基于計算機輔助設計的二維手繪動畫數字化實現

秦禎研,姚 遠

(安徽建筑大學,安徽 合肥 230022)

引言

手繪動畫制作本質上是一個圖形序列的創建過程[1]。現如今手繪動畫的數字化制作已經成為動畫市場的大勢所趨,數字化處理就是將多個復雜的信息轉化為可以度量的數字,再以這些數據建立對應的數字化模型,將其轉化為二進制代碼導入到計算機內部,統一輸出可視化結果。通過數字化技術與動畫藝術的結合,不僅可以降低人工手繪動畫的工作量,而且可以提升二維動畫的觀感效果,拓寬二維動畫藝術的表現空間[2]。

當前針對二維手繪動畫數字化處理方法的研究已經得到了初步的研究成果,其中主要包括基于數字技術的二維動畫數字化處理方法、基于Flash 技術的二維動畫數字化處理方法等。然而在實際的二維手繪動畫的制作過程中,利用現有的數字化處理方式存在動畫效果不佳、質量差的問題[3]。

為此引入計算機輔助設計技術,利用計算機及其圖形設備,搭建數字模型,制作靜止狀態下的初始圖像,將初始繪制的二維手繪動畫圖像轉換成數據形式,實現曲線與曲面的參數化轉換。采用計算機輔助設計技術,將靜態圖像導入平臺界面中,標記為關鍵幀,確定兩個關鍵幀之間的對應關系,自動生成中間畫面,實現二維手繪動畫的數字化處理。在提升動畫分辨率和動畫連續性效果的同時,保證了二維手繪動畫數字化實現效果。

一、二維手繪動畫數字化設計方法

二維手繪動畫的數字化處理方法就是突破傳統手繪動畫的局限性,利用計算機技術自動生成對應的二維動畫圖像。由此可以確定一般二維手繪動畫數字化的處理過程如圖1 所示。

圖1 二維手繪動畫數字化處理流程圖

按照圖1 中表示的處理過程,運用計算機輔助設計技術豐富二維動畫的繪圖功能,在計算機界面的任意位置上繪畫初始圖形,也可以在圖庫中提取初始圖形,結合動畫的故事情節以及人物角色生成運動實體的各個實體圖像,并鎖定對應的圖層[4]。通過對動畫模擬命令的調用,確定動畫的終端或運動終點,查看圖形和相關的數字化參數。通過對二維手繪動畫的數字化處理,可以通過改變動畫的實時參數來調整動畫的實際動作和移動位置,實現二維動畫效果的精細化。

1.搭建數字模型

數字模型是指利用三維技術,構建三維場景和人物,在虛擬場景中自由穿梭,沒有任何的約束,提高動畫的連續性效果。

數字模型的搭建分為兩個部分,一個是二維手繪人物角色數字模型,主要就是搭建人物角色的身體結構模型,另一部分是建立不同動畫場景下的場景模型[5]。其中人物角色模型主要根據人體結構中關節點之間的關系搭建的,將二維動畫圖像中的旋轉點作為人物角色的骨骼關節點,以腰部為根節點,構建關節點樹并得出對應的關節點集合表達式為:

G={(x1,y1),(x2,y2),…,(x8,y8)},(xi,yi)∈G,i=[1,8]

(1)

公式(1)中,(xi,yi)表示的是圖像中不同關節對應的位置坐標。動畫角色身體元件位置模型信息的存儲數據如表1 所示。

表1 人物角色身體關節位置信息表

在實際的動畫制作過程中可以通過調整各個關節的位置,完成數字模型的構建。

2.制作二維手繪動畫靜態圖像

在開始二維手繪動畫的數字化處理之前,首先需要制作二維手繪動畫靜態圖像作為數字化處理的圖像基礎[6]。結合動畫內容與動畫中的角色、風格、故事結構以及整體氣氛完成二維手繪動畫的前期制作。

在計算機環境下得出靜止狀態下的初始圖像,靜止圖像的繪制分為動畫角色圖像繪制、空間場景圖像繪制兩種類型。無論哪種類型采用的都是筆式交互的手繪處理方式,用戶借助數繪板輸入設備,直接操作手繪筆完成始末角色關鍵幀和控制曲線的繪制、路徑曲線和標識曲線的指定工作。二維手繪的人物角色靜態圖像制作結果如圖2 所示。

