。保證在預處理的過程中，每一步驟都具有輸入與輸出。將預處理過程設定為特征點轉換、圖像組合以及光柵化、插值以及貼圖[11?12]、著色渲染等環(huán)節(jié)。將第一部分中獲取到的特征點采用數據處理的方式，轉換為模型的坐標系，然后采用光柵化處理完成動畫著色與渲染，這是動畫處理過程中的重要步驟，需要對每一部分的原始圖像進行檢查與修復，保證圖像的有效性。將動畫圖像與數據模型進行整合，通過使用幀緩存寫操作完成對預處理后的圖像存儲工作，保證動畫著色渲染效果。

1.3? 設定腳本語言

通過以上設計完成三維動畫處理技術的基礎設計，為保證其在現代藝術設計系統(tǒng)的可操作性，通過設定腳本語言完成對其的控制。在原有藝術設計系統(tǒng)中增加腳本語言插件，提升系統(tǒng)對三維動畫處理技術的控制能力。

常用的腳本語言插件種類較多，包括擴展型插件、幫助型插件、幾何體插件等，根據現代藝術設計系統(tǒng)的特征，此次設計中選用擴展型插件，即maxscript插件[13]，完成腳本語言的設定工作。插件的整體功能設定如圖3所示。

采用以上插件設定腳本語言，在腳本語言中采用VC++語言完成輔助設計，將腳本語言設定為以.ms為擴展名的文件，直接復制在現代藝術設計系統(tǒng)中，至此腳本語言設定完成。

1.4? 引用三維動畫引擎

采用腳本語言完成對三維動畫處理技術的控制，為保證其藝術設計系統(tǒng)的運行效果，引用三維動畫引擎輔助系統(tǒng)實現相應的模塊功能。在原有的藝術設計系統(tǒng)中增加動畫管理模塊[14?15]、渲染管理模塊、基礎圖元管理模塊、資源管理模塊，將設定后的三維動畫引擎的位置設定如圖4所示。

將三維動畫引擎按照上述設定安裝至現代藝術設計系統(tǒng)中，通過動畫引擎完成三維動畫處理過程，并將處理后的結果通過原有系統(tǒng)硬件顯示。至此，三維動畫處理過程完成。

2? 性能測試分析

通過上述部分完成現代藝術設計系統(tǒng)中的三維動畫處理技術設計，保證此次設計結果可有效解決原有技術無法解決的問題，進行測試完成性能研究。

2.1? 構建測試環(huán)境

在此次測試中將本文設計技術與原有技術、基于數字信號處理的三維動畫處理技術分別應用于現代藝術設計系統(tǒng)之中，并對比不同技術的動畫處理過程中腳本語言對動畫的控制能力，通過動畫渲染效果體現。在此次測試中，對現代藝術設計系統(tǒng)運行平臺進行設定，具體內容如表1所示。

通過以上平臺條件實現藝術設計系統(tǒng)的運行，并以系統(tǒng)為測試的基礎設備，將測試樣本圖像帶入系統(tǒng)中，完成三維動畫處理過程，獲取動畫著色渲染結果。此次測試的重點為三維動畫的渲染效果，因而，測試中的樣本分別設定為三維動畫人物形象與三維動畫場景，將設定好的樣本形象采用本文設計技術、原有技術、基于數字信號的處理技術分別展開處理，對比不同技術的處理結果，將所得結果通過圖像顯示，對比各技術之間的差異，以此完成測試過程。測試樣本圖像設定如圖5所示。

采用以上圖像完成此次測試，在測試中只對比動畫著色渲染結果，其他差異暫不計入。

2.2? 結果分析

采用以上設定完成測試，測試結果如圖6所示。

將樣本圖像輸入現代藝術設計系統(tǒng)中，使用原有處理技術、本文技術與基于數字信號處理技術對圖像進行處理，所得結果如圖7所示。在測試結果中可以直觀發(fā)現，原有處理技術與基于數字信號處理技術處理后的圖像與樣本的色差較大，本文技術處理后的圖像與樣本顏色基本一致。將圖像放大后，原有技術與基于數字信號處理技術處理后的圖像邊緣較為模糊，本文技術處理后的圖像邊緣較為清晰。由此可知，本文技術的渲染效果優(yōu)于原有技術與基于數字信號處理技術。綜上所述，本文技術性能優(yōu)于原有技術與基于數字信號處理技術，與現代藝術設計系統(tǒng)的貼合度更高。