基于個性化定制的交互式蒙版擦除動畫設計與實現

2019-08-08 07:57:20李紳紳何曉宇朱付保徐明亮

圖學學報 2019年3期

王華，李紳紳，何曉宇，朱付保，姚妮，徐明亮

王華1，李紳紳1，何曉宇1，朱付保1，姚妮1，徐明亮2

(1. 鄭州輕工業學院計算機與通信工程學院，河南鄭州 450001；2. 鄭州大學信息工程學院，河南鄭州 450001)

隨著虛擬現實技術和移動互聯網技術的飛速發展，眾多商家希望通過移動端實現交互式蒙版擦除動畫。然而目前在個性化實時定制、交互性等方面存在問題。為此，設計了一種基于個性化定制的交互式蒙版擦除動畫方法，包括個性化定制模塊和交互式蒙版擦除動畫可視化模塊，其中個性化定制模塊實現了定制數據的初始化處理，交互式蒙版擦除動畫可視化模塊實現了移動端甩動—可視化終端蒙版擦除—后臺數據查詢編輯的交互式蒙版擦除動畫。搭建了原型系統并進行了實驗測試，測試結果表明，該系統可以實現移動端約2 000次甩動的實時同步擦除動畫可視化。

個性化定制；移動端；交互式；蒙版擦除動畫

隨著虛擬現實技術和移動互聯網技術的飛速發展，越來越多的商家從各種角度出發，致力于提高用戶的參與度和體驗性。利用移動終端實現交互式蒙版擦除動畫，成為不少商家在新品發布會上希望采取的互動方式。

利用移動終端實現交互式蒙版擦除動畫，即用戶通過持續甩動手機、平板等移動終端，實現顯示大屏等可視化終端蒙版上任意形狀的擦除動畫，從而逐漸露出底版數據，達到現場互動的目的。利用移動終端實現交互式蒙版擦除動畫，面臨3個主要問題：①如何實現擦除形狀、蒙版及底版等數據的個性化實時定制，從而支持任意形狀及連通性的擦除形狀，支持任意格式的底版數據(例如二維柵格數據、視頻數據及三維圖形數據等)；②如何提高移動端用戶的交互性，使得擦除形狀與其甩動姿態相關聯：甩動角度與對應擦除形狀旋轉角度相一致，甩動幅度和擦除形狀大小成正比等；③大批量用戶同時持續甩動移動終端時，如何同步處理這些甩動數據并實現可視化終端擦除的動畫展示。

關于蒙版擦除的計算機仿真，國內外已經有了許多相當成熟的技術和軟件系統。例如photoshop等二維圖像處理軟件采用基于alpha通道圖像融合技術實現的二維底版/蒙版圖像的蒙版擦除[1-4]。此類軟件支持任意形狀的擦除，也支持任意蒙版和底版圖像的定制，但是，其定制圖像只能是二維數據，不支持三維或其他類型底版數據的定制。三維仿真軟件如Unity 3D，Unreal Engine 4等，利用其強大的shader功能，將包含擦除形狀信息的圖像和蒙版圖像進行紋理透明度混合，從而露出底版信息[5-6]?；旌线^程中允許圖像位置的改變，可以實現任意位置處蒙版的擦除。但是，針對多次擦除的可視化，需要創建加載多個shader，非常耗時。此外，如何語義化移動端用戶的甩動姿勢信息，將其和擦除形狀相關聯，實現擦除動畫展示，目前并無現成的軟件和系統。蒙版擦除，本質上是對圖像進行摳圖處理，該技術廣泛的應用在數字圖像融合編輯處理中。經典的摳圖方法有Knockkout方法[7]、全局采樣摳圖算法[8]、Weight color and texture matting[9]、KNN matting[10]、半監督學習的摳圖方法[11]、鄰域和非鄰域結合的方法[12]、魯棒摳圖方法[13]等多種摳圖方法[14-16]。上述方法可以較好地實現圖像摳取。但還不能實現三維場景前景和背景的融合、擦除形狀、蒙版及底板等數據的個性化實時定制，以及與移動端的高效實時交互。

