基于自動生成技術的三維動畫型微課場景設計

李龍

摘 要：微課作為一種新型的網絡學習方式，其理論設計、開發制作以及應用創新是研究熱點。當前構建三維動畫型微課場景存在制作周期長、工作量大等問題。通過研究場景規劃，提出一種基于模型標注與區域布局的場景設計規劃方法，包括模型數據處理、預規劃與計算實現幾個步驟，對模型進行數據預處理與標注存儲，通過基于知識的方法推導出場景預規劃方案，并對模型位置進行動態計算。實驗結果表明，該方法能自動生成三維動畫型微課場景，場景模型位置規劃正確率達到85%。

關鍵詞：三維動畫;微課;場景規劃;模型標注;教育技術

DOI：10. 11907/rjdk. 201031????????????????????????????????????????????????????????????????? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319 ? 文獻標識碼：A ??????????????? 文章編號：1672-7800（2020）011-0154-05

Research on 3D Animation Micro-lecture Scene Design

Based on Automatic Generation Technology

LI Long

（Distance Education Center， Party School of China Railway Taiyuan Group Co.， Ltd.， Taiyuan 030013， China）

Abstract： Micro-lecture is a new type of online learning. Its theoretical design， development， and application innovation have become hot research topics. At present， when constructing a 3D animation micro-lecture scene， there are problems such as a long production cycle and a large workload， which cannot be well applied to practical operations. Based on the study of scene planning， this paper proposes a method for scene design planning based on model labeling and regional layout. It includes three parts： model data processing， pre-planning and calculation. The model is preprocessed and labeled with data. The method can deduce the scenario pre-planning scheme and calculate the model position dynamically. The experimental results show that the method can automatically generate 3D animation micro-lecture scenes， and the accuracy rate of scene model location planning reaches 85%.

Key Words：3D animation; micro-lecture; scence planning; model label; educational technology

0 引言

微課作為一種新型教學教育課程，集合了互聯網、虛擬現實、視頻制作、互動錄播等眾多技術手段為一體。微課（Micro-lecture）概念最早由美國墨西哥州圣胡安學院的David[1]提出，他綜合了美國北愛荷華大學Leroy[2]提出的60秒課程（60-Second Course）以及英國納皮爾大學Kee[3]提出的一分鐘演講（One Minute Lecture），認為微課通過將授課內容與教學目標相結合，可在短時間內為學習者提供精煉的學習資源。隨著“互聯網+教育”發展，微課在教育教學領域扮演越來越重要角色。

傳統的動畫型微課由于不受時間、空間、地點限制，可將復雜、抽象的概念通過簡化、夸張與擬人化手法形象化和具體化，使微課內容更加生動，展示與講解效果更好[4]。根據技術手段不同，動畫型微課分為二維動畫型微課與三維動畫型微課。三維動畫型微課比二維動畫型微課畫面更具有立體感與深度感，模擬場景與制作效果更加逼真，但在構建動畫場景時難度較大，制作效率低，操作更為復雜。因此，如何保證三維動畫型微課場景制作質量，提高制作效率，形成一種新型制作技術架構，解決在教育教學中普及三維動畫型微課問題，是本文研究重點。

1 相關工作

傳統動畫通常先用畫筆畫出靜止手稿，通過攝影機進行連續拍攝，從視覺感官上產生連續變化效果。為進一步提高動畫制作效率，20世紀90年代，中國科學院陸汝鈐等[5]提出計算機全過程輔助動畫自動生成技術。該技術將人工智能、圖形學技術、電影藝術等引入動畫制作全過程，實現從文本到動畫的自動生成。采用該系統制作的動畫《三兄弟》在中央電視臺播放，驗證動畫自動生成技術可行。Shim等[6]提出基于自動Agents的短故事生成技術;GervAas等[7]設計自動生成故事系統，在Ontology知識庫中構建已有故事情節腳本，通過事件推理法在知識網絡中形成基本情節;隨著智能手機的普及，楊勇[8]于2008年提出將動畫自動生成技術應用于手機短信，設計并實現面向手機短信的3D動畫自動生成系統。系統通過分析手機短信文本，自動生成符合短信內容的動畫并發送給接收方;曹存根等[9]開發基于知識的PNAI系統，為計算機動畫生成提供支持; 2015年，閻思瑤等[10]以中國古典詩詞為研究對象，將自然語言處理、計算機動畫與古詩詞等相關研究成果結合，研發古詩詞動畫自動生成系統。

