基于个性化定制的交互式蒙版擦除动画设计与实现

2019-08-08李绅绅何晓宇朱付保徐明亮

图学学报 2019年3期

王华，李绅绅，何晓宇，朱付保，姚妮，徐明亮

王华1，李绅绅1，何晓宇1，朱付保1，姚妮1，徐明亮2

(1. 郑州轻工业学院计算机与通信工程学院，河南郑州 450001；2. 郑州大学信息工程学院，河南郑州 450001)

随着虚拟现实技术和移动互联网技术的飞速发展，众多商家希望通过移动端实现交互式蒙版擦除动画。然而目前在个性化实时定制、交互性等方面存在问题。为此，设计了一种基于个性化定制的交互式蒙版擦除动画方法，包括个性化定制模块和交互式蒙版擦除动画可视化模块，其中个性化定制模块实现了定制数据的初始化处理，交互式蒙版擦除动画可视化模块实现了移动端甩动—可视化终端蒙版擦除—后台数据查询编辑的交互式蒙版擦除动画。搭建了原型系统并进行了实验测试，测试结果表明，该系统可以实现移动端约2 000次甩动的实时同步擦除动画可视化。

个性化定制；移动端；交互式；蒙版擦除动画

随着虚拟现实技术和移动互联网技术的飞速发展，越来越多的商家从各种角度出发，致力于提高用户的参与度和体验性。利用移动终端实现交互式蒙版擦除动画，成为不少商家在新品发布会上希望采取的互动方式。

利用移动终端实现交互式蒙版擦除动画，即用户通过持续甩动手机、平板等移动终端，实现显示大屏等可视化终端蒙版上任意形状的擦除动画，从而逐渐露出底版数据，达到现场互动的目的。利用移动终端实现交互式蒙版擦除动画，面临3个主要问题：①如何实现擦除形状、蒙版及底版等数据的个性化实时定制，从而支持任意形状及连通性的擦除形状，支持任意格式的底版数据(例如二维栅格数据、视频数据及三维图形数据等)；②如何提高移动端用户的交互性，使得擦除形状与其甩动姿态相关联：甩动角度与对应擦除形状旋转角度相一致，甩动幅度和擦除形状大小成正比等；③大批量用户同时持续甩动移动终端时，如何同步处理这些甩动数据并实现可视化终端擦除的动画展示。

关于蒙版擦除的计算机仿真，国内外已经有了许多相当成熟的技术和软件系统。例如photoshop等二维图像处理软件采用基于alpha通道图像融合技术实现的二维底版/蒙版图像的蒙版擦除[1-4]。此类软件支持任意形状的擦除，也支持任意蒙版和底版图像的定制，但是，其定制图像只能是二维数据，不支持三维或其他类型底版数据的定制。三维仿真软件如Unity 3D，Unreal Engine 4等，利用其强大的shader功能，将包含擦除形状信息的图像和蒙版图像进行纹理透明度混合，从而露出底版信息[5-6]。混合过程中允许图像位置的改变，可以实现任意位置处蒙版的擦除。但是，针对多次擦除的可视化，需要创建加载多个shader，非常耗时。此外，如何语义化移动端用户的甩动姿势信息，将其和擦除形状相关联，实现擦除动画展示，目前并无现成的软件和系统。蒙版擦除，本质上是对图像进行抠图处理，该技术广泛的应用在数字图像融合编辑处理中。经典的抠图方法有Knockkout方法[7]、全局采样抠图算法[8]、Weight color and texture matting[9]、KNN matting[10]、半监督学习的抠图方法[11]、邻域和非邻域结合的方法[12]、鲁棒抠图方法[13]等多种抠图方法[14-16]。上述方法可以较好地实现图像抠取。但还不能实现三维场景前景和背景的融合、擦除形状、蒙版及底板等数据的个性化实时定制，以及与移动端的高效实时交互。

