虛擬現實技術在動畫交互設計中的應用研究*

崔華國 丁玲玲

(滁州學院美術與設計學院 安徽滁州 239000)

動畫交互具有多元化、敘述多面以及開放度高等特點[1]，同時可實現人機交流，營造身臨其境之感。通過動畫交互設計，傳統動畫單方面的敘述構架得到重大改善，更加凸顯交互的重要地位。隨著計算機和互聯網的日新月異，動畫交互設計也不斷發展壯大，并滲透于生活的不同領域[2-3]。市場銷售觀念、舞臺表演效果、網頁動畫制作等都在動畫交互設計影響下迅猛發展。

很多學者致力于此方面研究，如李淑琴等用三維人體骨骼動畫自動交互合成方法，在卷積自編碼網絡基礎上，獲取骨骼動畫特點并自動交互合成雙線性插值與卷積相結合的插值幀雛形，任取兩幀人體動作數據于數據庫中即得三維人體骨骼動畫[4]。該方法實現動畫自動合成的同時，也暴露動畫交互效率低和智能特征不足的缺陷；梅佳琪等用多感官視覺動畫交互界面生成方法，使用粒子群和ANNS-DS信息融合算法，獲取視覺信息設計的功能界面布局并將傳感信息，體感信息與視覺信息三者統一，提升動畫交互界面物體與空間景象的契合度[5]，但用戶的使用感仍舊未改善。

虛擬現實技術是由計算機模擬視、聽、感知等因素，并自然引起用戶和計算機之間共鳴的一種新穎技術?？蓪崿F用戶真實地置身于交互仿真景象之中，提升了動畫的交互效率和智能特征，用戶操作體驗感也得以顯著改善。因此，文章提出基于虛擬現實技術的動畫交互設計方法，更方便，更快捷地呈現動畫交互效果，使用戶的體驗得到顯著提升。

1基于虛擬現實技術的動畫交互設計

采用虛擬現實技術進行動畫交互設計過程中，需要先采用虛擬現實技術實現三維動畫角色建模以及動畫場景建模，在此基礎上進行三維動畫漫游交互。

1.1三維動畫角色建模

動作庫作為創建三維目標動畫角色原型的基本條件，需將自己所選定的角色原型參數進行一定比例的縮放，參數包括身材與高度，這樣三維動畫目標角色即可呈現用戶眼前[6]。蒙皮、骨骼、控制器和動作庫內的本來動作在三維動畫角色原型和三維動畫目標角色兩者之間呈不變的狀態。三維動畫角色的構成圖如圖1。三維動畫原型即三維動畫角色模板由三個方面組成，其為蒙皮、虛擬骨骼和控制器。動作庫里大量基本動作則是為三維動畫原型所創立[7]。當想擁有全新的三維動畫角色，只要把三維動畫角色的形狀和比例進行隨機改動即可得到三維目標角色，其改動離不開圖形的接口。

1.2三維動畫場景建模

在人機交互的前提下，根據三維動畫場景周邊環境，并加以設置好的模型與條件計算三維動畫場景圖像數據，得到三維動畫場景圖像，該圖像第一時間反饋給用戶。當完成變換取景和創造場景時，三維動畫場景構造過程中的一個環節也會實現，便是幾何處理環節[8]。除此之外，三維動畫場景色彩差異方面的清除、光柵化及光度的確定等剩余環節，都將在屏幕坐標系內處理。圖2為三維虛擬場景構建剩余環節的流程。

圖2 三維虛擬場景構建剩余環節的流程

1.3三維動畫角色模型的紋理映射

采用基于網格模型分塊的視角相關紋理映射方法，對1.1小節創建的三維動畫角色模型進行紋理映射，提高角色模型的逼真度。

1.3.1網格模型分塊的紋理映射 在三維動畫角色塑造與場景構建之后，對動畫角色實施提前設定好參量的紋理映射，提升三維動畫角色模型逼真性。構建三維動畫角色網格模型，并使之一分為三，成為三個板塊，并將一個便于調整的參數放在兩板塊之間的分割面；隨后使其映射于動畫角色中，這樣清楚紋理和多余紋理可以直觀呈現，其次刪除多余的圖像區域，通過最為清楚的紋理映射相關的板塊；最終采用色彩平滑過渡法實現不同板塊分割處的顏色平滑處理。此方法需將每板塊一一制作完成，板塊的分割并未使三維動畫角色網格模型產生變動[9]。這樣動畫角色會更高效、更真實、更清楚地展現。

