數(shù)字媒體時代下交互式動畫設計方法

康文慧

(安徽工商職業(yè)學院信息工程學院，安徽 合肥 231131)

0 引言

數(shù)字媒體時代，動畫行業(yè)迅速興起。虛擬空間技術使動畫變得生動起來，為用戶帶來新的視覺享受。許多學者開展了對交互式動畫設計方法的研究，張巧靈等[1]研究了牛骨三維模型建立及交互演示方法，預先對三維動畫空間定位，然后進行交互設計；馬洪石等[2]研究了Web端室內三維交互系統(tǒng)的快速構建方法，主要將層次模型應用到其中，構建具備交互能力的三維原型系統(tǒng)。上述交互式動畫設計方法能夠實現(xiàn)動畫交互，但在應用過程中，還存在不足之處。本文設計數(shù)字媒體時代下交互式動畫設計方法，以期提高交互式動畫的交互效果，使形成動畫的各個階段都能夠取得較好的效果與體驗。

1 動畫仿真模型的構建

基于動畫的格式不同、類型不同，想要使動畫人物變得更加生動飽滿，就要根據模型的特點對三維空間的場景進行仿真建模，收集真實模型的形態(tài)特征和數(shù)據信息，以此為基礎完成同等比例的場景中交互式動畫設計。收集的主要內容包括圖像基本信息、空間全景設計與相關人物動作，將核心數(shù)據結合到一起，構成一個相對完整的仿真模型[3]，科學合理地連接虛擬與現(xiàn)實世界。

在建模過程中，交互動畫節(jié)點的移動速度決定動畫的最終呈現(xiàn)效果，為了保證動畫的一致性與完整性，以場景作為一個靜態(tài)的空間[4]，準確地利用坐標來描述節(jié)點。假設存在一點Pl，其平面坐標為(u,v)，三維坐標為(Xw,Yw,Zw)，使平面與三維坐標相互轉化，最后得到統(tǒng)一后的坐標表達式為

(1)

其中，ax為虛擬空間中的轉換因子，ay為現(xiàn)實平面中的轉換因子，xd(1)與xd(2)分別代表橫軸上隨機兩個點，(u0,v0)為處理后的Pl的坐標。

將歸化后的坐標逐一進行迭代，實現(xiàn)坐標的代償作用[5]，當xw迭代成xd時，兩者的關系為

(2)

其中，xn為迭代后的坐標，δ為迭代次數(shù)，k為系數(shù)。

可推算出實際坐標的表達式為

(3)

其中，R代表矩陣，(Xc,Yc,Zc)代表實際坐標。

為了使動畫可以不依靠人工操作，而自動化地進行交互處理，將所采集的數(shù)據信息分類成特征集，按照虛擬空間的運行模式來逐一融合[6]，得到的向量為x1,x2,x3,x4，其表達式為

(4)

其中，m為特征因子，p1,p2,p3為場景的特征向量。

動畫模型η及函數(shù)Rx描述為

(5)

并滿足條件：

(6)

其中，L(η)為場景中的檢驗函數(shù)，w(i,j)為動畫中的節(jié)點坐標，d為圖像邊緣的模糊值，Z(i)為像素點的權重，而獲得的動畫重構仿真函數(shù)[7]為

(7)

其中，r為距離。

r能直接表明像素點的密集程度[8]，而后得到的虛擬空間大小范圍公式為

G1=(1+μY)(1+λY)G,

(8)

其中，G1為三維空間中場景，G為實際模擬的場景，μ為一個整數(shù)，λ為系數(shù)，通過對這幾個元素的控制，來確定空間中場景的實際大小。

而對于場景的特征模型，可采用反向思維，通過誤差的范圍來確定模型重構的幾率[9]。假設虛擬的模型為A，實際的數(shù)量為N，那么誤差的表達式為

(9)

其中，l1,l2為誤差，ω為誤差的特征向量。

基于誤差變化生成的三維動畫場景模型[10]為

(10)

其中，κ代表自動生成的模型，P代表概率，q代表隨機因子，根據重構圖像的邊緣信息就可以生成動畫的主要部分，有效地激發(fā)出動畫的自主匹配能力。

2 交互式動畫設計的實現(xiàn)

動畫模擬需要在三維空間建立過程中對動畫軌跡進行模擬。目前，最為可靠且成熟的捕捉技術是軌跡模擬與動畫插件技術，不但可以快速地構成一個模擬動作，還可以識別出更加細致的人類行為，使動畫的移動更加順暢。運動捕捉模塊如圖1所示。

圖1 運動捕捉模塊

利用攝像或者視頻對動作進行采集，然后將拍攝到的圖像進行模擬分析，通過捕捉技術將動作分解成多個點的集合。利用點與點之間的相關性將其連接，形成一個連續(xù)的、光滑的三維動畫，最后對動畫的每個細節(jié)進行逐一處理，獲取相關數(shù)據，保存已經優(yōu)化的動畫，將其加入到三維空間中進行交互。整個交互流程如圖2所示。