圖2 計算機人物角色動畫描線

3.二維手繪動畫坐標系建立與變換

在空間場景的靜態圖像制作過程中,首先按照故事情節需要選擇合理的布局方式,并對需要進行的空間布局進行定量計算[7]。定量計算是將布局應用到場景可用空間中,計算出布局在場景可用空間中的實際位置,然后將場景中的無碰撞物品放入搭建的場景模型中。計算空間布局在可用空間SP_angry_mm_A 中的實際位置如圖3 所示。

圖3 空間布局坐標標記圖

從圖3 中標記了三個區域視圖的中心點(x1,z1) 、(x2,z2)和(x3,z3)以及最外側的布局中心點(x,z)。那么點(x1,z1)到布局X負方向邊之間的距離可以用公式2 計算。

(2)

公式(2)中,D表示的是布局點在X方向上的寬度。計算各個布局點的橫縱比值,求出動畫場景中各個物體在SP_angry_mm_A 中的橫縱坐標[8]。將制作完成的二維手繪動畫靜態圖像存儲到動畫數據庫中,方便實時調用。

曲線與曲面的參數化轉換是將初始繪制的二維手繪動畫圖像轉換成數據表示方式,利用數學表達式及其參數來進行曲線和曲面的建模表示。利用計算機輔助技術提供的對話框控制技術,制作一個參數輸入對話框,設置程序初始參數,使用戶輸入的參數同時賦給所需變量[9]。在曲線與曲面的轉換過程中需要考慮動畫的走向,保證整個動畫中的左右動作都在場景范圍內,針對關節角度、非相鄰控制點距離進行約束,最終初始靜態動畫圖像經過轉換后,將轉換結果按照圖4 表示的過程存儲在知識數據庫中。

圖4 曲線參數化轉換示意圖

同理可以得出曲面的參數化轉換結果,按照相同的格式存儲到對應的數據庫中。

4.計算機輔助二維手繪動畫數字化設計

計算機輔助技術是一種以計算機為輔助工具,幫助人們在圖形學領域達到最優設計效果的技術。

在搭建的場景模型下,按照傳統二維動畫的制作流程,利用計算機輔助設計技術,在計算機平臺下進行二維手繪動畫的數字化設計。

(1)創建動畫關鍵幀

二維手繪動畫的關鍵幀就是制作的靜態圖像,也就是物體或人物角色在運動過程中的關鍵動作。在計算機的動畫制作平臺上,將設計并繪畫完成的靜態圖像導入到平臺界面上,并標記為關鍵幀。另外也可以在圖像的存儲數據庫中直接導入所需的圖像,將其標記成關鍵幀[10]。在關鍵幀的創建過程中需要注意的是人物角色的各個表情和姿勢都必須是關鍵幀,另外為了保證動畫制作質量需要補充關鍵幀的缺失部分,并消除關鍵幀上的抖動現象。其中關鍵幀的抖動補償首先需要求出當前人物角色的關節點位置,定位過程可以用公式3 所示。

(3)

公式(3)中,參數lij表示的是當前關節點i與父關節點j之間的長度,坐標(xj,yj)表示的是父關節點的坐標,fx和fy分別為該骨骼相對原位置水平和豎直兩個方向上的偏移量,θ為與初始位置相比的移動或旋轉角度。在確定人物角色圖層的位置信息后,采用測量函數表示當前關鍵幀在當前時刻的抖動程度,測量函數可以表示為:

(4)

(2)自動生成中間畫面

兩個關鍵幀之間的動畫界面為二維手繪動畫中的中間畫面,首先確定始末關鍵幀之間的對應關系,并控制曲線上各個點之間的對應關系[11]。假設始末關鍵幀上任意一個對應點的坐標分別為PS1(x1',y1')和PS2(x2',y2'),沿著PS1與PS2之間的直線,移動長度為t的一段距離,到達末端關鍵幀。根據t的取值確定兩個關鍵幀之間的距離,關鍵幀之間的移動距離計算公式為:

(5)