為此，本文設計了一種基于個性化定制的交互式蒙版擦除動畫方法，包括個性化定制模塊和交互式蒙版擦除動畫可視化模塊。個性化定制模塊實現了蒙版、底版、擦除形狀等的定制和初始化處理；交互式蒙版擦除動畫可視化模塊實現了“移動端甩動—可視化終端蒙版擦除—后臺數據查詢編輯”的交互式蒙版擦除動畫。移動端的每次有效甩動信息，包括甩動位置、幅度及角度等，都將同步產生不同的蒙版擦除動畫，并且，個性化定制數據和移動端甩動數據信息都可以在交互式蒙版擦除動畫過程中實時的進行編輯和修改。針對上述方法，本文進行了系統的實現和應用，證明本文方法可以支持不同底版、蒙版數據、擦除形狀等的定制，并且可以實現任意位置、任意大小、任意旋轉角度的形狀擦除。效率測試結果證明，本文方法可以實現移動端約2 000次甩動的實時同步擦除動畫。

1 本文方法框架

交互式蒙版擦除動畫實現的大致流程包括：

(1) 擦除動畫初始化，輸入所需要的一些初始信息以及數據預處理；

(2) 移動端獲取參與權限并通過各種甩動參與蒙版擦除；

(3) 可視化終端對歷史甩動信息作可視化展示，并實時獲取當前時刻甩動信息疊加做動畫展示。

針對上述擦除動畫實現流程，本文提出了一種交互式蒙版擦除動畫的實現方法，能夠實現大量參與者同時參與實時的擦除動畫可視化展示，并且考慮了參與者不同甩動姿勢對擦除動畫的影響。其技術框架如圖1所示。首先，受蒙版擦除動畫使用目的、擦除形狀、參與人數、參與權限等不確定性因素的影響，為定制個性化的蒙版擦除，給出一種個性化定制方案建模方法，將上述不確定信息計算機語義化并做預處理，預處理后的數據采用SQLServer數據庫分類存儲，服務于實時擦除動畫的實現。然后，基于這些數據，本文給出了交互式蒙版擦除動畫的實現方法，使得移動端、后臺數據管理端以及可視化端通過實時訪問數據庫，間接完成數據交流，從而實現交互式的蒙版擦除動畫。

圖1 本文方法框架

2 個性化定制方案建模

以交互式蒙版擦除動畫實現流程(圖2)為基礎依據，根據個性化定制方案對相關初始化要素進行歸納及計算機語義化和預處理，方便后續擦除動畫的實現。

圖2 交互式蒙版擦除動畫實現流程圖

2.1 交互式蒙版擦除動畫實現流程

交互式蒙版擦除動畫實現的流程主要包括：

(1) 擦除動畫初始化。根據不同的應用場景對蒙版、底版、模板形狀、擦除次數等蒙版擦除所需要的一些信息進行數據初始化和預處理。蒙版用來刻畫蒙版圖層信息，通常即為RGB圖像，圖像信息可以定制。底版指的是蒙版全部被擦除后呈現出的數據信息，根據不同的應用場景可以初始化為二維矢量、柵格、視頻數據甚至三維圖形數據等。例如應用于新品發布的蒙版擦除，底版通常設置為新品二維圖像或者新品演示視頻；應用于抽獎互動的蒙版擦除，底版通常為一些矢量數據表示的中獎信息。擦除模板可以認為是一個標準化的擦除形狀，根據輸入的包含擦除形狀信息的圖像數據計算得到。擦除過程中，實際擦除的形狀基于擦除模板做平移、縮放以及旋轉等實現。擦除次數指的是將蒙版圖層完全擦除所需要的總次數，擦除次數一定程度上決定了擦除形狀的大小。擦除音效指的是用戶每次交互擦除時同步的擦除聲音。可視化終端信息包括可視化終端尺寸、移動端與可視化終端的平均距離等。

(2) 用戶移動端獲取參與權限并通過各種甩動參與蒙版擦除。用戶在移動端通過注冊等形式提交個人信息獲取參與互動的權限，獲取權限后，移動端的每次有效甩動信息(例如幅度、角度等)都會被可視化終端捕獲并通過對擦除模板做相應的形變實現擦除動畫的可視化展示。