場景規劃作為計算機動畫創作的重要環節，研究難點是搭建適當且合理的場景。在構建場景時各個模型規劃不是簡單的物體碼放，除了計算當前空間區域是否合適，還需要考慮物體之間的性質與關系。場景自動生成技術相關研究有：Smith[11]在三維場景中通過幾何約束對物體進行規劃擺放;Xu[12]提出一種基于約束的自動布局方法，并在此基礎上研制CAPS系統。該系統通過語義網技術對物體間的位置關系進行約束，在場景中自動引導物體擺放;Vassias[13]通過預設約束條件，采用遺傳算法對場景布局進行求解，設計MultiCAD-GA系統。

本文提出將自動生成技術引入三維動畫型微課場景制作中。考慮微課場景中各模型不是簡單的物體碼放，除了計算當前空間區域是否合適，還要考慮物體之間存在的性質與關系。因此，與上述研究相比，本文提出一種基于模型標注與區域布局的場景設計規劃方法，包括模型數據處理、預規劃與計算實現3部分。在模型數據處理階段對場景及模型進行處理，對模型、場景位置、朝向及中心點進行規范化處理，同時對可用空間（指可以進行場景規劃的空間）進行劃分，建立模型與模型之間、場景與模型之間的關聯關系，對有用信息進行標注存儲;預規劃階段通過相似性深度搜索選擇合適的微課場景以及候選添加模型，給出初步擺放方案;計算實現階段依據預規劃結果進行場景規劃計算，對場景內所添模型位置進行動態計算，使模型擺放位置合理，提高三維動畫型微課場景自動生成的多樣性。

2 系統整體設計

為滿足功能需求，提高三維動畫型微課制作效率，降低開發成本，設計基于模型標注與區域布局的場景規劃系統，整體流程如圖1所示。系統通過場景規劃庫讀取場景信息，在預規劃階段得到與當前場景相吻合的場景元素（模型）并對其進行布局規劃設計;在計算實現階段根據預處理結果將其轉化為具體數值，依據實際情況對場景與模型進行添加修改，動態規劃模型位置及布局，最后調用Maya API生成三維動畫場景原始文件。

3 預規劃設計

3.1 場景與模型預處理

場景與模型數據處理是數據存儲與后期場景規劃計算的基礎。基于數據重用性原理，為方便在預規劃階段對場景進行布局及計算實現階段讀取數據，需要建立場景庫與模型庫存放場景與模型實例（實例保存為Maya文件），并對場景與模型進行統一規范化處理，具體包括命名規范化與位置規范化。命名規范化對象包括場景、模型及可用空間，場景名稱統一以”S_”開頭，模型名稱統一以“M_”開頭，可用空間名稱統一以”SP_”開頭，圖2（a）為場景M_coffeehome大綱視圖;位置規范化指獲取原始場景及模型長、寬、高、位置朝向后，通過計算獲取中心點、旋轉值及包圍盒大小，調用Maya API對場景與模型進行位置移動旋轉。圖2（b）為模型M_desk.ma的側視圖。

3.2 數據標注存儲

建立數據庫存儲預處理后的場景與模型實例并刻畫彼此之間的關系。本文通過關系型數據庫進行存儲，設計主題表、可用空間類型表、場景表、模型表、場景模型關系表、模型信息標注表以及布局規劃表。

