淺析電子設(shè)計在虛擬角色動畫系統(tǒng)構(gòu)建中的應(yīng)用

呂 闖 重慶工商大學派斯學院

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淺析電子設(shè)計在虛擬角色動畫系統(tǒng)構(gòu)建中的應(yīng)用

呂 闖 重慶工商大學派斯學院

【文章摘要】

【關(guān)鍵詞】

三維建模；骨骼動畫；人物模型

引言

三維建模的過程涉及到表示三維信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及操縱該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。三模型的建模，需要從描述角色的形狀和外觀兩方面開始入手。角色的形狀由構(gòu)造角色的N邊形、圓和頂點等來確定，角色的外觀由角色表面紋理、色彩、照明等因素來確定。同時，還要滿足建模技術(shù)的三個指標：即交互顯示能力、交互操做能力、容易建構(gòu)的能力對虛擬角色模型的需要。

通過對平臺的環(huán)境以及虛擬人物進行歸類，把平臺中的模型歸為兩類：靜態(tài)對象和虛擬人物。靜態(tài)對象是指三維模型中不隨著時間改變而改變的不動的對象，平臺中主要指沒有運動的實體，例如模型中的大樓、礦井、樹木等；動態(tài)對象是虛擬人物通過行走模擬真實礦工的動作，是虛擬礦井通風環(huán)境構(gòu)建的基礎(chǔ)，也是虛擬礦井創(chuàng)建的一項重要步驟。

1.人物建模

虛擬人物的構(gòu)建，第一步，要作的是對骨骼系統(tǒng)模型的三維建模。三維人物建模工作是整個平臺的基礎(chǔ)工作，制作的人物模型不但要真實逼真，還要滿足平臺瀏覽即時性的特點。下面是整個平臺設(shè)計中虛擬人物建模的實現(xiàn)過程。

在3D中，人物模型的建模是很困難的，要求用戶熟練掌握常用的建模方法和步驟，為了省去復(fù)雜的建模過程，也可通過其他人物模型來建模，隨后再將改建好的人物模型導(dǎo)入到3D場景中，例如提供角色建模軟件Poser，如下圖1所示。圖2是POSER軟件的起始界面截圖。它是弗朗科公司出品的一個三維人物生成模型工具，可輔助設(shè)計者生成各類角色的圖像、視頻和角色模型。該軟件提供了各類男模類型、女模類型和小孩模型和木偶形狀的骨骼。如對自有的骨骼特征不滿足，還可利用工具欄中的修改工具進行重組。

圖1　Poser界面

圖2　Poser初始界面圖

（1）在POSER軟件中建立人物模型

人物模型的創(chuàng)建是本平臺的重要技術(shù)，人物模型可以表現(xiàn)整個人物的形象程度及特色。筆者采用POSER5.0版本對人物進行模型的創(chuàng)建。在人物模型庫中找到適合本平臺的人物身體模型，再找到恰當?shù)哪槻亢兔l(fā)模型，將每個模型進行整體的拼接。利用縮放，拼接，刪除等工具改變模型的原始狀態(tài)。因為POSER人物模型庫三維資源有限，需要通過適當調(diào)整才能獲得合適的模型。在該軟件中調(diào)整比在3D中調(diào)整要簡單一些，也為后面的蒙皮操作提供了方便。

將調(diào)好的人物模型導(dǎo)出為3DMAX格式，導(dǎo)入到3D 軟件中進行調(diào)節(jié)，為了適用于特定的場合，從蒙皮插件中建好的人物模型需要在3D軟件中進行模型單位的調(diào)節(jié)。本模型不必做單位縮放，隨后要用在VT軟件中可直接進行模型的縮放操作。

從蒙皮插件中導(dǎo)出的人物模型是以材質(zhì)而不是貼圖的格式進行導(dǎo)出的。因此從蒙皮插件中導(dǎo)出的模型在3D軟件中不能進行貼圖展開，因此本設(shè)計用到了兩個模型，如圖3所示：一個是臉部比較清晰的人臉模型，第二個是衣服毛發(fā)完整的人物模型。在3D中將一個人物模型的下半身刪除，只留下頭部模型，與第二個模型進行附加，就可以拼合形成了一個完整的人物模型。如圖4所示。