(3) 可視化終端對歷史甩動信息作可視化展示，并實時獲取當前時刻甩動信息疊加作動畫展示。歷史甩動信息指的是擦除動畫初始化完成后至當前時刻參與用戶在移動端的甩動信息?？梢暬K端實時捕獲所有參與者的甩動信息，并將其累加至歷史甩動信息上做可視化展示。因此，每位用戶在移動端的一次有效甩動，都會實時產生一次蒙版擦除。具體擦除形狀、位置等由有效甩動信息決定。有效甩動的定義在后續的3節詳細給出。

2.2 要素歸納與語義建模

根據上述交互式蒙版擦除動畫實現流程，將交互式蒙版擦除方案中包含的要素進行歸納，并進行語義建模。

2.2.1 結構化方案

結構化方案建模指的是對系統所需初始化數據根據其邏輯順序的先后通過某種形式進行計算機語義化表達，使得后續擦除動畫效率提高。

結構化方案建模涉及的要素根據其功能不同可以分為擦除預案要素和移動端要素。

擦除預案要素包括蒙版數據、底版數據、擦除模板數據以及可視化終端數據等。蒙版數據以柵格形式存儲。底版數據根據不同的應用場景可以初始化為二維矢量、柵格、視頻數據甚至三維圖形數據等。本文中，底版數據包含底版數據類型typeID和底版模型數據。typeID取值范圍為[0, 3]，相對應的底版模型數據類型分別為二維矢量、柵格、視頻數據和三維圖形數據?？梢暬K端數據包括可視化終端顯示器的分辨率以及可視化終端與移動端的平均距離等。分辨率決定可視化展示時三維投影的參數，可視化終端與移動端的平均距離決定了擦除動畫繪制的LOD級別。

擦除模板要素主要指的是擦除模板的形狀要素，包含模板形狀邊界要素和模板形狀面積要素。二者由輸入的包含擦除形狀信息的圖像數據和擦除次數共同決定。移動端要素主要指的是在移動端通過注冊等形式獲取到參與權限的每位參與用戶信息，即用戶的ID信息，用來實現參與權限管理及區分互動中每位參與者的不同參與次數。

2.2.2 擦除模板制作

擦除模板制作是將包含擦除形狀信息的圖像數據經處理制作成具有一定格式的矢量數據，并根據擦除次數、可視化終端尺寸等做仿射變換處理后得到。其目的是為了減少蒙版擦除動畫過程中擦除形狀的計算量。擦除模板制作可以大致分為形狀提取和模板制作。

(1) 形狀提取。將用戶需求的形狀信息從包含該信息的圖像中剝離出來，另存為一張前景和背景邊界清晰，并且不包含任何噪聲的圖像。之所以進行本步驟的處理，是因為用戶給出的具有其需求形狀的圖像中噪聲較多，并且前景和背景之間的邊界模糊，后續很難便捷快速的從該圖像中獲取其需求形狀的信息。形狀提取過程如圖3所示，主要包括：

①需要導入包含用戶需求形狀信息(圖3最左側圖像中紅色像素值組成的3個連通區域)的圖像。本文方法中，用戶需求形狀可以由任意凸多邊形或者凹多邊形構成，可以是任意單連通或多連通區域。對輸入圖像的基本要求：圖像中用戶需求形狀信息(即前景)特征較清晰；前景和背景之間有較為清晰的邊界(肉眼可識別)；圖像在需求形狀肉眼可識別的前提下，可以包含各種噪聲。

②對圖像進行摳圖處理以獲取圖像中用戶需要的形狀邊界，可以采用簡單快速的Knockout方法等，也可以使用具備摳圖功能的圖像處理軟件。如圖3中間圖所示，綠色線條為摳取獲得的形狀邊界，綠色線條圍成的3個封閉區域即為用戶需求形狀信息。