可用空間類型表主要存儲可用空間類型，包括地面可用空間、空中可用空間、水面可用空間，地面可用空間分為室內、室外地面可用空間，空中可用空間分為高空、低空可用空間。

場景表主要存儲場景實例信息，包括名稱、存放類型、適用情形、位置信息、旋轉值信息、包圍盒大小等。

模型表主要存儲模型實例信息，包括名稱、類型、位置信息、旋轉值信息、包圍盒大小、關聯動作、可被支撐場景元素等。

場景模型關聯表主要存儲與場景相關聯的模型實例。

模型信息標注表存儲模型之間的關聯關系，包括約束關系、依賴關系、組成關系以及互斥關系等。

布局規劃表存儲布局規劃類型，包括線性規劃、三角形規劃與正方形規劃。

3.3 預規劃遵循策略

三維動畫型微課預規劃設計階段，以場景模型實例庫、數據庫為基礎，根據微課類型確定微課主題，通過主題確定候選場景，通過原子信息（微課內容關鍵點）推導出與當前場景相適應的模型信息并對其進行布局規劃。預規劃階段遵循策略：

（1）查看微課主題在場景庫及模型庫中是否存在與其相關聯的主題信息，若存在則根據當前主題推出與之相符合的候選場景并保存;沒有主題情況下根據微課內容的原子信息判斷場景庫是否存在與其相關聯的場景實例，如果存在則對其處理并將信息保存。

（2）分析保存的候選場景信息，對模型表及場景模型關聯表進行相似性搜索，確定候選模型信息，在模型信息標注表中查看，確定其是否存在約束關系，然后保存上述信息。

（3）確定場景的可用空間類型，根據模型類型及布局規劃表對候選模型進行布局規劃，確定場景可用空間、所添加模型布局規劃，對規劃信息進行保存并輸出預規劃文檔。

預規劃階段的輸出結果以xml格式保存，文檔內容包括微課主題、場景信息、模型信息、模型數量、可用空間名稱、布局規劃類型、關聯關系、關聯模型等信息。預規劃結果各參數描述如表1所示。

4 計算實現

計算實現是三維動畫型微課場景規劃最重要的部分，計算結果直接影響場景布局規劃效果好壞。當場景進行規劃時，需要將所添加模型放入場景的可用空間進行規劃。模型布局規劃不同于簡單的物品碼放，不僅要考慮模型自身性質，還要考慮模型與場景、模型與模型之間的位置關系與關聯關系，而且要針對各模型所屬種類的不同設置不同的布局規劃方式（當前規劃方式分為線性規劃、三角形規劃與正方形規劃）與之相適應。因此，要針對預規劃設計階段規則完成解析并采用對應策略實現計算。

對模型位置設定如下條件：①可行性。模型位置規劃結果應當與預規劃屬性信息相符合;②條件性。模型位置選擇應該位于場景的可用空間內，不能放置在非場景模型可用空間且模型之間不能互相重合;③可操作性。由于模型之間存在依賴關系，因此在模型放置過程中，當出現所添加模型較多導致預規劃階段模型放置出錯時，可通過對當前模型之間存在的關系優先級進行判斷，對模型進行適當刪減;④多樣性。模型位置布局應避免重復，位置點需在保證場景規劃成功的基礎上選取隨機區域、隨機位置，從而保證同一種預規劃設計經過多次場景規劃生成的微課動畫場景不完全相同，使動畫的多樣性更為豐富。

對模型位置規劃首先需要考慮模型間的位置關系及規劃類型。首先統計當前場景可用空間信息及預規劃設計待添加模型信息，將模型根據關聯關系劃分到不同的可用空間區域中，具有空間位置一致性模型會劃分到同一區域中。若存在組成關系，則需要統一考慮具有層疊性質模型，之后對每個可用空間擺放的模型進行規劃，給出所有擺放方案并進行存放。模型位置規劃算法如下：

輸入：場景預規劃文檔信息

輸出：模型位置

Begin

（1）獲取當前場景中可用空間位置大小信息，將這些信息加入可用空間序列listSpace（m）中，m∈{mn，n∈Z+}

（2）統計當前場景待添加模型信息，存儲模型名稱、包圍盒大小、位置及旋轉信息，并根據預規劃設計文檔得到模型之間的關聯關系associatedType及交互模型interactionModel，將這些信息加入模型集合modelMap（modelName，infoJson）中，統計所添模型類型個數n