为此，本文设计了一种基于个性化定制的交互式蒙版擦除动画方法，包括个性化定制模块和交互式蒙版擦除动画可视化模块。个性化定制模块实现了蒙版、底版、擦除形状等的定制和初始化处理；交互式蒙版擦除动画可视化模块实现了“移动端甩动—可视化终端蒙版擦除—后台数据查询编辑”的交互式蒙版擦除动画。移动端的每次有效甩动信息，包括甩动位置、幅度及角度等，都将同步产生不同的蒙版擦除动画，并且，个性化定制数据和移动端甩动数据信息都可以在交互式蒙版擦除动画过程中实时的进行编辑和修改。针对上述方法，本文进行了系统的实现和应用，证明本文方法可以支持不同底版、蒙版数据、擦除形状等的定制，并且可以实现任意位置、任意大小、任意旋转角度的形状擦除。效率测试结果证明，本文方法可以实现移动端约2 000次甩动的实时同步擦除动画。

1 本文方法框架

交互式蒙版擦除动画实现的大致流程包括：

(1) 擦除动画初始化，输入所需要的一些初始信息以及数据预处理；

(2) 移动端获取参与权限并通过各种甩动参与蒙版擦除；

(3) 可视化终端对历史甩动信息作可视化展示，并实时获取当前时刻甩动信息叠加做动画展示。

针对上述擦除动画实现流程，本文提出了一种交互式蒙版擦除动画的实现方法，能够实现大量参与者同时参与实时的擦除动画可视化展示，并且考虑了参与者不同甩动姿势对擦除动画的影响。其技术框架如图1所示。首先，受蒙版擦除动画使用目的、擦除形状、参与人数、参与权限等不确定性因素的影响，为定制个性化的蒙版擦除，给出一种个性化定制方案建模方法，将上述不确定信息计算机语义化并做预处理，预处理后的数据采用SQLServer数据库分类存储，服务于实时擦除动画的实现。然后，基于这些数据，本文给出了交互式蒙版擦除动画的实现方法，使得移动端、后台数据管理端以及可视化端通过实时访问数据库，间接完成数据交流，从而实现交互式的蒙版擦除动画。

图1 本文方法框架

2 个性化定制方案建模

以交互式蒙版擦除动画实现流程(图2)为基础依据，根据个性化定制方案对相关初始化要素进行归纳及计算机语义化和预处理，方便后续擦除动画的实现。

图2 交互式蒙版擦除动画实现流程图

2.1 交互式蒙版擦除动画实现流程

交互式蒙版擦除动画实现的流程主要包括：

(1) 擦除动画初始化。根据不同的应用场景对蒙版、底版、模板形状、擦除次数等蒙版擦除所需要的一些信息进行数据初始化和预处理。蒙版用来刻画蒙版图层信息，通常即为RGB图像，图像信息可以定制。底版指的是蒙版全部被擦除后呈现出的数据信息，根据不同的应用场景可以初始化为二维矢量、栅格、视频数据甚至三维图形数据等。例如应用于新品发布的蒙版擦除，底版通常设置为新品二维图像或者新品演示视频；应用于抽奖互动的蒙版擦除，底版通常为一些矢量数据表示的中奖信息。擦除模板可以认为是一个标准化的擦除形状，根据输入的包含擦除形状信息的图像数据计算得到。擦除过程中，实际擦除的形状基于擦除模板做平移、缩放以及旋转等实现。擦除次数指的是将蒙版图层完全擦除所需要的总次数，擦除次数一定程度上决定了擦除形状的大小。擦除音效指的是用户每次交互擦除时同步的擦除声音。可视化终端信息包括可视化终端尺寸、移动端与可视化终端的平均距离等。

(2) 用户移动端获取参与权限并通过各种甩动参与蒙版擦除。用户在移动端通过注册等形式提交个人信息获取参与互动的权限，获取权限后，移动端的每次有效甩动信息(例如幅度、角度等)都会被可视化终端捕获并通过对擦除模板做相应的形变实现擦除动画的可视化展示。

