淺析電子設計在虛擬角色動畫系統構建中的應用

呂 闖 重慶工商大學派斯學院

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淺析電子設計在虛擬角色動畫系統構建中的應用

呂 闖 重慶工商大學派斯學院

【文章摘要】

【關鍵詞】

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據結構以及操縱該數據結構。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，還要滿足建模技術的三個指標：即交互顯示能力、交互操做能力、容易建構的能力對虛擬角色模型的需要。

通過對平臺的環境以及虛擬人物進行歸類，把平臺中的模型歸為兩類：靜態對象和虛擬人物。靜態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，是虛擬礦井通風環境構建的基礎，也是虛擬礦井創建的一項重要步驟。

1.人物建模

虛擬人物的構建，第一步，要作的是對骨骼系統模型的三維建模。三維人物建模工作是整個平臺的基礎工作，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。下面是整個平臺設計中虛擬人物建模的實現過程。

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

人物模型的創建是本平臺的重要技術，人物模型可以表現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，再找到恰當的臉部和毛發模型，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。因為POSER人物模型庫三維資源有限，需要通過適當調整才能獲得合適的模型。在該軟件中調整比在3D中調整要簡單一些，也為后面的蒙皮操作提供了方便。

將調好的人物模型導出為3DMAX格式，導入到3D 軟件中進行調節，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節。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。

從蒙皮插件中導出的人物模型是以材質而不是貼圖的格式進行導出的。因此從蒙皮插件中導出的模型在3D軟件中不能進行貼圖展開，因此本設計用到了兩個模型，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插件中骨骼的設置

圖5　面數減少參數設置

（2）在3D中建立人物骨骼

為設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　插件調整骨骼蒙皮

（4）骨骼動畫

在三維建模的基礎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，因此骨骼動作是核心技術。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，根據需求確定關鍵幀數，第三步，調節關鍵幀的每一幀姿勢，動畫模塊根據關鍵幀，生成動畫圖像序列。人是一個錯綜復雜的實體。用生理解剖的醫學角度來分類：人體可以分為骨骼、肌肉和皮膚三部分。人體骨骼是由關節鏈聯接而成，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生的。骨骼決定了角色的姿態。這里面只需要對人體骨骼制作關鍵幀動畫即可。見圖8。

由于人體運動復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。直接通過參數的調節來確定人體骨骼的基本形狀。動作生成運用 “關鍵幀”技術。打開人體骨骼模型的時間軸，調節每一幀骨骼的關鍵動作。通過此方法建立虛擬角色的動作是比較耗費時間的，需要逐幀來調節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。

筆者用到手動設置關鍵幀的行為，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，就是在時間軸關鍵幀打開的前提下，調整骨骼關鍵幀的位置，此步驟全憑個人經驗來做。技巧是在還沒完成幀數時，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.三維實體模型相關技術研究［D］.解放軍信息工程大學，2011.

［2］曾磊夫.基于軟件技術的高效三維圖形渲染系統的設計與實現［D］.電子科技大學，2015.

虛擬場景中角色的三維模型，是用來描模型內部的幾何性質的抽象模型，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構。三維信息是指角色在三維空間中的形體、方位和尺寸，拓撲結構是物體各分量方向的數值及其相互之間的關聯關系。當今，常用的三維建模系統一般常用三種建模方式，即線框建模，表皮建模和實物建模。