（3）判斷預規劃信息文檔中模型之間的位置關系，將所添模型劃分到不同的可用空間中

（4）判斷可用空間數量m、模型類型個數n以及規劃類型，對需要進行場景規劃的執行第（5）步，否則執行第（26）步規劃結束

（5）for 可用空間序列listSpace? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //刪除超過可用空間大小的模型

（6）? ? ? ? ? for 模型集合modelMap

（7）? ? ? ? ? ? ? ? ? if 模型包圍盒大小超出可用空間尺寸范圍

（8）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?從modelMap中刪除此模型信息

（9）讀取預規劃文檔中的場景規劃類型，開始向可用空間區域內放置模型

（10）? ? ? ? ? ?獲得需要添加的模型interactionModel，獲得其包圍盒大小及位置信息

（11）? ? ? ?if 關聯關系類型為組成關系? ? ? ? ? ? //組成關系處理

（12）? ? ? ? ? ? ? ?對組成層疊關系的下層模型按照場景規劃效果與可用空間形狀計算模型位置

（13）? ? ? ? ? ? ? ?if 場景規劃結果滿足模型可用空間要求

（14）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?保存這條場景規劃結果

（15）? ? ? ? ? ? ? ?else

（16）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?減少可用空間內模型放置數量或移除部分模型（包括與其相關聯的交互模型）

（17）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?將修改或刪除信息在mdelMap更新，轉到步驟（9）

（18）? ? ? ? ? ?else

（19）? ? ? ? ? ? ? ?判斷interactionModel中是否為空，若不為空則將該模型信息加入modelMap中

（20）for 可用空間序列listSpace? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //模型位置計算

（21）? ? ? ?for 該空間可使用的布局類型

（22）? ? ? ? ? ? ? 根據布局效果調整模型放置順序

（23）? ? ? ? ? ? 根據可用空間形狀計算模型的相對位置與朝向

（24）? ? ? ? ? ? ? 保存當前布局結果并將可用空間剩余大小存入listSpace（m）中

（25）將所有區域組合放入可用空間中

（26）//所有可用空間場景規劃完成

End

5 實驗

本文模型數據來源于網絡共享資源，針對當前實驗采用1×1個單位網格作為基本長度單位進行計算。測試環境包括硬件與軟件兩部分，硬件設備為Inter（R） Core（R） i5-2400 CPU @ 3.10GHZ臺式機，內存16GB;軟件包括64位Windows操作系統、Maya 2009、Eclipse、VisualStudio 2008、MySQL等。

以《家庭介紹》微課內容為例，選取其中部分場景設計信息，預規劃xml文件如下：

該預規劃信息表示在M_room場景下進行規劃設計，其中預規劃信息如下： 添加了兩把椅子（M_chair），規劃方式為線性規劃，關聯模型為M_table，放置的可用空間為SP_room1_A;添加一張桌子（M_table），規劃方式為隨機規劃，關聯類型為組成關系，關聯模型為M_chair，放置的可用空間為SP_room1_A;添加兩個茶杯（M_cup）與一個托盤（M_tray），規劃方式為三角形規劃，關聯類型為層疊關系，關聯模型為M_table，放置的可用空間為SP_room1_A;添加一個抱枕（M_pillow），規劃方式為線性規劃，關聯類型為層疊依賴關系，關聯模型為M_ sofa，放置的可用空間為SP_room1_B。動畫生成效果如圖3（a）、圖3（b）所示。

6 結語

本文研究了三維動畫型微課制作中場景自動規劃問題。首先使用基于模型標注的方法對模型進行預處理及數據標注，建立模型庫并對模型基本信息、關聯關系進行存儲，之后判斷并獲取微課主題及微課原子信息，通過相似性深度搜索選擇適用于微課內容的場景及候選添加模型，在預規劃階段給出場景規劃方案并動態計算模型擺放位置，最終實現三維動畫型微課場景自動生成規劃。目前，三維動畫型微課場景規劃自動生成系統還處于測試階段，由于模型信息使用MySql數據庫存儲，在處理模型屬性及構建關系時有所限制，為此后續考慮引入本體編輯和知識獲取的Protégé軟件[14]。目前微課主題獲取需要人工判斷，場景預規劃效果受主觀因素影響較大，場景動畫生成效率不高，因此需在后續添加信息抽取功能，以保證主題及原子信息抽取準確率。