(3) 可视化终端对历史甩动信息作可视化展示，并实时获取当前时刻甩动信息叠加作动画展示。历史甩动信息指的是擦除动画初始化完成后至当前时刻参与用户在移动端的甩动信息。可视化终端实时捕获所有参与者的甩动信息，并将其累加至历史甩动信息上做可视化展示。因此，每位用户在移动端的一次有效甩动，都会实时产生一次蒙版擦除。具体擦除形状、位置等由有效甩动信息决定。有效甩动的定义在后续的3节详细给出。

2.2 要素归纳与语义建模

根据上述交互式蒙版擦除动画实现流程，将交互式蒙版擦除方案中包含的要素进行归纳，并进行语义建模。

2.2.1 结构化方案

结构化方案建模指的是对系统所需初始化数据根据其逻辑顺序的先后通过某种形式进行计算机语义化表达，使得后续擦除动画效率提高。

结构化方案建模涉及的要素根据其功能不同可以分为擦除预案要素和移动端要素。

擦除预案要素包括蒙版数据、底版数据、擦除模板数据以及可视化终端数据等。蒙版数据以栅格形式存储。底版数据根据不同的应用场景可以初始化为二维矢量、栅格、视频数据甚至三维图形数据等。本文中，底版数据包含底版数据类型typeID和底版模型数据。typeID取值范围为[0, 3]，相对应的底版模型数据类型分别为二维矢量、栅格、视频数据和三维图形数据。可视化终端数据包括可视化终端显示器的分辨率以及可视化终端与移动端的平均距离等。分辨率决定可视化展示时三维投影的参数，可视化终端与移动端的平均距离决定了擦除动画绘制的LOD级别。

擦除模板要素主要指的是擦除模板的形状要素，包含模板形状边界要素和模板形状面积要素。二者由输入的包含擦除形状信息的图像数据和擦除次数共同决定。移动端要素主要指的是在移动端通过注册等形式获取到参与权限的每位参与用户信息，即用户的ID信息，用来实现参与权限管理及区分互动中每位参与者的不同参与次数。

2.2.2 擦除模板制作

擦除模板制作是将包含擦除形状信息的图像数据经处理制作成具有一定格式的矢量数据，并根据擦除次数、可视化终端尺寸等做仿射变换处理后得到。其目的是为了减少蒙版擦除动画过程中擦除形状的计算量。擦除模板制作可以大致分为形状提取和模板制作。

(1) 形状提取。将用户需求的形状信息从包含该信息的图像中剥离出来，另存为一张前景和背景边界清晰，并且不包含任何噪声的图像。之所以进行本步骤的处理，是因为用户给出的具有其需求形状的图像中噪声较多，并且前景和背景之间的边界模糊，后续很难便捷快速的从该图像中获取其需求形状的信息。形状提取过程如图3所示，主要包括：

①需要导入包含用户需求形状信息(图3最左侧图像中红色像素值组成的3个连通区域)的图像。本文方法中，用户需求形状可以由任意凸多边形或者凹多边形构成，可以是任意单连通或多连通区域。对输入图像的基本要求：图像中用户需求形状信息(即前景)特征较清晰；前景和背景之间有较为清晰的边界(肉眼可识别)；图像在需求形状肉眼可识别的前提下，可以包含各种噪声。

②对图像进行抠图处理以获取图像中用户需要的形状边界，可以采用简单快速的Knockout方法等，也可以使用具备抠图功能的图像处理软件。如图3中间图所示，绿色线条为抠取获得的形状边界，绿色线条围成的3个封闭区域即为用户需求形状信息。

③根据抠取获得的边界信息，得到一张包含形状信息且前景背景区分明显、不包含任何噪声的灰度图，如图3最右侧图所示)。

图3 形状提取过程示意图

(2) 模板制作过程如图4所示，主要包括形状数据矢量标准化和仿射变换。

形状数据矢量标准化的过程采用的是多边形扫描转换算法的思想实现。通过对栅格数据逐行求交、排序和配对得到采用二维坐标序列表示的形状边界矢量数据集。为了提高后续数据处理的效率，本文将上述矢量数据集进一步做了矩阵标准化处理。

