虛擬現(xiàn)實環(huán)境下動畫人物圖形圖像視覺傳達系統(tǒng)創(chuàng)新設計

朱曉前

摘? 要： 由于現(xiàn)有的視覺傳達系統(tǒng)缺少對邊緣數(shù)據(jù)的識別，導致動畫人物的運動連續(xù)效果不好，為此提出一種虛擬現(xiàn)實環(huán)境下動畫人物圖形圖像視覺傳達系統(tǒng)創(chuàng)新設計。在硬件設計中，對渲染器的主板各項適配參數(shù)進行設計，優(yōu)化視覺傳達的體驗。在軟件設計中，通過引入Sobel邊緣算子，建立灰度函數(shù)求解梯度幅值，并選取閾值與其比較，完成動畫人物圖形圖像邊緣數(shù)據(jù)的識別與細化。對運動捕捉模塊進行設計，建立行為控制模型，生成并管理運動捕捉文件，完成系統(tǒng)的整體設計。設計模擬實驗，利用現(xiàn)有系統(tǒng)與設計系統(tǒng)分別構建動畫人物的運動，通過分析動畫人物運動抓取對比圖可知，所設計系統(tǒng)構建的動畫人物的運動動作比較連貫，四肢的位置在運動中的連續(xù)效果與真人的運動相似，驗證了設計系統(tǒng)的有效性。

關鍵詞： 視覺傳達; 動畫人物; 系統(tǒng)設計; 虛擬現(xiàn)實環(huán)境; 構建實驗平臺; 運動捕捉

中圖分類號： TN911.73?34; TP311? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）10?0170?03

Innovative design of graphic image visual communication system for animated character in virtual reality environment

ZHU Xiaoqian

（Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China）

Abstract： The existing visual communication system lacks of the recognition of edge data， which leads to the bad effect of motion continuity of animated characters. Therefore， an innovative design of graphic image visual communication system for animated character in the virtual reality environment is proposed. In the hardware design， the main board adaptation parameters of the renderer are designed to optimize the visual communication experience. In the software design， the grayscale function is established to solve the gradient amplitude with the introduction of Sobel edge operator， and the threshold is selected to compare with it， so as to complete the recognition and refinement of the edge data of the animated characters. The motion capture module is designed， the behavior control model is built to generate and manage motion capture files， and thus the overall design of system is completed. The simulation experiment is designed， from which the existing system and the designed system are used to construct the motion of the animated characters， respectively. It can be seen from the analysis of the motion capture comparison chart of the animation character that the motion movement of the animation character constructed by the designed system is consistent relatively， and the continuous effect of the position of the limbs in the movement is similar to that of the real person， the real person which verifies the effectiveness of the designed system.

Keywords： visual communication; animation figures; system design; virtual reality environment; building experiment platform; motion capture

卡通動畫逐漸成為一種重要的休閑娛樂方式和教育手段，在此趨勢下很多國家都將動漫產(chǎn)業(yè)作為支柱產(chǎn)業(yè)之一。我國動漫產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速，在開發(fā)及研究新的動漫制作工具中取得了不菲的成績。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，動畫人物圖形圖像視覺傳達也被應用在動漫創(chuàng)作中。為了更好體現(xiàn)出視覺傳達的整體效果，從原來的二維平面逐漸發(fā)展到當前的三維立體呈現(xiàn)[1]，這樣的轉變主要依靠視覺傳達系統(tǒng)實現(xiàn)。現(xiàn)有的系統(tǒng)在構建動畫人物圖形圖像時，缺少對邊緣數(shù)據(jù)的捕捉和識別，動畫人物的運動連續(xù)效果不好，為此提出一種虛擬現(xiàn)實環(huán)境下動畫人物圖形圖像視覺傳達系統(tǒng)創(chuàng)新設計。

1? 動畫人物圖形圖像視覺傳達系統(tǒng)創(chuàng)新設計

1.1? 硬件設計

動畫人物圖形圖像視覺傳達系統(tǒng)在處理動畫圖像時，需要利用3D引擎將3D文件繪制到屏幕上[2?3]，渲染器是3D引擎的核心部分。在本文的設計中，渲染器是基于底層圖形應用程序接口（API）構建，采用合適的硬件架構的光柵化方法進行渲染。常用的API主要有DirectX和OpenGL，為了適配API，需要對渲染器主板進行設計，如圖1所示。

本文選用型號為華南X79?8D的雙路大板對渲染器進行適配，版型為E?ATX，該主板的內(nèi)存插槽數(shù)為8×DDR3，支持1 866/1 600/1 333 MHz內(nèi)存[4?5]。其SATA接口配置為SATA 6 GB/s×2，SATA 3 GB/s×4，顯卡插槽配置為PCI?E 3.0×16×2，24針電源接口×1，8針電源接口×2，電源相數(shù)為7+7相，PCB厚度為10層，顯卡選擇了ALC887 7.1顯頻芯片。利用以上設計的渲染器主板，能夠使電腦生成的動畫人物圖形圖像呈現(xiàn)出手繪效果[6?7]，優(yōu)化了視覺傳達的體驗，完成了圖形圖像視覺傳達系統(tǒng)的硬件設計。

1.2? 軟件設計

1.2.1? 引入Sobel邊緣算子

在對動畫人物圖形圖像進行勾勒的過程中，圖像邊緣會急劇變化。為了能夠更好地識別圖像邊緣數(shù)據(jù)，需要引入Sobel邊緣算子[8?9]。設動畫人物圖形圖像的灰度函數(shù)為[f（x，y）]，其中x，y為像素所在的橫縱坐標，[Gx]表示x方向的梯度，可以得到：