1.3.2模型分塊和三角形網格細化 分割處實施三角形網格化，對分割面上的三角形仔細劃分成兩個或者三個三角形，對位于分隔線兩旁的新三角形進行對應的紋理映射。該過程會產生新三角形的三個頂點坐標，新頂點的坐標需要計算。由于原三角形的三個頂點坐標已給出[10]，所以只需求其中一邊與分割面相交的點坐標，即可求面和區域已知線段相交的問題。若坐標(x0，y0，z0)和(x1，y1，z1)是三角形一邊的兩個頂點，則z為分界面，z=zdepth，通過公式(1)獲取兩頂點空間直線：

(x-x0)/(x1-x0)=(y-y0)/(y1-y0)=(z-z0)/(z1-z0)

(1)

通過公式(2)獲取直線和分界面交點：

(2)

頂點法線在通過計算新三角形三個頂點坐標之后即可獲取。以分割面為基準，分割面右側三角形被右側相關的紋理映射，左側三角形則被左側相關紋理映射。

1.3.3模型頂點的紋理坐標 通過正交映射方法映射每一板塊模型。通過公式(3)獲取模型紋理坐標：

當所有頂點平移到第一象限后，模型坐標為(x，y，z)，網格模型的三方面紋理坐標[11]，即正面、左側面和右側面可被(u,v)的三種坐標形式所表示。該方法會產生較為直觀的效用。通過公式(4)可實現透視投影變換成網格點紋理坐標的計算：

k[u，v，l]T=kX'=GX(4)

齊次紋理坐標為和網格點空間齊次坐標分別用X'和X'描述，4×3的透視投影矩陣以及常系數分別是G和k。從上述式子可看出，單獨的兩個線性方程(5)可通過每對對應的紋理頂點和網格頂點獲?。?/p>

所以變換矩陣G的線性估計需用不少于6對的特征點。在LM優化算法下，可優化估計G，并得到更準確的紋理估計坐標。同時也可減少對稱投影相對于目標函數特征點的位置誤差。為了準確非線性地估計出G，可在線性估計G之上確保下式(6)最小化。

1.4三維動畫場景交互

文章采用動畫場景的錄入式為動畫交互管理方法，依據2.2小節創建的三維動畫場景模型，實現三維動畫場景交互，用圖3描述。該方法對交互工具統一組織劃分，并進行秩序化約束。每個場景都有不同的算法，交互控件、配置參數及面板和顏色編碼面板都在相關的動畫場景之中。當用戶與三維動畫場景進行交互時[12]，用戶的交互行為先會被凝望接收器與頭戴虛擬現實設備中的手勢獲取，其次這個行為在交互器模塊下會轉化成數據并生成詳細的動畫事件，最后動畫當下的場景接口和不同控件會被這個動畫事件對應處理。用戶的交互行為結束后，動畫場景的參量會從場景中的各交互工具分析用戶交互結果得出，動畫算法會使用這參量，呈現不同的動畫結果。此管理方法會大幅提高用戶的使用體驗和分析效率，只保留了當下算法配置需求的控件和交互面板于用戶的工作區域，不會有用戶工作區域凌亂的跡象。

圖3 基于動畫場景的錄入式交互管理方法

1.5三維動畫場景漫游

1.5.1動畫漫游展示

在漫游前提下，三維動畫場景模型和三維動畫角色模型相繼完成。為取得關鍵幀，需將攝像鏡頭描述瀏覽路線的鏡頭和一條二錐曲線相互融合。用戶可以將自己喜愛的方向運用在漫游行徑當中。在矩陣乘法和計算機圖形學理論二者融合下，繞任意軸旋轉(包括垂直于身體與視線軸向旋轉和繞垂直方向旋轉)的疑問得以清除，這樣即可實現漫游行徑中方向的隨意變化。任意軸和旋轉角度分別用n和θ描述，繞三個坐標軸的旋轉即為繞n轉動θ。的全部流程。式子(7)是坐標轉旋轉矩陣：

(7)

規范化旋轉軸分量用nx、ny和nz描述，規范化旋轉軸分量的產生離不開左乘前邊的旋轉矩陣和視點至視線內隨機點的待旋轉向量。

A點的坐標是(x，y，z)，通過式子(7)和式子(8)的結合，可得視點A'坐標(x，y，z)，表示A點繞n軸旋轉θ。后的點。

A'=RA

(8)