图4 模板制作过程示意图

作仿射变换处理是考虑到上述标准化后的矢量数据用于蒙版动画绘制时存在一些问题：①相对于蒙版而言，形状图形过大，需要进行缩放后才能将形状绘制至蒙版上；②相对于蒙版而言，形状边界坐标值过大，需要经过平移后才能将形状绘制至蒙版上。为此需要对标准化的数据进行仿射变换处理，通过对矢量数据做缩放和平移等仿射变换来避免上述2种情况的产生。缩放系数由初始化的擦除次数、模板形状面积以及蒙版尺寸共同决定，平移量由形状数据坐标的平均值决定。

3 交互式蒙版擦除动画实现

以个性化定制结果为初始数据实现的交互式蒙版擦除动画，主要包括移动端交互、蒙版擦除动画可视化以及交互式数据查询编辑3部分。

3.1 移动端交互

在移动端注册获得参与权限后，用户每次有效甩动都会在可视化终端擦除出第2节擦除模板形状的底版信息，实现蒙版擦除动画，从而完成和可视化终端的一次交互。交互过程如图5所示。用户执行甩动操作后，首先进行甩动的有效性判断，若当前次甩动为有效甩动，则将甩动幅度(即位移量)和甩动角度存入数据库，可视化终端实时读取数据库信息，响应该次甩动，根据第2节的擦除模板作蒙版擦除动画展示，当前次擦除形状大小和旋转角度由甩动幅度和甩动角度决定。

图5 移动端和可视化终端交互过程示意图

其中有效甩动定义为：

(1) 同一用户，2次有效甩动之间的时间间隔不小于周期阈值deltaT，本文deltaT取值为0.1 s；

(2) 甩动速度不小于速度阈值v_ threshold，本文中v_ threshold的取值为2 m/s。

移动端捕获一次有效甩动的伪代码为：

diffTime=curTime-lastTime

if (diffTime>=deltaT)

if (dis/diffTime>=v_threshold)

=getRotaAng(x-last_x, z-last_z)

addMSG(dis,)

lastTime = curTime

end if

last_x=

last_y=

last_z=

end if

其中，curTime为当前时间；lastTime为上次有效甩动开始的时刻；(,,)以及(last_x, last_y, last_z)分别为当前手机重心坐标和上一时刻重心坐标，该坐标所在坐标系信息为：

(1) 坐标原点为可视化终端屏幕中心点；

(2)轴方向和轴方向分别平行于屏幕的水平方向和垂直方向；

(3)轴、轴和轴组成的坐标系满足右手法则。

dis为当前甩动在面上投影的位移量，用来表示甩动的幅度，getRotaAng()方法返回二维向量的角度值，即为向量(-last_x，-last_z)的角度值。addMSG()方法将当前有效甩动信息(包括在面上的甩动幅度和甩动角度)传入数据库。

3.2 蒙版擦除动画可视化

蒙版擦除动画可视化即如何响应当前甩动，并在蒙版上擦除出模板形状的底版数据。直观上需要分别绘制擦除形状区域内的底版数据(如图6所示区域) 以及其他区域的蒙版纹理(如图6所示区域)，由于底版数据可能是三维的，造成这种直观的绘制方法繁琐且耗时。

图6 直观形状绘制示意图

受图像抠图技术[17]以及现有三维仿真引擎中采用shader实现蒙版擦除工作的启发，本文采用三维空间正射投影分图层绘制的方式实现形状绘制。即在正射投影构成的三维空间中，沿观察者视线方向上，先绘制底版信息，然后在其正前方绘制蒙版图像，蒙版绘制中，已被擦除区域的alpha通道设置为0，即完全透明，其它区域的alpha通道设置为1，即完全不透明(图7)。其中，已被擦除区域即为当前时刻位置，所有用户在蒙版擦上所有擦除形状的集合。

