基于螢火蟲算法的動(dòng)畫造型配色方案

李俊峰

?

基于螢火蟲算法的動(dòng)畫造型配色方案

李俊峰

甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 甘肅 天水 741000

為了減輕動(dòng)畫造型手工配色的冗繁工作量和降低設(shè)計(jì)成本，本文選擇Moon & Speneer調(diào)和理論作為適應(yīng)度進(jìn)行自動(dòng)打分，將螢火蟲算法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)配色結(jié)合，提出一種基于螢火蟲算法的動(dòng)畫造型配色方法。結(jié)果表明，該方法可以快速準(zhǔn)確地找到動(dòng)畫造型相搭配的配色方案，提高色彩的設(shè)計(jì)搭配水平。

螢火蟲算法; 動(dòng)畫造型; 配色方案

色彩是動(dòng)畫造型設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要組成部分，其對(duì)產(chǎn)品外觀有直接影響[1,2]，對(duì)動(dòng)畫設(shè)計(jì)產(chǎn)品整體印象的貢獻(xiàn)率高達(dá)80%，因此合理科學(xué)地搭配動(dòng)畫產(chǎn)品的顏色，對(duì)提高動(dòng)畫產(chǎn)品的視覺(jué)沖擊力和美感，滿足用戶心理需求具有重要意義[3,4]。隨著計(jì)算圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，為減輕動(dòng)畫造型手工配色的冗繁工作量、降低設(shè)計(jì)成本，計(jì)算輔助設(shè)計(jì)配色被應(yīng)用于動(dòng)畫造型配色。為了快速準(zhǔn)確地找到動(dòng)畫造型相搭配的配色方案，將將螢火蟲算法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)配色結(jié)合，提出一種基于螢火蟲算法的動(dòng)畫造型配色方法。研究結(jié)果表明，本文提出的方法可以快速準(zhǔn)確的找到動(dòng)畫造型相搭配的配色方案，提高色彩的設(shè)計(jì)搭配水平。

1 螢火蟲算法

螢火蟲算法[5]（Fire-fly Algorithm，F(xiàn)A）是用螢火蟲個(gè)體模擬搜索空間的點(diǎn)，利用螢火蟲自身的趨光性，將尋優(yōu)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為尋找螢火蟲群體中亮度最大的螢火蟲。每次迭代，找到亮度最大的螢火蟲，通過(guò)螢火蟲之間的吸引和移動(dòng)實(shí)現(xiàn)螢火蟲位置的更新。

螢火蟲向亮度更強(qiáng)的螢火蟲移動(dòng)更新規(guī)則如下[5]：

X=X+()×(X-X)+×(-1/2) (1)

圖 1 RGB彩色空間模型

2 色彩模型

2.1 RGB模型

RGB彩色模型如圖1所示。

如圖1所示RGB彩色空間模型中[6]，原點(diǎn)（0，0，0）對(duì)應(yīng)黑色，頂點(diǎn)（1，1，1）對(duì)應(yīng)白色，從原點(diǎn)到頂點(diǎn)（1，1，1）的連線稱為灰色線，所有灰度值都分布在這條線上。其中位于X、Y、Z軸上的三個(gè)頂點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三原色，其余各點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)不同的顏色，并由從原點(diǎn)指向該點(diǎn)的向量來(lái)定義。在RGB彩色模型中，所表示的圖像由紅、綠、藍(lán)三種顏色分量組成。RGB彩色模型是通過(guò)顏色的加運(yùn)算來(lái)完成顏色匹配的，當(dāng)混合色的飽和度和亮度與另一種光的相等時(shí)，他們?cè)谌搜鄣囊曈X(jué)上將等效。