通過垂直向量和視線向量的叉乘運算建立旋轉軸之后，可得向量值，該向量在左乘旋轉矩陣下得視線向量。因此，在動畫漫游行徑中的俯視和仰視隨之完成。

1.5.2動畫漫游路徑擇優 獲取虛擬現實技術的動畫漫游最佳路徑可使用A*算法?；谌S動畫場景中物體高度不一致和三維動畫角色模型構造方面的問題，引用漫游跳動路徑獲取最佳和三維動畫場景中的跳動節點為方案。相同層中若當下節點和目標節點同時存在，則兩個節點的曼哈頓距離、目標層數和層數分別用h(n，e)、k和i0描述。曼哈頓距離可通過式子(9)獲得：

(9)

第i層估算代價描述和尋找最佳路徑時第i層向下層跳動的層間估算代價分別是hi(si，ei)和Hi。

把時間作單位，這樣在尋優路途中可取得確鑿的總代價。式(10)是時間作單位的啟發函數變換。

(10)

第i層的尋徑始末點分別用Si和ei表述，兩點的坐標分別是(Xsi，Ysi)和(Xei，Yei)，從i層向下層跳躍的速度和三維動畫場景用戶在平整地面行走速度各是vi和v。

三維動畫場景模型高層元素的起點層數和目標層數分別用is和ie描述，跳動層節點數和尋徑的起末點各是u(is≤i≤ie)、S和e。取所有求得的各路徑值hi(si，ei)中的最小值h(s，e)，路徑的條數可通過式(11)計算出。

(11)

路徑規劃計算量隨三維動畫場景模型規模和層數的提高而加大，以下是三維動畫場景模型的漫游線路。

(1)當某一個跳動層起點高度位于is內，尋找路徑的工作隨之啟動，找尋最佳開始點用S表示。

(2)以開始點is起，途經跳動層節點，抵達E，ie表示目標高度。

(3)在某一個跳動層的幾點出發，某個跳動層處is之中，發現可以抵達最終點的一條線路，最終點用E表述。

2實驗結果與分析

使用文章方法對某動畫公司設計的功夫熊貓角色進行動畫交互設計，使其達到的動畫交互效果更加逼真和平滑，以便為用戶展現更加優秀的交互效果。為證實文章方法設計的角色和場景具有更逼真、清晰的特點，實驗給出本文方法設計的功夫熊貓動漫角色以及場景建模效果圖，結果用圖4描述。分析圖4能夠看出，文章采用了網格模型分塊的紋理映射技術，提高了三維動畫設計的角色以及場景建模效果，使得二者更加清晰、真實。

(a)角色建模

為證實本章方法對三維動畫角色模型運動連接的平滑度，對功夫熊貓的運動過程開展實驗。每個運動片段中有20幀，片段數量為6個，共120幀。文章方法應用后試驗大熊貓的左膝關節和右手肘關節運動片段中的連接平滑度用圖5表示。分析圖5可看出，通過文章方法，兩個運動片段中的連接較為平滑，最初的運動動作也得到相應保留。實驗結果表明，文章方法下每部分運動片段的連接平滑度較高。

(a)左膝關節的運動過程

實驗給出文章方法作用下的漫游路線，結果用圖6描述。分析圖6得出，以跳動節點為方案，在矩陣乘法和計算機圖形學理論二者融合下，實現了功夫熊貓向任意方向變換的效果，避免漫游路徑中死角問題，得到更真實效果的三維漫游路線。

(a)25幀

實驗對比分析文章方法在沉浸式以及桌面環境下進行動畫設計過程中，30名動畫設計人員對文章方法的交互難度評價情況，通過用戶主觀調查方式獲取交互難度數據，結果用圖7描述。分析圖7可得，設計人員采用文章方法在沉浸式環境下進行動畫交互設計時，認為交互難度簡單、中等及困難的人數分別是18名、7名和5名；在桌面環境下進行動畫交互時，16名、6名及8名設計人員認為交互難度簡單、中等和困難。結果說明文章方法進行動畫交互設計具有較低的交互難度，交互效果好。

圖7 交互難度結果

3結語

文章提出基于網格模型分塊的視角相關紋理映射方法，得到更真實清晰的三維動畫角色模型；既不更改三維動畫角色模型最初的運動動作，又提升三維動畫角色模型在運動片段中連接處的平滑度，操作簡單易學，漫游體驗感得到增強，希望文章方法有更高的使用價值。