基于虛擬引擎技術(shù)的吉林省非遺文化動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于虛擬引擎技術(shù)的吉林省非遺文化動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作平臺(tái)。文章概述了虛擬引擎技術(shù)及非遺文化數(shù)字化保護(hù)現(xiàn)狀，揭示了吉林省豐富的非遺文化資源；分析了用戶需求、功能需求和性能需求。在設(shè)計(jì)階段，提出了系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了動(dòng)畫(huà)制作和用戶交互模塊。在實(shí)施階段，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)環(huán)境與工具選擇及核心功能，如資源管理、動(dòng)畫(huà)制作和用戶交互功能。通過(guò)功能和性能測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性，以保障所提動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：虛擬引擎；非遺文化；動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G434" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：2023年吉林省高教科研一般課題；項(xiàng)目名稱：“大思政課”視域下吉林省非遺文化融入高校動(dòng)畫(huà)專業(yè)課程教學(xué)策略研究；項(xiàng)目編號(hào)：JGJX2023D652。

作者簡(jiǎn)介：呂鑫（1983— ），男，講師，碩士；研究方向：動(dòng)畫(huà)與數(shù)字媒體藝術(shù)。

0" 引言

吉林省擁有豐富的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)（非遺），如滿族剪紙和朝鮮族舞蹈，這些文化瑰寶具有高度藝術(shù)價(jià)值。然而，非遺文化的保護(hù)和傳承面臨諸多挑戰(zhàn)。為此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于虛擬引擎技術(shù)的非遺文化動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作平臺(tái)。該平臺(tái)利用虛擬引擎的實(shí)時(shí)渲染和智能交互技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)的動(dòng)畫(huà)制作與展示，旨在提升非遺文化的數(shù)字化保護(hù)與傳播效果。研究方法包括用戶需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)測(cè)試。創(chuàng)新點(diǎn)在于采用先進(jìn)的三維建模和多用戶交互技術(shù)，提供逼真再現(xiàn)和沉浸式體驗(yàn)。本文通過(guò)數(shù)字化手段促進(jìn)非遺文化的傳承和教育，提供高效創(chuàng)作工具和豐富的數(shù)字資源，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的推廣價(jià)值。

1" 吉林省非遺文化動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作平臺(tái)概述

吉林省非遺文化動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作平臺(tái)采用虛擬引擎技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)渲染、物理模擬和智能交互提升動(dòng)畫(huà)制作效率與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精細(xì)化創(chuàng)作，帶來(lái)沉浸式體驗(yàn)。非遺文化的數(shù)字化保護(hù)與傳播通過(guò)高精度數(shù)字掃描、虛擬現(xiàn)實(shí)復(fù)原和多媒體展示技術(shù)再現(xiàn)和傳承文化，從而使非遺文化得到有效管理并確保其真實(shí)性。吉林省擁有豐富的非遺文化資源，如滿族剪紙、朝鮮族舞蹈、蒙古族長(zhǎng)調(diào)等，反映了多民族共存的歷史，具有高度藝術(shù)價(jià)值和文化內(nèi)涵。現(xiàn)代科技介入將使這些文化瑰寶被更生動(dòng)廣泛地展示與傳承［1］。

2" 吉林省非遺文化動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作平臺(tái)的需求分析

2.1" 用戶需求分析

非遺文化傳承者和愛(ài)好者需要高保真文化資源；文化創(chuàng)作者和動(dòng)畫(huà)制作人需要高效創(chuàng)作工具；教育和研究機(jī)構(gòu)需要豐富的數(shù)字化教學(xué)和研究資源。

2.2" 功能需求分析

資源管理模塊需要高效存儲(chǔ)、分類和檢索多格式非遺文化資源；動(dòng)畫(huà)制作模塊需要集成虛擬引擎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量三維建模、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)渲染；用戶交互模塊需要提供友好界面和便捷操作，支持多用戶協(xié)作和在線分享。

2.3" 性能需求分析

平臺(tái)需要高并發(fā)處理能力，秒級(jí)響應(yīng)速度，強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，確保用戶數(shù)據(jù)和創(chuàng)作內(nèi)容安全［2］。