图7 本文中形状绘制示意图

For (=1;<=;++)

For (=1;<=n;=+)

End

其中，dis为当前擦除对应用户移动端甩动幅度，根据4.1节计算得到；thre_dis为幅度阈值，本文中thre_dis=0.2 m；LOD为正整数，由可视化终端和移动终端的距离决定；θ为当前擦除旋转角度，根据3.1节计算得到；为了提高旋转变换的计算效率，cos和sin分别为cos(θ)和sin(θ)一阶泰勒展开；(x,jy,j) (∈[1,]，∈[1,2s])为擦除模板形状边界；P_Rect(1,1,2,2,3,3,4,4)表示由坐标(1,1)，(2,2)，(3,3)，(4,4)围成的多边形的点的集合。

3.3 交互式数据查询编辑

交互式数据查询编辑指的是用户可以在后台数据管理端实时查询编辑底版、蒙版、擦除模板、擦除次数、擦除音效以及移动端参与用户权限等数据。

底版蒙版的编辑主要是指更改底版蒙版数据，可以将二维的底版数据改为三维的底版数据，也可以将栅格的底版数据改为矢量的底版数据，可视化终端实时响应编辑修改的数据。

用户可以通过更改擦除模板数据实现擦除形状的改变，若用户选择系统自带的擦除模板，则可视化终端实时响应编辑修改后的数据，若用户选择自定义的擦除形状，需要重新进行擦除模板制作流程。

擦除次数的编辑修改直接影响擦除模板大小的缩放系数。假设擦除模板形状原始面积为，蒙版面积为，擦除次数为，则擦除模板的缩放系数为/(×)。

擦除音效的编辑是更改擦除音效，擦除音效更改后，移动端再次甩动时，可视化终端对应擦除动画音效为更改后的音效。

移动端参与用户权限编辑是指对移动端用户是否可以继续参与蒙版擦除动画互动做修改，不具备参与权限的用户，其在移动端的甩动无法在可视化终端作擦除动画展示。

4 系统实现及应用

本文实现了基于个性化定制的蒙版擦除动画系统，系统包括移动端、数据管理端和可视化终端3个模块(图8)。移动端甩动信息存入数据管理端，可视化终端从数据管理端获取数据作实时动画展示。数据管理端不仅负责所有数据的初始化及编辑修改，还控制移动端权限的开通和关闭等。

图8 个性化定制的蒙版擦除动画系统三模块关系示意图

4.1 应用实例

移动端用户通过注册获取参与权限，注册页面如图9所示，只需要填写简单的姓名和手机号，即可完成注册。

图9 移动端用户注册示意图

数据管理端进行数据编辑。首先可以进行擦除形状的编辑，图10为不同形状对应可视化擦除效果；其次可以进行擦除次数的编辑，图11(a)图为数据管理端擦除次数设置界面图，图11(b)和(c)分别为擦除次数等于500和1 000时对应的可视化终端擦除效果截图。可以看出，擦除次数多的，对应的擦除形状较小。此外，擦除形状不仅和擦除次数相关，还和移动端用户的甩动幅度有关，甩动幅度越大，相应的擦除形状也越大。

本系统还可以进行诸如底版蒙版数据的编辑修改，图12为不同底版数据和蒙版数据对应的可视化终端单次擦除效果截图。

(a) 界面图

(b) 擦除次数500

图12 不同底版和蒙版可视化终端擦除效果图

可视化终端响应移动端的有效甩动，并根据甩动幅度和角度做等信息动画展示。图13上图和中间图为首次有效甩动时，不同甩动角度对应的可视化终端擦除效果截图，下图为多次甩动后对应的可视化终端擦除效果截图。