計算兩個相鄰關鍵幀之間的直線距離,并計算對應的坐標變換因子。通過直線路徑插針的方式得出兩個相鄰關鍵幀之間的中間動畫圖像,在計算機輔助設計程序的控制下,確定是否自動生成中間畫面,得出的中間畫面生成結果如圖5 所示。

圖5 二維手繪動畫中間幀自動生成制作

最后在二維手繪動畫上按照場景氛圍以及人物性格添加對應的顏色,并結合分鏡頭腳本調節特寫、近景與遠景的切換。添加并處理動畫聲音便可得出二維手繪動畫序列。

5.實現二維手繪動畫數字化

(1)二維動畫主場景數字化實現

通過二維動畫主場景中分層、光影、色彩、模糊以及運動與透視的基本規律,實現對二維動畫主場景的數字化處理與實現。

首先,將制作的關鍵幀動畫按照前景、中景和遠景繪制在不同的圖層上,分層疊加在一起進行制作。在動畫場景中,除了有非常明顯的光源和光線透射之外,光影效果主要是通過色彩來表現的。

其次,利用計算機輔助設計技術調整圖層畫面的透明度和對比度,實現對色彩與光影的數字化調節處理,不僅能形成豐富的光影變化效果,同時也增加了整個動畫場景的立體感和空間感[12]。在動畫鏡頭運動時,動畫畫面會有特殊的模糊要求,在數字化條件下,利用繪圖軟件和圖像處理軟件中的模糊工具,對場景中需要模糊的部分進行模糊處理。而運動與透視主要是配合動畫鏡頭中的推、拉、搖、移,保證背景場景與人物角色之間良好的運動關系和透視關系。

最后,借助計算機輔助設計技術中的濾鏡與參數設置,模擬不同的移動速度,造成合理的運動感和透視感,達到移動拍攝的效果。

(2)曲線運動的數字化實現

曲線運動的數字化處理與實現運用到計算機輔助設計平臺中的選擇工具、節點編輯工具、旋轉變形工具、直線工具、鋼筆工具、原型工具等。在繪制曲線線條時盡量保持線條是封閉的曲線,以保證后期色彩描繪的正常實現。在實際的數字化實現過程中,一般需要創建引導線層和實體層兩個圖層,將實體圖像導入到實體層,并在一定時間間隔下創建兩個關鍵幀,最后在引導線層描繪出實體的運動軌跡,設置引導層與被引導層屬性,即可實現二維手繪動畫中不同種類角色與物象的數字化制作。

(3)鏡頭移動的數字化實現

二維手繪動畫中的鏡頭移動就是拍攝鏡頭的移動,利用相對運動的原理來實現畫面的移動。在數字環境下,鏡頭的移動是通過圖像的移動來實現的,確定二維動畫的播放速度,并在同一個場景中設置兩個圖層。按照分鏡的要求,對背景圖層進行移動或縮放,模擬鏡頭的移動和推進,最后在兩個關鍵幀之間設置部件動畫。同理可以在數字化平臺環境下,利用計算機輔助設計技術,實現對動畫字幕、鏡頭輸出效果以及特效效果的數字化實現,經過渲染輸出最終的二維手繪動畫數字化制作序列,由此完成二維手繪動畫的數字化處理。

二、數字化實現效果測試實驗分析

為了測試基于計算機輔助設計的二維手繪動畫數字化處理方法的實現效果,設計數字化實現效果測試對比實驗。將基于數字技術的二維動畫數字化處理方法和基于Flash 技術的二維動畫數字化處理方法設置為對比方法。其中基于數字技術的二維動畫數字化處理方法主要就是采用外設設備和計算機中的畫圖軟件,將手繪動畫圖像導入到計算機環境中,利用動畫制作軟件進行二次導入,得出最終的二維動畫數字化實現結果。而基于Flash 技術的二維動畫數字化處理方法,利用互聯網定制的方式實現對網絡圖像數據的處理與調用。在相同的動畫開發平臺中,分別將三種數字化處理方法應用到相同的二維動畫對象上,在相同的硬件環境下,輸出數字化動畫序列,即二維手繪動畫的數字化實現結果。