2.2 HSI彩色模型

HSI彩色模型[7]是由孟塞爾（Munseu HA）基于顏色的三個(gè)基本屬性的基礎(chǔ)上提出，從人的視覺(jué)系統(tǒng)出發(fā)，用色調(diào)（Hue）、色飽和度（Saturation）和亮度（Intensity）來(lái)描述色彩。它建立在兩個(gè)重要的事實(shí)之上：其一是I分量與圖像信息的強(qiáng)弱有關(guān)，其二是H和S分量和人感受顏色的方式緊密相連。HSI彩色空間模型如圖2所示。

圖 2 HSI彩色空間模型

HSI彩色模型和RGB彩色模型之間可以相互轉(zhuǎn)換，RGB彩色模型對(duì)應(yīng)HSI彩色模型的轉(zhuǎn)換方程如下[8]：

HSI模型更符合人描述和解釋顏色的方式，它把圖像分成彩色信息和灰度信息，使其更符合灰度級(jí)的數(shù)字圖像處理技術(shù)。

3 基于螢火蟲算法的動(dòng)畫造型配色方案

3.1 算法編碼

對(duì)于一個(gè)動(dòng)畫造型，不同顏色的搭配組合能夠產(chǎn)生不同的感官和色彩效果，通常一個(gè)造型構(gòu)件對(duì)應(yīng)一種顏色。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，任何顏色均由RGB三個(gè)顏色分量疊加而成，顏色向量采用實(shí)數(shù)編碼。用戶手動(dòng)指定一個(gè)造型中所有需要配色的構(gòu)件，因此每個(gè)構(gòu)件對(duì)應(yīng)的顏色對(duì)應(yīng)一個(gè)RGB顏色向量矩陣，配色方案如圖3所示。

圖 3 配色方案

3.2 適應(yīng)度

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫造型的自動(dòng)配色，選擇Moon & Speneer的色彩調(diào)和理論作為適應(yīng)度[10,11]。由于編碼采用的是RGB色彩模型，雖然便于機(jī)器顯示，但是不方便自動(dòng)打分，所以打分時(shí)，需要將RGB色彩模型轉(zhuǎn)化為HVC色彩模型，適應(yīng)度計(jì)算結(jié)束后，再將HVC色彩模型返回到RGB色彩模型[12]，適應(yīng)度函數(shù)如公式（4）所示：

3.3 算法流程

將公式（4）作為螢火蟲算法優(yōu)化動(dòng)畫造型配色的目標(biāo)函數(shù)，螢火蟲算法的尋優(yōu)結(jié)果為螢火蟲亮度最大的螢火蟲的位置(*1,*2,…,*)，其中表示顏色秩序度的個(gè)數(shù)，*1,*2,…,*表示所求的顏色配色方案。基于螢火蟲算法的動(dòng)畫造型配色方案算法步驟如下：

Step1：初始化FA算法參數(shù)：螢火蟲數(shù)量、初始吸引度0、步長(zhǎng)因子、螢火蟲初始位置X(X1,X2,…,X)和最大迭代次數(shù)；

Step 2：計(jì)算各螢火蟲的亮度并進(jìn)行排序：計(jì)算每個(gè)螢火蟲所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度f(h,,c)，將其作為對(duì)應(yīng)螢火蟲的亮度并排序，得到亮度最大的螢火蟲位置；

Step 3：判斷迭代是否結(jié)束：如果算法達(dá)到最大迭代次數(shù)，則算法轉(zhuǎn)到Step 4，否則轉(zhuǎn)到Step 5；

Step 4：輸出亮度最大的螢火蟲位置及其亮度，將其得到的*1,*2,…,*作為顏色配色方案；

Step 5：更新螢火蟲位置：根據(jù)公式（1）更新螢火蟲的位置。

基于螢火蟲算法的動(dòng)畫造型配色方案算法流程圖如圖4所示：

圖 4 基于螢火蟲算法的動(dòng)畫造型配色方案算法流程圖

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

為證明本文算法進(jìn)行動(dòng)畫造型配色的效果和優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用2個(gè)卡通造型進(jìn)行顏色配色方案驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖 5 實(shí)例1