3" 基于虛擬引擎技術(shù)的吉林省非遺文化動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1" 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是平臺(tái)核心，須要具備模塊化、擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。架構(gòu)包括前端用戶界面層、中間業(yè)務(wù)邏輯層和后端數(shù)據(jù)管理層。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。前端采用現(xiàn)代Web技術(shù)和虛擬引擎實(shí)時(shí)渲染，提供高效操作界面；中間層通過(guò)微服務(wù)架構(gòu)整合核心功能模塊，各模塊通過(guò)應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）通信，確保靈活性和可維護(hù)性；后端利用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和多級(jí)緩存，確保資源高效存儲(chǔ)與快速檢索。系統(tǒng)設(shè)計(jì)須要考慮安全性，采用數(shù)據(jù)加密、用戶身份認(rèn)證和訪問(wèn)控制等多層次安全措施。

3.2" 基于虛擬引擎技術(shù)的功能模塊設(shè)計(jì)

3.2.1" 動(dòng)畫(huà)制作模塊

（1）三維建模與材質(zhì)處理。該過(guò)程集成先進(jìn)的三維建模工具，支持多種建模方法，以確保模型的高精度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)；提供豐富的材質(zhì)庫(kù)和紋理處理功能，通過(guò)物理渲染引擎實(shí)現(xiàn)逼真的材質(zhì)效果。

（2）動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)。該過(guò)程采用虛擬引擎的骨骼綁定和動(dòng)畫(huà)控制技術(shù)，支持復(fù)雜角色和場(chǎng)景的動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)；提供多樣化的動(dòng)畫(huà)控制器和關(guān)鍵幀編輯工具，實(shí)現(xiàn)流暢自然的動(dòng)作表現(xiàn)。

（3）實(shí)時(shí)渲染與特效處理。該過(guò)程利用虛擬引擎的實(shí)時(shí)渲染功能，實(shí)現(xiàn)高效的畫(huà)面生成和預(yù)覽；集成粒子系統(tǒng)、光影特效和物理模擬等高級(jí)特效處理技術(shù)，增強(qiáng)動(dòng)畫(huà)的視覺(jué)沖擊力和表現(xiàn)力。

（4）音效與配樂(lè)集成。該過(guò)程支持多軌音效和配樂(lè)的同步編輯，提供音頻處理和效果增強(qiáng)工具；通過(guò)虛擬引擎的音頻引擎，實(shí)現(xiàn)精確的音效同步和三維聲場(chǎng)效果，提升動(dòng)畫(huà)的沉浸感［3］。

3.2.2" 用戶交互模塊

（1） 自然用戶交互。該過(guò)程集成虛擬引擎的手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別和動(dòng)作捕捉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自然直觀的用戶交互方式；支持多點(diǎn)觸控、手勢(shì)控制和語(yǔ)音指令，提供沉浸式的交互體驗(yàn)，提升用戶的操作便捷性和參與感。

（2） 個(gè)性化設(shè)置與推薦。該過(guò)程結(jié)合用戶行為分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提供個(gè)性化的界面設(shè)置和功能推薦；根據(jù)用戶的使用習(xí)慣和偏好，動(dòng)態(tài)調(diào)整界面布局和功能模塊，提高用戶的滿意度和使用效率。

（3） 多用戶協(xié)同與社交互動(dòng)。該過(guò)程支持多用戶協(xié)同創(chuàng)作和實(shí)時(shí)互動(dòng)，利用虛擬引擎的網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同用戶之間的無(wú)縫協(xié)作；提供社交分享和互動(dòng)功能，用戶可以實(shí)時(shí)交流、分享創(chuàng)作成果，增強(qiáng)社區(qū)氛圍和用戶黏性。

4" 基于虛擬引擎技術(shù)的吉林省非遺文化動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

4.1" 開(kāi)發(fā)環(huán)境與工具

開(kāi)發(fā)環(huán)境與工具的選擇是平臺(tái)高效開(kāi)發(fā)與穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。開(kāi)發(fā)環(huán)境采用高性能工作站，配置Intel Core i9處理器、32 GB DDR4內(nèi)存和NVIDIA RTX 3080顯卡，能滿足復(fù)雜動(dòng)畫(huà)制作和實(shí)時(shí)渲染需求。操作系統(tǒng)選用Windows 10專業(yè)版，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Visual Studio 2019，以提升開(kāi)發(fā)效率。虛擬引擎選用Unreal Engine 4，實(shí)現(xiàn)卓越渲染效果和靈活開(kāi)發(fā)框架。版本控制系統(tǒng)使用Git，托管于GitHub，確保代碼管理與團(tuán)隊(duì)協(xié)作。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用MySQL，支持高效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索。前端開(kāi)發(fā)框架選用React，以實(shí)現(xiàn)流暢用戶界面。后端開(kāi)發(fā)采用Node.js，以提升并發(fā)處理能力；使用Docker進(jìn)行容器化部署，確保開(kāi)發(fā)環(huán)境與生產(chǎn)環(huán)境一致性，提升系統(tǒng)可移植性和部署效率［4］。