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（責任編輯：杜能鋼）

0 引言

隨著現代民用飛機飛行包線不斷擴大，特別是國內某些干線航線緊張，民機逐步向高空高速發展。飛行控制律作為飛機的“靈魂”，直接影響飛機安全性和舒適性[1-2]。飛行控制系統設計是我國大型客機研制過程中的關鍵技術之一，對于提高飛機性能、飛行安全以及減輕駕駛員工作負荷至關重要[3-4]。

王永[5]分析了我國民機飛控系統研制與西方國家的差距，提出我國大型客機研發需要在增強可靠性與安全性、提高適航取證能力、降低成本、發展多層次系統化的飛控產品等方面有所突破。面對與日俱增的市場需求，加上日趨明顯的歐美技術封鎖，研制出具有自主知識產權的大型客機飛行控制系統刻不容緩[6-9]。日前，中國商飛正充分爭取全球資源，集全國之力發展大型客機項目，本文來源于民機飛行控制律設計相關項目，對我國大型客機研制具有一定參考意義。

1 研究對象

本文以某大型民機為研究對象，利用經典方程描述飛機的動力學和運動學模型，選取12個狀態變量，其它變量通過這12個變量導出求得。選取典型巡航狀態的配平點，在配平點附近通過小擾動線性化方法得到線性模型?？v向控制律基于線性模型而設計。本體模型架構如圖1所示。

2 特征結構配置方法

特征結構配置方法在民機飛行控制系統中應用十分廣泛，特征根可以改善系統響應的動態特性，特征向量可以對系統進行動態響應解耦，通常綜合配置特征根和特征向量使系統達到預期響應[11-14]。一般地，線性時不變系統的狀態方程如下：

x=Ax+Buy=Cx

其中，A∈Rn×n，B∈Rn×m，C∈Rp×n，n為飛機狀態變量個數，p為觀測輸出個數，m為系統輸入個數。

特征結構配置可以概述為：針對給定的自共軛標量集{λdi}和對應的自共軛n維向量集{vdi}，確定一個m×n維實數矩陣K，使得A+BK的特征值與共軛標量集{λdi}一致，其對應的特征向量與n維向量集{vdi}一致。

kp=（ω2inv-ω2cmd）/kinvω2invkd=（2ζinvωinv-2ζcmdωcmd）/kinvω2invkff=ω2cmd/kinvω2inv? ? ? ? ? （6）

控制系統在該配平點附近的短周期法相過載響應伯德圖如圖4所示，為頻率范圍從0.1rad/s到1.5倍的飛機短周期模態響應頻率。

3.5 反饋通道及參數配置

反饋通道可以改善系統的阻尼特性和短周期頻率，反饋信號采用飛機法相過載反饋nz，但實際上nz是根據迎角信號αz轉化得到的，nz反饋可以提高飛機系統本身的靜穩定性，同時也能滿足系統對于阻尼特性和短周期頻率的要求。其中，控制系統反饋模塊如圖5所示。

其中，αnz是在短周期運動模態中，迎角和法相過載之間的轉換系數，具體表達式如式（7）所示。

αnz=αn=VgZα? ? （7）

迎角速率信號α可以通過飛機的俯仰角速率q經過一定轉換得到，具體表達式如式（8）所示。

α=q+gcos？cosθcosα+sinθsinα-nzU? ? ? ?（8）

對于巡航平穩飛行狀態，俯仰角θ與迎角α相等，且法相過載nz為1，因此迎角速率α等于俯仰角速率q。

通過αnz可以將法相過載指令nz和法相過載變化率指令nz轉化為迎角指令信號α和α，然后與飛機本體的迎角反饋和迎角變化率反饋信號作差，再乘以適當的反饋增益系數Kα和Kα，對這兩條反饋通路求和，共同組成了反饋信號指令，這也是常規意義下的比例—積分（PI）控制環節。