圖6 實(shí)例2

通過(guò)2個(gè)卡通造型進(jìn)行顏色配色方案驗(yàn)證結(jié)果可知，基于螢火蟲算法的動(dòng)畫造型配色自動(dòng)進(jìn)化生成動(dòng)畫卡通人物造型并組裝，可以有效提高設(shè)計(jì)效率和重復(fù)利用效率，同時(shí)可以提供更多的配色方案和造型設(shè)計(jì)方案。研究結(jié)果表明，本文提出的方法可以快速準(zhǔn)確的找到動(dòng)畫造型相搭配的配色方案，提高色彩的設(shè)計(jì)搭配水平。

5 結(jié)論

為了減輕動(dòng)畫造型手工配色的冗繁工作量和降低設(shè)計(jì)成本，將螢火蟲算法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)配色結(jié)合，提出一種基于螢火蟲算法的動(dòng)畫造型配色方法。研究結(jié)果表明，基于螢火蟲算法的動(dòng)畫造型配色自動(dòng)進(jìn)化生成動(dòng)畫卡通人物造型并組裝，可以有效提高設(shè)計(jì)效率和重復(fù)利用效率，同時(shí)可以提供更多的配色方案和造型設(shè)計(jì)方案，提高色彩設(shè)計(jì)和搭配水平。

[1] 徐劍平.進(jìn)化計(jì)算在動(dòng)畫形象創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].濟(jì)南:山東師范大學(xué),2010

[2] 祝銘陽(yáng),孫懷江.人臉動(dòng)畫關(guān)鍵點(diǎn)最優(yōu)化算法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2013,25(1):93-100

[3] 韓麗,楚秉智,高小山.高斯曲率約束的MRG骨架提取優(yōu)化算法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2009,21(9):1227-1231

[4] 王玉順,肖俊,莊越挺,等.基于運(yùn)動(dòng)傳播和Isomap分析的三維人臉動(dòng)畫編輯與合成[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué) 報(bào),2008,20(12):1590-1595

[5] 劉長(zhǎng)平,葉春明.一種新穎的仿生群智能優(yōu)化算法:螢火蟲算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2011,28(9):3295-3297

[6] 李響,徐筠,耿衛(wèi)東.融合手繪風(fēng)格的卡通角色動(dòng)畫生成方法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2011,23(10):1690-1699

[7] 劉登志,盧書芳,萬(wàn)賢美,等.實(shí)時(shí)三維人體卡通運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2011,23(6):985-992

[8] 王翔宇,肖俊,潘紅.表演驅(qū)動(dòng)的矢量化二維表情動(dòng)畫[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2012,24(5):598-604

[9] 曾冰,李明富,張翼,等.基于螢火蟲算法的裝配序列規(guī)劃研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49(11):177-184

[10] 馮艷紅,劉建芹,賀毅朝.基于混沌理論的動(dòng)態(tài)種群螢火蟲算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2013,33(3):796-799

[11] 劉佳昆,周永權(quán).一種最大最小螢光素值人工螢火蟲算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2011,28(10):3662-3664

[12] 王吉權(quán),王福林.螢火蟲算法的改進(jìn)分析及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2014,34(9):2552-2556

Color Scheme of Animation Modeling Based on Firefly Algorithm

LI Jun-feng

741000,

In order to reduce the heavy workload of manual color matching and a cost of design, this paper selected Moon & Speneer reconciliation theory as adaptability to automatically score, the Firefly Algorithm and computer-aided design color matching were combined to propose an animation color matching method based on Firefly Algorithm. The results showed that this method could quickly and accurately find the color matching scheme of animation modeling and improve the color matching level.

Firefly Algorithm; animation modeling; color scheme

TP391.1

A

1000-2324(2018)05-0867-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.029

2017-10-06

2017-11-03

李俊峰(1982-),男,碩士,講師,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)多媒體,教育技術(shù). E-mail:lijunfeng75@163.com