4.2" 基于虛擬引擎技術(shù)的核心功能實(shí)現(xiàn)

4.2.1" 動(dòng)畫(huà)制作功能實(shí)現(xiàn)

動(dòng)畫(huà)制作功能實(shí)現(xiàn)依托虛擬引擎技術(shù)和高階算法，確保創(chuàng)作流程的高效與精確。三維建模階段采用Catmull-Clark細(xì)分曲面算法提升模型的平滑度與細(xì)節(jié)表現(xiàn)，其公式為：

Pi′=14F+12E+14Pi（1）

其中，Pi′為細(xì)分后頂點(diǎn)的位置，F(xiàn)為鄰接面的平均位置，E為鄰接邊的中點(diǎn)，Pi為初始頂點(diǎn)位置。動(dòng)畫(huà)骨骼綁定與運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)DQS算法實(shí)現(xiàn)，以避免傳統(tǒng)線性混合皮膚算法帶來(lái)的體積損失，公式為：

Q=w1Q1+w2Q2+…+wnQn（2）

動(dòng)畫(huà)關(guān)鍵幀插值采用樣條曲線插值，常用的是B樣條曲線，其遞歸定義為：

Ni，0（t）=1ti≤tlt;ti+1

0其他（3）

Ni，k（t）=t-titi+k-tiNi，k-1（t）+ti+k+1-tti+k+1-ti+1Ni+1，k-1（t）（4）

光影效果與渲染使用基于物理的渲染模型，通過(guò)Cook-Torrance反射模型計(jì)算表面光照，公式為：

fr=D（h）F（h）G（l，v，h）4（n·l）（n·v）（5）

其中，fr為反射率，D（h）為法線分布函數(shù)，F(xiàn)（h）為菲涅耳項(xiàng)，G（l，v，h）為幾何衰減函數(shù)，n為表面法線，l為光線方向，v為視線方向，h為半程向量。

4.2.2" 用戶交互功能實(shí)現(xiàn)

用戶交互功能通過(guò)結(jié)合虛擬引擎技術(shù)和高階算法實(shí)現(xiàn)，確保流暢自然的用戶體驗(yàn)。手勢(shì)識(shí)別采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取與分類，典型的結(jié)構(gòu)包括多個(gè)卷積層、池化層和全連接層，公式為：

y=f（W·x+b）（6）

其中，y為輸出，W為權(quán)重矩陣，x為輸入特征，b為偏置，f為激活函數(shù)。語(yǔ)音識(shí)別集成深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與隱馬爾科夫模型，通過(guò)端到端的訓(xùn)練優(yōu)化語(yǔ)音到文本的轉(zhuǎn)換，公式為：

P（O｜λ）=∑QP（O｜Q，λ）P（Q｜λ）（7）

其中，O為觀察序列，λ為模型參數(shù)，Q為狀態(tài)序列。動(dòng)作捕捉使用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，通過(guò)光學(xué)傳感器捕捉人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并使用卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑，公式為：

x^k=x^k-1+Kkzk-Hx^k-1（8）

其中，x^k為狀態(tài)估計(jì)，Kk為卡爾曼增益，zk為觀測(cè)值，H為觀測(cè)矩陣。用戶界面的實(shí)時(shí)響應(yīng)通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)編程實(shí)現(xiàn)，利用虛擬引擎的消息隊(duì)列和事件分發(fā)機(jī)制，確保操作的即時(shí)反饋。個(gè)性化推薦系統(tǒng)采用協(xié)同過(guò)濾算法，通過(guò)計(jì)算用戶興趣相似度，公式為：

sim（u，v）=∑i∈Iru，i-urv，i-v∑i∈Iru，i-u2∑i∈Irv，i-v2（9）

其中，sim（u，v）為用戶u與v的相似度，ru，i為用戶u對(duì)項(xiàng)目i的評(píng)分，u為用戶u的平均評(píng)分。多用戶協(xié)作采用實(shí)時(shí)同步技術(shù)，通過(guò)虛擬引擎的網(wǎng)絡(luò)同步功能和沖突檢測(cè)算法，確保協(xié)作的準(zhǔn)確性與高效性［5］。