③根據摳取獲得的邊界信息，得到一張包含形狀信息且前景背景區分明顯、不包含任何噪聲的灰度圖，如圖3最右側圖所示)。

圖3 形狀提取過程示意圖

(2) 模板制作過程如圖4所示，主要包括形狀數據矢量標準化和仿射變換。

形狀數據矢量標準化的過程采用的是多邊形掃描轉換算法的思想實現。通過對柵格數據逐行求交、排序和配對得到采用二維坐標序列表示的形狀邊界矢量數據集。為了提高后續數據處理的效率，本文將上述矢量數據集進一步做了矩陣標準化處理。

圖4 模板制作過程示意圖

作仿射變換處理是考慮到上述標準化后的矢量數據用于蒙版動畫繪制時存在一些問題：①相對于蒙版而言，形狀圖形過大，需要進行縮放后才能將形狀繪制至蒙版上；②相對于蒙版而言，形狀邊界坐標值過大，需要經過平移后才能將形狀繪制至蒙版上。為此需要對標準化的數據進行仿射變換處理，通過對矢量數據做縮放和平移等仿射變換來避免上述2種情況的產生?？s放系數由初始化的擦除次數、模板形狀面積以及蒙版尺寸共同決定，平移量由形狀數據坐標的平均值決定。

3 交互式蒙版擦除動畫實現

以個性化定制結果為初始數據實現的交互式蒙版擦除動畫，主要包括移動端交互、蒙版擦除動畫可視化以及交互式數據查詢編輯3部分。

3.1 移動端交互

在移動端注冊獲得參與權限后，用戶每次有效甩動都會在可視化終端擦除出第2節擦除模板形狀的底版信息，實現蒙版擦除動畫，從而完成和可視化終端的一次交互。交互過程如圖5所示。用戶執行甩動操作后，首先進行甩動的有效性判斷，若當前次甩動為有效甩動，則將甩動幅度(即位移量)和甩動角度存入數據庫，可視化終端實時讀取數據庫信息，響應該次甩動，根據第2節的擦除模板作蒙版擦除動畫展示，當前次擦除形狀大小和旋轉角度由甩動幅度和甩動角度決定。

圖5 移動端和可視化終端交互過程示意圖

其中有效甩動定義為：

(1) 同一用戶，2次有效甩動之間的時間間隔不小于周期閾值deltaT，本文deltaT取值為0.1 s；

(2) 甩動速度不小于速度閾值v_ threshold，本文中v_ threshold的取值為2 m/s。

移動端捕獲一次有效甩動的偽代碼為：

diffTime=curTime-lastTime

if (diffTime>=deltaT)

if (dis/diffTime>=v_threshold)

=getRotaAng(x-last_x, z-last_z)

addMSG(dis,)

lastTime = curTime

end if

last_x=

last_y=

last_z=

end if

其中，curTime為當前時間；lastTime為上次有效甩動開始的時刻；(,,)以及(last_x, last_y, last_z)分別為當前手機重心坐標和上一時刻重心坐標，該坐標所在坐標系信息為：

(1) 坐標原點為可視化終端屏幕中心點；

(2)軸方向和軸方向分別平行于屏幕的水平方向和垂直方向；

(3)軸、軸和軸組成的坐標系滿足右手法則。

dis為當前甩動在面上投影的位移量，用來表示甩動的幅度，getRotaAng()方法返回二維向量的角度值，即為向量(-last_x，-last_z)的角度值。addMSG()方法將當前有效甩動信息(包括在面上的甩動幅度和甩動角度)傳入數據庫。

3.2 蒙版擦除動畫可視化

蒙版擦除動畫可視化即如何響應當前甩動，并在蒙版上擦除出模板形狀的底版數據。直觀上需要分別繪制擦除形狀區域內的底版數據(如圖6所示區域) 以及其他區域的蒙版紋理(如圖6所示區域)，由于底版數據可能是三維的，造成這種直觀的繪制方法繁瑣且耗時。

圖6 直觀形狀繪制示意圖

受圖像摳圖技術[17]以及現有三維仿真引擎中采用shader實現蒙版擦除工作的啟發，本文采用三維空間正射投影分圖層繪制的方式實現形狀繪制。即在正射投影構成的三維空間中，沿觀察者視線方向上，先繪制底版信息，然后在其正前方繪制蒙版圖像，蒙版繪制中，已被擦除區域的alpha通道設置為0，即完全透明，其它區域的alpha通道設置為1，即完全不透明(圖7)。其中，已被擦除區域即為當前時刻位置，所有用戶在蒙版擦上所有擦除形狀的集合。