1.搭建二維手繪動畫數字化實現環境

遵循此次計算機輔助設計技術對運行環境的要求,選擇CAD2007 軟件作為此次動畫數字化的實現環境,該實驗環境的主界面如圖6 所示。

圖6 實驗環境主界面

2.設置計算機輔助設計平臺參數

在搭建的實驗平臺上設置具體的平臺參數,需要注意的是在安裝與配置實驗環境與平臺參數時不能出現中文字符,避免出現安裝錯誤。另外將計算機輔助設計平臺以插件的形式下載到實驗環境中,方便使用數字化方法的切換操作。需要設置的平臺參數包括初始場景的大小、顏色、鏡頭類型等,具體的參數設置情況如圖7所示。

圖7 計算機輔助設計平臺參數設置界面

3.測試實驗過程

實驗首先需要選擇二維手繪動畫數字化處理對象,為了避免實驗單一性對實驗結果產生的影響,此次選擇多次實驗取平均值的方式得出有關于數字化效果的測試結果。因此選擇的二維動畫對象包括《山鬼》《紅豆》《灰城》《Hot Milk》和《長椅》五部二維手繪動畫作品,其中《長椅》動畫的關鍵幀繪制圖像如圖8 所示。

圖8 二維手繪動畫部分關鍵幀圖像

以繪制的關鍵幀圖像為基礎,利用導入的三種數字化實現方法得出最終的動畫制作結果。其中利用基于計算機輔助設計的二維動畫數字化處理方法得出的動畫實現結果如圖9 所示。

設置此次數字化實現效果的測試指標分別為連續性和分辨率,其中連續性測試主要是統計數字化生成結果中空白幀的個數及其在整個動畫序列中的占比,分辨率用來體現出數字化實現畫面的清晰度質量,該測試數據來源于動畫輸出結果的屬性。

4.數字化實現效果對比結果分析

1.動畫連續性效果分析

通過對畫面空白幀的統計得出動畫連續性效果的對比結果,如表2 所示。

表2 動畫連續性效果對比

五部二維動畫作品的總幀數分別為2 411 幀、2 586幀、2 903 幀、2 246 幀和2 587 幀。經過計算基于數字技術的二維動畫數字化處理方法的平均空白占比為4.492%,基于Flash 技術的二維動畫數字化處理方法的平均空白占比為3.824%,而基于計算機輔助設計的數字化實現方法的平均空白占比為2.978%,由此可見,基于計算機輔助設計的數字化實現方法得出的動畫實現結果的連續性較好。

(2)動畫分辨率對比分析

讀取動畫數字化處理輸出結果的分辨率,得出有關動畫數字化清晰度的測試對比結果如表3 所示。

表3 動畫分辨率對比結果

從表3 中可以看出,基于計算機輔助設計的二維動畫數字化處理方法能夠保證所有的二維手繪動畫作品的分辨率均達到1 080P,而基于數字技術的二維動畫數字化處理方法和基于Flash 技術的二維動畫數字化處理方法中存在部分720P 的分辨率,由此可知,基于計算機輔助設計的二維動畫數字化處理方法的分辨率較高,動畫效果較清晰,動畫質量較高。因為基于計算機輔助設計的二維動畫數字化處理方法,在關鍵幀的創建過程中,考慮了人物角色的各個表情和姿勢,保證了動畫制作質量,并消除關鍵幀上的抖動現象,由此提高了動畫分辨率。

綜上所述,綜合動畫的連續性和分辨率兩個指標得出,基于計算機輔助設計的二維動畫數字化處理方法的動畫連續性效果較好,能夠有效提高動畫分辨率和動畫質量,保證了二維手繪動畫數字化實現效果。

三、結語

動畫作為信息媒介的形式和內容介入社會生活的各個領域、學科以及行業當中,產生多種不同形式的視覺風格。為了解決當前二維手繪動畫連續性效果較差,動畫分辨率較低的問題,利用計算機輔助設計技術,構建數字模型,建立和變換二維手繪動畫坐標系,利用計算機輔助設計技術創建動畫關鍵幀,并自動生成中間幀,實現二維手繪動畫的數字化處理。實驗結果表明,基于計算機輔助設計的二維動畫數字化處理方法能夠增強動畫連續性效果,提高動畫分辨率,因此在實際的動畫行業具有較高的應用價值。