基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維動畫建模設(shè)計

謝娟

摘? 要： 傳統(tǒng)的三維動畫建模方法獲取的三維動畫信息不全面，導(dǎo)致三維動畫連續(xù)性差?；诖?，提出并設(shè)計了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維動畫建模方法。首先利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對三維動畫場景中節(jié)點進行編組，計算三維動畫場景節(jié)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(shè)計。實驗結(jié)果表明，采用基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維動畫建模方法相比傳統(tǒng)的三維動畫建模方法連續(xù)性更強，同時可全面展現(xiàn)三維動畫信息。

關(guān)鍵詞： 三維動畫建模; 虛擬現(xiàn)實技術(shù); 節(jié)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(shù)發(fā)展迅速，能夠通過建立角色、實物、場景的三維數(shù)據(jù)，讓三維數(shù)據(jù)在某個空間內(nèi)通過一定的軌跡和動作進行活動?，F(xiàn)階段，多數(shù)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(xiàn)動畫場景的深度信息。由于獲取信息不完全，導(dǎo)致三維動畫建模出現(xiàn)連續(xù)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(xù)性，已經(jīng)成為目前亟需解決的問題。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種基于計算機圖形學(xué)的多視點、實時動態(tài)的三維環(huán)境，該三維環(huán)境可以對現(xiàn)實世界進行描述，還能夠建立超越現(xiàn)實的虛構(gòu)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(huán)境交互中。在實際操作中，操作者為實時數(shù)據(jù)源的形式存在于虛擬環(huán)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(xiàn)實技術(shù)在衛(wèi)生、教育、軍事、醫(yī)學(xué)等方面都有廣泛的應(yīng)用，因此將其應(yīng)用到三維動畫建模中，具有重要意義。此次設(shè)計方法對三維動畫場景節(jié)點坐標計算，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將節(jié)點坐標信息與幾何信息結(jié)合，完成三維動畫建模設(shè)計。

1? 三維動畫場景節(jié)點坐標計算

三維動畫場景即由多個節(jié)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(jié)點坐標，保證三維動畫的連續(xù)性[2?3]。利用節(jié)點描述三維動畫場景中各個模型的顏色、外形和材質(zhì)等，構(gòu)建三維動畫場景節(jié)點層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

對三維動畫場景中的所有節(jié)點進行編組處理，假設(shè)[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(yīng)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(xiàn)實技術(shù)獲取三維動畫場景中節(jié)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(jié)點。

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

根據(jù)場景劃分結(jié)果，對三維動畫場景節(jié)點坐標計算，假設(shè)[n]代表編組完成的三維動畫場景節(jié)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(shè)[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(shù);[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(guān)于三維動畫場景圖像節(jié)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(jié)點坐標的計算，為三維動畫建模提供基礎(chǔ)。

2? 三維動畫建模

在上述三維動畫場景節(jié)點計算的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)[10]對三維動畫建模。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征如圖3所示。

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實技術(shù)描述三維動畫的幾何信息，結(jié)合三維動畫的幾何信息[6]與虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的節(jié)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(yōu)變換關(guān)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(shù);[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(shù)據(jù)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(chǎn)生大量冗余的動畫場景圖像特征點[11]。因此，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對三維場景圖像點云進行合并，假設(shè)[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(shù)據(jù)精簡，得到三維動畫場景圖像點云量的總數(shù)[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(xiàn)實技術(shù)下的三維動畫精簡處理，在此基礎(chǔ)上，將建模坐標轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)任何一點。

通過上述過程，完成坐標系轉(zhuǎn)換，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shè)計。

3? 實驗對比

為驗證上述設(shè)計的基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維動畫建模方法的有效性，將傳統(tǒng)的三維動畫建模方法與此次設(shè)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(xù)性。

3.1? 實驗環(huán)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(shù)據(jù)，動畫場景圖像分辨率為[380×600] dpi，分別使用傳統(tǒng)的三維動畫建模方法與此次設(shè)計的三維動畫建模方法對實驗圖像建模。實驗環(huán)境配置見表1。

由于實驗數(shù)據(jù)與建模數(shù)據(jù)存在格式上的差異，為減少實驗時間，對實驗三維動畫的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，獲取動畫場景圖像第[k]組對應(yīng)點在變換之后的距離差[Gk]：

3.2? 實驗結(jié)果分析

實驗數(shù)據(jù)由DF?ET軟件生成，5組動畫場景中的數(shù)據(jù)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(xù)性，實驗對比結(jié)果如圖4所示。

分析上述實驗對比結(jié)果可知，在三維動畫場景較少時，傳統(tǒng)的建模方法能夠保證較好的模型連續(xù)性，隨著三維動畫場景增多，傳統(tǒng)建模方法的模型連續(xù)性逐漸降低。而此次設(shè)計的基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xù)性，主要是因為在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(jù)三維動畫特征與三維點云之間的關(guān)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(xù)性。

4? 結(jié)? 語

首先利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對三維動畫場景中的節(jié)點編組，獲取三維動畫場景節(jié)點坐標信息，然后利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實技術(shù)生成三維動畫的模型元件，完成三維動畫建模。實驗對比結(jié)果表明，此次設(shè)計的基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維動畫建模方法比傳統(tǒng)的三維動畫建模方法連續(xù)性更強，具有一定的實際應(yīng)用意義。

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