4.3" 系統(tǒng)集成與測(cè)試

4.3.1" 系統(tǒng)集成方法

系統(tǒng)集成方法采用微服務(wù)架構(gòu)和CI/CD管道，確保模塊無(wú)縫集成和高效部署；通過(guò)Docker容器化獨(dú)立封裝服務(wù)，使用RESTful API實(shí)現(xiàn)松耦合和高內(nèi)聚；利用Kubernetes進(jìn)行容器編排和管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)伸縮和高可用性。CI/CD管道通過(guò)Jenkins自動(dòng)化構(gòu)建和部署，結(jié)合Git版本控制。系統(tǒng)日志與監(jiān)控采用ELK Stack和Prometheus+Grafana，實(shí)時(shí)監(jiān)控和日志分析，確保平臺(tái)高效集成和穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3.2" 功能測(cè)試與性能測(cè)試

功能及性能測(cè)試記錄如表1所示。在功能測(cè)試中，資源管理模塊驗(yàn)證了資源的上傳、下載、分類和檢索，實(shí)際檢索時(shí)間為1.2 s，符合預(yù)期。動(dòng)畫(huà)制作模塊測(cè)試了三維建模、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)和渲染效果，實(shí)際渲染時(shí)間為2.5 s，效果逼真。用戶交互模塊的手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別和動(dòng)作捕捉的準(zhǔn)確率達(dá)到95%，交互流暢自然。在性能測(cè)試中，系統(tǒng)在1000位用戶同時(shí)在線時(shí)，平均響應(yīng)時(shí)間為1.8 s，處理速度高效，大規(guī)模數(shù)據(jù)處理時(shí)間為4.3 s。系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試在運(yùn)行72 h無(wú)崩潰或異常；在資源利用率測(cè)試中，CPU利用率為78%，內(nèi)存利用率為65%。安全性測(cè)試顯示，用戶權(quán)限管理嚴(yán)格，數(shù)據(jù)傳輸加密，能有效防止未授權(quán)訪問(wèn)。

5" 結(jié)語(yǔ)

本文致力于利用虛擬引擎技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了吉林省非遺文化動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作平臺(tái)，旨在促進(jìn)非遺文化的數(shù)字化保護(hù)與傳播。通過(guò)系統(tǒng)的功能與性能測(cè)試，本文驗(yàn)證了平臺(tái)在資源管理、動(dòng)畫(huà)制作和用戶交互等關(guān)鍵領(lǐng)域的優(yōu)越表現(xiàn)，展示了虛擬引擎技術(shù)在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的潛力和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］申寧寧.中國(guó)動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作與推廣的新路徑：以快手短視頻平臺(tái)為例［J］.電影評(píng)介，2024（5）：82-87.

［2］韋慧.開(kāi)放式創(chuàng)作平臺(tái)對(duì)新媒體動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作的影響分析［J］.玩具世界，2023（6）：91-93.

［3］孫豪.動(dòng)畫(huà)角色設(shè)計(jì)原理與數(shù)字化創(chuàng)新發(fā)展［M］.北京：新華出版社，2020.

［4］曹雷.工作室平臺(tái)模式下定格動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作實(shí)踐探索［J］.參花，2018（9）：142.

［5］石曉達(dá)，葛娜，邢邗，等.基于移動(dòng)平臺(tái)的定格動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作程序的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［C］//中國(guó)計(jì)算機(jī)用戶協(xié)會(huì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分會(huì).2017年第二十一屆網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)與應(yīng)用年會(huì)論文集.福州：中國(guó)計(jì)算機(jī)用戶協(xié)會(huì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分會(huì)，2017.

（編輯" 沈" 強(qiáng)）

Design and implementation of Jilin province intangible cultural heritage animation creation

platform based on virtual engine technology

LYU Xin

（Jilin Animation Academy， Changchun 130000， China）

Abstract： This article designs and implements a Jilin Province intangible cultural heritage animation creation platform based on virtual engine technology. An overview of virtual engine technology and the current status of digital protection of intangible cultural heritage is provided， revealing the abundant intangible cultural resources in Jilin Province. The user requirements， functional requirements， and performance requirements are analyzed. In the design phase， the system architecture and functional module design are proposed， which focus on the animation production and user interaction modules. The implementation phase includes the selection of development environment and tools，as well as the implementation of core functions such as resource management，animation production，and user interaction. The stability and efficiency of the system are verified through functional and performance testing， ensuring reliable operation in practical applications.

Key words： virtual engine; intangible cultural heritage; animation creation platform