[Gx=f（x-1，y-1）-2f（x-1，y）-? ? ? ? ?f（x-1，y+1）+f（x+1，y-1）+? ? ? ? 2f（x+1，y）+f（x+1，y+1）] （1）

根據(jù)梯度計算式（1）中的相應像素加權因子，能夠得到灰度函數(shù)中的3×3梯度矩陣：

[-10? ?1-20*2-10? ?1-1-2-10? ? ?0*? 01? ? ?2? ? 1] （2）

利用Sobel算子進行邊緣識別時，將梯度幅度值超過某一閾值的點設置為邊緣點[10]，本文系統(tǒng)選取閾值為130進行判別。為了便于對圖像的輪廓識別，其識別速度與像素位置的關系如下：

[vk+1=vk+c1r1（Pbestk-xk）+c2r2（Gbestk-xk）] （3）

因為其單像素級別的邊緣圖像相對粗糙，因此需要對圖像進行細化[11]，在現(xiàn)有的細化技術中效果最好的是Hilditch代碼。首先需要定義“顯示算子渲染”程序：global proc resulotionGate（），并列出所有角度機位：{string$allCamShape[]=′ls?ca′}，經(jīng)過一些主要的步驟之后，完成動畫人物圖形圖像邊緣的識別與細化。

1.2.2? 運動捕捉模塊設計

動畫人物的運動模擬主要是對人物的運動行為進行控制[12]，根據(jù)不同的角色意識，其運動行為也特別復雜。常用的動畫人物行為控制模型如圖2所示。

根據(jù)周圍的環(huán)境進行行為選擇，對在這期間生成運動捕捉文件進行管理。在管理運動捕捉模塊的文件過程中，文件節(jié)點、文件信息節(jié)點以及運動捕捉模塊這三者之間存在一個交互的過程[13]，如圖3所示。

在運動捕捉文件外部名稱中，存在一個文件名字空間。文件名字空間構成了一個映射表格，見表1。

表1分為名字空間的名稱、名字空間的標識以及指向上一層名字空間的父名字空間標識三部分。名字空間標識三部分可以唯一確定一個名字空間，對于指向上層名字空間的父名字空間標識，目錄中的各項構成了一個鏈表結構，以便于分散存儲。因而在渲染集群文件信息的服務中，提高了信息存儲的可靠性，以及在動畫制作過程中提高動畫人物的運動連續(xù)性。至此完成了虛擬現(xiàn)實環(huán)境下動畫人物圖形圖像視覺傳達系統(tǒng)的設計。

2? 實? 驗

2.1? 構建實驗平臺

為了驗證設計的動畫人物圖形圖像視覺傳達系統(tǒng)的有效性，需要在3D技術平臺上進行模擬實驗，并將實驗結果以圖片的形式進行對比。為了構建滿足實驗條件的3D技術平臺，3D核心引擎的開發(fā)腳本語言選擇的是Java語言。編輯器工具能夠實現(xiàn)3D應用平臺各種功能的高度集成，將動畫中的虛擬場景與任務圖形圖像進行融合匹配，利用編輯器工具能夠降低實驗的操作復雜度。3D播放器以組件化的方式對動畫中的系統(tǒng)內(nèi)容進行裝載，通過3D播放器就能夠體驗虛擬現(xiàn)實效果，為動畫效果的展示提供了有效途徑。實驗平臺構建完畢后，在該平臺上進行模擬實驗。

2.2? 實驗結果與分析

在系統(tǒng)的設計過程和成像效果展示中，都需要采用圖片的形式進行對比。在實驗中以某動畫人物為實驗對象，分別利用現(xiàn)有的視覺傳達系統(tǒng)和設計的系統(tǒng)構建動畫人物的運動，并隨機選擇4個時間點進行截圖。為了更加直觀地體現(xiàn)本文系統(tǒng)的有效性，將現(xiàn)有系統(tǒng)構建的運動圖像與本文系統(tǒng)構建的運動圖像進行對比，實驗結果如圖4所示。

為了方便觀測，將立體的動畫人物的關鍵運動節(jié)點利用圓點代替，左側肢體的4個點分別用①～④表示，右側肢體的4個點分別用⑤～⑧表示。從圖4中可以看出，設計的系統(tǒng)構建的動畫人物的運動動作是連貫的。人物第一個動作為左腳抬起，第二個動作為左腳向前加大幅度，邁出腳步，第三個動作左腳落地，右腳抬起，重復左腳動作，第四個圖捕捉到左腳落地。一系列的走路動作畫面連貫，四肢的位置在運動中的連續(xù)效果與真人的運動相似。而傳統(tǒng)的系統(tǒng)中捕捉到的動畫人物圖像只有位移，幾乎沒有發(fā)生的四肢動作變化。說明設計的虛擬現(xiàn)實環(huán)境下動畫人物圖形圖像視覺傳達系統(tǒng)，在構建動畫人物圖形圖像的運動連續(xù)效果更好。

3? 結? 語

本文提出一種虛擬現(xiàn)實環(huán)境下動畫人物圖形圖像視覺傳達系統(tǒng)創(chuàng)新設計。設計模擬實驗，利用現(xiàn)有系統(tǒng)與設計的系統(tǒng)分別構建動畫人物的運動。通過分析動畫人物運動抓取對比圖可知，設計的系統(tǒng)構建的動畫人物的運動動作比較連貫，四肢的位置在運動中的連續(xù)效果與真人的運動相似，驗證了設計的系統(tǒng)的有效性。

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