反饋通道的反饋增益K可以采用特征根結構配置方法求得。系統短周期運動模態特征根為-0.722 9±1.604 9i，阻尼比為0.410 7。由GJB185-86一級標準規定，最小無阻尼自振頻率不小于1.0，阻尼比不小于0.19。Nz控制律設計主要針對飛機的短周期運動模態而言，選擇短周期運動特征根為-0.8±0.8i，阻尼比選擇為0.707。

則期望的特征值如式（9）所示。

λd=-0.8+0.8i -0.8-0.8i * *? ? ?（9）

狀態反饋的控制律u = -Kx+v，具有期望特征值的閉環系統特征多項式為：

f（λ*）=（λ*+0.8-0.8i）（λ*+0.8+0.8i）

取K=kα，kα，則設計的閉環系統特征多項式為：f（λ）=|λI-A+BK|，然后由f（λ*）=|f（λ）|，通過求解該方程即可得到反饋增益矩陣K=-1.762 6，0.197 4，*，*，該增益矩陣可以保證閉環系統的特征值為期望值。

3.6 仿真驗證分析

基于上述方法得到控制律，利用MATLAB的Simulink在配平點附近搭建線性數學模型，并進行線性仿真分析。在單位方波輸入下，模型輸出如圖6所示?？梢钥闯鲈贜z控制架構下，飛機法相加速度響應效果良好，且超調量較小，當飛行員撤銷駕駛桿指令輸入時，飛機也能很快進入穩態。

將在該平衡點附近設計的控制律應用于非線性六自由度模型，觀察飛機在該平衡點附近的響應，并通過俯仰角速律q響應準則評價控制方案的品質效果，巡航飛行速度為100m/s，飛機俯仰角速率響應曲線如圖7所示。

根據圖7俯仰角速率q在Nz控制器下的單位階躍輸出曲線，結合俯仰角速率響應準則，檢驗控制器效果。

（1）有效延遲時間t1≈0.05，可以滿足1級飛行品質要求。

1級：t1≤ 0.12 s;2級：t1≤ 0.17 s;3級：t1≤ 0.21。

（2）瞬態峰值比（Δq2/Δq1）max≤0.1，可以滿足1級飛行品質要求。

1級：（Δq2/Δq1）max≤0.3;2級：（Δq2/Δq1）max≤0.6;3級：（Δq2/Δq1）max≤0.915。

（3）有效上升時間Δt≈ 0.2，同樣滿足終端飛行階段1級飛行品質要求。

級別? ? ? ? ?非終端飛行? ? ?終端飛行? ? ? ? ?1級 9/V0≤Δt≤500/V0? ? ? ? 9/V0≤Δt≤200/V0? ? ? ? 2級 3.2/V0≤Δt≤1 600/V0 3.2/V0≤Δt≤645/V0

式中，V0為真空速（m/s），配平點巡航飛行速度為100m/s。

綜上所述，設計的Nz控制器可以滿足俯仰角速率準則1級飛行品質要求，設計的Nz控制器可以滿足設計指標，達到預期效果。

4 結語

以上研究表明，采用特征結構配置法設計的縱向飛行控制律具有良好控制效果，響應平滑迅速，可以達到俯仰角速率1級飛行品質要求。此外，通過特征結構配置方法可以一次性求得所需反饋增益系數，縮短了控制律設計時間，提高了效率。但是存在的問題是，采用特征結構配置方法進行控制律設計時，無法預測未配置極點的最終狀態，因此可能變得非常不穩定，或者某些閉環極點阻尼太小。這種情況下，需要改變特征值重新設計，從而達到預期目標。通常情況下，大多數理想的閉環極點與開環極點差異不大，因此未配置的極點穩定性也不會造成很大問題。

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（責任編輯：孫 娟）