圖3　

圖4　

圖6　Cat插件中骨骼的設(shè)置

圖5　面數(shù)減少參數(shù)設(shè)置

（2）在3D中建立人物骨骼

為設(shè)計人物骨骼動作與人物蒙皮，要將人物骨骼與已建好的模型進行匹配調(diào)整，為以后的蒙皮操作做好準備。主要步驟是將人物骨骼大小調(diào)整，使其與人物模型對齊。

（3）對人物骨骼進行蒙皮

圖7　插件調(diào)整骨骼蒙皮

（4）骨骼動畫

在三維建模的基礎(chǔ)上引入人物的運動建模，可以增加虛擬場景中三維模型動作表現(xiàn)的多樣性。筆者平常立足于通過控制人物模型來完成虛擬教學的任務(wù)，因此骨骼動作是核心技術(shù)。在人物模型動畫中，三維模型的動作路徑由運動計算模型來控制。

在平臺中運用關(guān)鍵幀手段來生成人物的動畫。第一步，確定人物角色的動作，第二步，根據(jù)需求確定關(guān)鍵幀數(shù)，第三步，調(diào)節(jié)關(guān)鍵幀的每一幀姿勢，動畫模塊根據(jù)關(guān)鍵幀，生成動畫圖像序列。人是一個錯綜復(fù)雜的實體。用生理解剖的醫(yī)學角度來分類：人體可以分為骨骼、肌肉和皮膚三部分。人體骨骼是由關(guān)節(jié)鏈聯(lián)接而成，骨骼相對動作來說，變形小。人體骨骼的運動主要是由人的肌肉收縮并拉動附骨骼產(chǎn)生的。骨骼決定了角色的姿態(tài)。這里面只需要對人體骨骼制作關(guān)鍵幀動畫即可。見圖8。

由于人體運動復(fù)雜且虛擬角色是較常見的二足動物，筆者運用3D插件CAT進行骨骼的建構(gòu)。直接通過參數(shù)的調(diào)節(jié)來確定人體骨骼的基本形狀。動作生成運用 “關(guān)鍵幀”技術(shù)。打開人體骨骼模型的時間軸，調(diào)節(jié)每一幀骨骼的關(guān)鍵動作。通過此方法建立虛擬角色的動作是比較耗費時間的，需要逐幀來調(diào)節(jié)人體骨骼模型的每一個動作，需要認真細致的觀察人體模型的運動過程。這樣才能使虛擬人物的骨骼模型動畫在場景中始終保持一致，看起來更加真實美觀。為了讓人體骨骼模型的動作看起來更加的穩(wěn)定和流暢，筆者利用了3D中提供的拷貝工具對對稱的動作進行拷貝。此方式減少了人體骨骼模型動畫的制作工作量。

筆者用到手動設(shè)置關(guān)鍵幀的行為，逐幀動畫的制作是本平臺里面最耗時最難控制的模塊。具體步驟，就是在時間軸關(guān)鍵幀打開的前提下，調(diào)整骨骼關(guān)鍵幀的位置，此步驟全憑個人經(jīng)驗來做。技巧是在還沒完成幀數(shù)時，建立一層保存幀，保證層與層的動作不沖突，相互獨立。動畫中具體動作效果如圖9所示。

圖8　骨骼動畫調(diào)整

圖9　具體動作效果

【參考文獻】

［1］王建坡.三維實體模型相關(guān)技術(shù)研究［D］.解放軍信息工程大學，2011.

［2］曾磊夫.基于軟件技術(shù)的高效三維圖形渲染系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.電子科技大學，2015.

虛擬場景中角色的三維模型，是用來描模型內(nèi)部的幾何性質(zhì)的抽象模型，這些模型被計算機以特定的信息格式將模型存儲起來，這種存儲過程被稱為三維建模。三維建模主要處理角色的三維信息和拓撲結(jié)構(gòu)。三維信息是指角色在三維空間中的形體、方位和尺寸，拓撲結(jié)構(gòu)是物體各分量方向的數(shù)值及其相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當今，常用的三維建模系統(tǒng)一般常用三種建模方式，即線框建模，表皮建模和實物建模。