圖2 交互式動畫交互流程

但是在交互過程中，最難控制的就是節(jié)點的變化性與移動性，這兩者直接決定節(jié)點的穩(wěn)定性[11]，為此需要進一步處理。假設節(jié)點移動的加速度為ai，可以利用虛擬與現(xiàn)實之間的比例關系計算得出ai，然后就能夠得到節(jié)點的位置范圍[12]，描述出節(jié)點運動的曲線。

(11)

其中，t為時間，vi為速度，ri為距離。

在確定距離與速度的情況下，對t時節(jié)點的速率進行計算，則

(12)

交互式動畫最常用的交互方法為SPH法，其中涉及的元素有速度、時間與網速，在此基礎上建立光滑函數(shù)，來描述每個節(jié)點在虛擬空間的連接變化[13]。

(13)

而節(jié)點的排列變化為

(14)

結合上述公式，得到

(15)

其中，Wp表示函數(shù)關系，h表示場景大小，r為距離。

與其他函數(shù)相比，該函數(shù)可以精確到每一個節(jié)點之間的細微距離，在計算中只需對距離進行限制，最大程度地降低了計算的失誤率，減少元素的輸出[14]，避免過多的變量影響計算結果。

當節(jié)點間距離為負時，其排列變化也會發(fā)生改變，逐漸縮短距離，直到消失。與此同時，當距離為負時，節(jié)點移動速度會直線上升，不再進行有規(guī)律運動，而是沒有方向地混亂變換位置[15]，其數(shù)學表達式為

(16)

而運動的規(guī)律為

(17)

當距離r接近0時，節(jié)點的規(guī)律性增強，其交互能力相對更強。而對于動畫動作的光滑性來說，只涉及動畫中點的變化，其表達式為

(18)

光滑因子的表達式為

(19)

運用SPH算法，能夠有效地完成動畫的復刻與模擬，實現(xiàn)交互式動畫設計。

3 實驗對比

3.1 實驗準備

此次實驗中應用的硬件配置：Intel?Pentium?Dual CPU2200、顯示卡、DELL顯示器等。

系統(tǒng)軟件配置：三維視景仿真軟件、可視化仿真建模軟件、DI-Guy人體交互仿真軟件。

仿真系統(tǒng)的整體結構流程如圖3所示。

圖3 視景仿真結構流程圖

在整個交互過程中，同時使用硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)，實時控制實驗過程，直到完成實驗為止。為了減少實驗時間預先對實驗場景建模與場景驅動，采用場景驅動軟件平臺，渲染仿真場景并進行驅動控制。該仿真系統(tǒng)在VC++環(huán)境下使用，利用視景仿真軟件的應用程序接口與圖形化界面實現(xiàn)場景的視景渲染。

3.2 動畫交互效果分析

以人體關節(jié)活動情況為例，制作人體關節(jié)動畫，然后進行交互，對比結果如表1所示。

表1 人體關節(jié)動畫前彎、后彎位置交互效果

由表1可知，在交互中，運用本文方法設計的人體動畫位置，與實際前彎、后彎位置基本保持一致，而其他兩種方法與實際位置具有一定的差距，動畫交互效果不佳。

人體動畫關節(jié)左歪、右歪位置交互結果如表2所示。

表2 人體關節(jié)動畫左歪、右歪位置交互效果

人體左轉、右轉位置交互結果如表3所示。

表3 人體關節(jié)動畫左轉、右轉位置交互效果

由表3可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的交互式動畫設計方法，在交互設計后人體關節(jié)動畫在各個角度的位置與實際位置都能夠保持較小的誤差，而其他兩種方法都發(fā)生了不同的較大誤差，交互效果不佳，不能按照用戶需求與動畫交互。

在此基礎上進一步驗證該方法的有效性，對比三種方法動畫交互的實時性，結果如圖4所示。

由圖4可知，本文提出的交互式動畫設計方法的實時性較好，當用戶下達指令后能夠在短時間內實現(xiàn)動畫的交互，較其他兩種方法，應用效果更好。

圖4 動畫交互實時性對比

4 結語

虛擬世界中的交互式動畫設計，不但將數(shù)字媒體推向了新的高度，也是動畫產業(yè)以及技術成熟的標志。本文提出的交互式動畫設計方法，在傳統(tǒng)技術的基礎上進行創(chuàng)新，使現(xiàn)代技術手段與虛擬技術融合，彌補了傳統(tǒng)方法的不足。本文方法在實驗部分對比指標不是很全面，后續(xù)研究將通過實驗進一步完善。