圖7 本文中形狀繪制示意圖

For (=1;<=;++)

For (=1;<=n;=+)

End

其中，dis為當前擦除對應用戶移動端甩動幅度，根據4.1節計算得到；thre_dis為幅度閾值，本文中thre_dis=0.2 m；LOD為正整數，由可視化終端和移動終端的距離決定；θ為當前擦除旋轉角度，根據3.1節計算得到；為了提高旋轉變換的計算效率，cos和sin分別為cos(θ)和sin(θ)一階泰勒展開；(x,jy,j) (∈[1,]，∈[1,2s])為擦除模板形狀邊界；P_Rect(1,1,2,2,3,3,4,4)表示由坐標(1,1)，(2,2)，(3,3)，(4,4)圍成的多邊形的點的集合。

3.3 交互式數據查詢編輯

交互式數據查詢編輯指的是用戶可以在后臺數據管理端實時查詢編輯底版、蒙版、擦除模板、擦除次數、擦除音效以及移動端參與用戶權限等數據。

底版蒙版的編輯主要是指更改底版蒙版數據，可以將二維的底版數據改為三維的底版數據，也可以將柵格的底版數據改為矢量的底版數據，可視化終端實時響應編輯修改的數據。

用戶可以通過更改擦除模板數據實現擦除形狀的改變，若用戶選擇系統自帶的擦除模板，則可視化終端實時響應編輯修改后的數據，若用戶選擇自定義的擦除形狀，需要重新進行擦除模板制作流程。

擦除次數的編輯修改直接影響擦除模板大小的縮放系數。假設擦除模板形狀原始面積為，蒙版面積為，擦除次數為，則擦除模板的縮放系數為/(×)。

擦除音效的編輯是更改擦除音效，擦除音效更改后，移動端再次甩動時，可視化終端對應擦除動畫音效為更改后的音效。

移動端參與用戶權限編輯是指對移動端用戶是否可以繼續參與蒙版擦除動畫互動做修改，不具備參與權限的用戶，其在移動端的甩動無法在可視化終端作擦除動畫展示。

4 系統實現及應用

本文實現了基于個性化定制的蒙版擦除動畫系統，系統包括移動端、數據管理端和可視化終端3個模塊(圖8)。移動端甩動信息存入數據管理端，可視化終端從數據管理端獲取數據作實時動畫展示。數據管理端不僅負責所有數據的初始化及編輯修改，還控制移動端權限的開通和關閉等。

圖8 個性化定制的蒙版擦除動畫系統三模塊關系示意圖

4.1 應用實例

移動端用戶通過注冊獲取參與權限，注冊頁面如圖9所示，只需要填寫簡單的姓名和手機號，即可完成注冊。

圖9 移動端用戶注冊示意圖

數據管理端進行數據編輯。首先可以進行擦除形狀的編輯，圖10為不同形狀對應可視化擦除效果；其次可以進行擦除次數的編輯，圖11(a)圖為數據管理端擦除次數設置界面圖，圖11(b)和(c)分別為擦除次數等于500和1 000時對應的可視化終端擦除效果截圖。可以看出，擦除次數多的，對應的擦除形狀較小。此外，擦除形狀不僅和擦除次數相關，還和移動端用戶的甩動幅度有關，甩動幅度越大，相應的擦除形狀也越大。

本系統還可以進行諸如底版蒙版數據的編輯修改，圖12為不同底版數據和蒙版數據對應的可視化終端單次擦除效果截圖。

(a) 界面圖

(b) 擦除次數500

圖12 不同底版和蒙版可視化終端擦除效果圖

可視化終端響應移動端的有效甩動，并根據甩動幅度和角度做等信息動畫展示。圖13上圖和中間圖為首次有效甩動時，不同甩動角度對應的可視化終端擦除效果截圖，下圖為多次甩動后對應的可視化終端擦除效果截圖。