图13 不同甩动角度和不同甩动次数对应可视化终端效果截图

4.2 动画绘制效率测试

为验证本文方法的有效性，对系统计算效率进行了测试，可视化端测试环境为：Intel(R) Core 8 Xeon(TM) i7-4790 CPU @3.60 GHz and 4.0 GB RAM。测试采用的形状边界顶点个数为1 192个。

首先在学院某次新生见面会现场进行了公测，现场1 500人左右，学生通过手中各类品牌的手机注册参与蒙版擦除互动活动。数据管理端捕获到学生实时(50 ms时长内)甩动峰值为620次，可视化终端可以实现在该时段内620次甩动的实时擦除计算和绘制显示。

为了进一步验证本文方法的计算效率，模拟了不同用户人数下的计算时间。模拟中假设用户在移动端的甩动信息可以实时传到数据管理端，即通过自动写入擦除次数来测试任意甩动次数下的情况。

测试结果如图14所示。可以看出，对于上述形状，本文方法可以实时绘制约2 000左右擦除形状。

图14 形状绘制绘制次数和时间的关系

图14的结果忽略了用户甩动数据的识别与传输等计算时间。事实上，这些计算只是一些简单的判断和数据上传，只要网络畅通，需要的时间和动画绘制相比，是微不足道的。

5 结论

本文给出了一种基于个性化定制的交互式蒙版擦除动画实现方法。首先依据蒙版擦除动画实现流程，对蒙版擦除所需的初始化数据进行了个性化定制方案建模，实现了对初始数据的归纳、定义以及预处理；然后，基于上述个性化定制结果，实现了“移动端甩动—可视化终端蒙版擦除—后台数据查询编辑”的交互式蒙版擦除动画；最后，对本文方法进行了系统实现和应用，证明本文方法可以支持不同底版、蒙版数据、擦除形状等的定制，并且可以实现任意位置、任意大小、任意旋转角度的形状擦除。效率测试结果证明，本文方法可以实现移动端约2 000次甩动的实时同步擦除动画。

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Design and Implementation of Interactive Mask Erasing Animation Based on Personalized Customization

WANG Hua1, LI Shen-shen1, HE Xiao-yu1, ZHU Fu-bao1, YAO Ni1, XU Ming-liang2

(1. School of Computer and Communication Engineering , Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou Henan 450001, China; 2. School of Information Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou Henan 450001, China)

Abstract: With the rapid development of virtual reality and mobile internet technologies, many businesses hope to achieve an interactive mask erasing animation through the mobile terminal. However, there are problems with personalized real-time customizations, interactivity and so on. Therefore, we introduce an interactive mask erasing animation method based on personalized customization. Our method includes personalized customization module and interactive mask erasing animation visualization module. The personalized customization module initializes and processes customized data. The interactive mask erasing animation visualization model performs the four tasks of mobile terminal shaking - visual terminal mask erasing - the background data querying and editing. We built a prototype system to test the above method. Simulation results show that it can realize the real-time synchronous erasing dynamic visualization for 2 000 times shaking at mobile terminals.

Keywords: personalized customization; mobile terminals; interactive; mask erasing animation

中图分类号：TP 391

DOI：10.11996/JG.j.2095-302X.2019030473

文献标识码：A

文章编号：2095-302X(2019)03-0473-08

收稿日期：2018-11-16；

定稿日期：2018-11-26

基金项目：国家自然科学基金项目(61602425，61472370，61602421，61672469，61602420，61502433)；郑州轻工业学院博士基金项目(2015BSJJ007)；河南省科技攻关项目(182102311071)；郑州轻工业学院研究生科技创新基金项目

第一作者：王华(1982-)，女，河南新乡人，讲师，博士，硕士生导师。主要研究方向为虚拟现实。E-mail：wanghua@zzuli.edu.cn

通信作者：徐明亮(1981-)，男，河南信阳人，教授，博士。主要研究方向为人工智能、虚拟现实。E-mail：iexumingliang@zzu.edu.cn