圖13 不同甩動角度和不同甩動次數對應可視化終端效果截圖

4.2 動畫繪制效率測試

為驗證本文方法的有效性，對系統計算效率進行了測試，可視化端測試環境為：Intel(R) Core 8 Xeon(TM) i7-4790 CPU @3.60 GHz and 4.0 GB RAM。測試采用的形狀邊界頂點個數為1 192個。

首先在學院某次新生見面會現場進行了公測，現場1 500人左右，學生通過手中各類品牌的手機注冊參與蒙版擦除互動活動。數據管理端捕獲到學生實時(50 ms時長內)甩動峰值為620次，可視化終端可以實現在該時段內620次甩動的實時擦除計算和繪制顯示。

為了進一步驗證本文方法的計算效率，模擬了不同用戶人數下的計算時間。模擬中假設用戶在移動端的甩動信息可以實時傳到數據管理端，即通過自動寫入擦除次數來測試任意甩動次數下的情況。

測試結果如圖14所示?？梢钥闯?，對于上述形狀，本文方法可以實時繪制約2 000左右擦除形狀。

圖14 形狀繪制繪制次數和時間的關系

圖14的結果忽略了用戶甩動數據的識別與傳輸等計算時間。事實上，這些計算只是一些簡單的判斷和數據上傳，只要網絡暢通，需要的時間和動畫繪制相比，是微不足道的。

5 結論

本文給出了一種基于個性化定制的交互式蒙版擦除動畫實現方法。首先依據蒙版擦除動畫實現流程，對蒙版擦除所需的初始化數據進行了個性化定制方案建模，實現了對初始數據的歸納、定義以及預處理；然后，基于上述個性化定制結果，實現了“移動端甩動—可視化終端蒙版擦除—后臺數據查詢編輯”的交互式蒙版擦除動畫；最后，對本文方法進行了系統實現和應用，證明本文方法可以支持不同底版、蒙版數據、擦除形狀等的定制，并且可以實現任意位置、任意大小、任意旋轉角度的形狀擦除。效率測試結果證明，本文方法可以實現移動端約2 000次甩動的實時同步擦除動畫。

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Design and Implementation of Interactive Mask Erasing Animation Based on Personalized Customization

WANG Hua1, LI Shen-shen1, HE Xiao-yu1, ZHU Fu-bao1, YAO Ni1, XU Ming-liang2

(1. School of Computer and Communication Engineering , Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou Henan 450001, China; 2. School of Information Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou Henan 450001, China)

Abstract: With the rapid development of virtual reality and mobile internet technologies, many businesses hope to achieve an interactive mask erasing animation through the mobile terminal. However, there are problems with personalized real-time customizations, interactivity and so on. Therefore, we introduce an interactive mask erasing animation method based on personalized customization. Our method includes personalized customization module and interactive mask erasing animation visualization module. The personalized customization module initializes and processes customized data. The interactive mask erasing animation visualization model performs the four tasks of mobile terminal shaking - visual terminal mask erasing - the background data querying and editing. We built a prototype system to test the above method. Simulation results show that it can realize the real-time synchronous erasing dynamic visualization for 2 000 times shaking at mobile terminals.

Keywords: personalized customization; mobile terminals; interactive; mask erasing animation

中圖分類號：TP 391

DOI：10.11996/JG.j.2095-302X.2019030473

文獻標識碼：A

文章編號：2095-302X(2019)03-0473-08

收稿日期：2018-11-16；

定稿日期：2018-11-26

基金項目：國家自然科學基金項目(61602425，61472370，61602421，61672469，61602420，61502433)；鄭州輕工業學院博士基金項目(2015BSJJ007)；河南省科技攻關項目(182102311071)；鄭州輕工業學院研究生科技創新基金項目

第一作者：王華(1982-)，女，河南新鄉人，講師，博士，碩士生導師。主要研究方向為虛擬現實。E-mail：wanghua@zzuli.edu.cn

通信作者：徐明亮(1981-)，男，河南信陽人，教授，博士。主要研究方向為人工智能、虛擬現實。E-mail：iexumingliang@zzu.edu.cn