康文慧

(安徽工商职业学院信息工程学院，安徽 合肥 231131)

0 引言

数字媒体时代，动画行业迅速兴起。虚拟空间技术使动画变得生动起来，为用户带来新的视觉享受。许多学者开展了对交互式动画设计方法的研究，张巧灵等[1]研究了牛骨三维模型建立及交互演示方法，预先对三维动画空间定位，然后进行交互设计；马洪石等[2]研究了Web端室内三维交互系统的快速构建方法，主要将层次模型应用到其中，构建具备交互能力的三维原型系统。上述交互式动画设计方法能够实现动画交互，但在应用过程中，还存在不足之处。本文设计数字媒体时代下交互式动画设计方法，以期提高交互式动画的交互效果，使形成动画的各个阶段都能够取得较好的效果与体验。

1 动画仿真模型的构建

基于动画的格式不同、类型不同，想要使动画人物变得更加生动饱满，就要根据模型的特点对三维空间的场景进行仿真建模，收集真实模型的形态特征和数据信息，以此为基础完成同等比例的场景中交互式动画设计。收集的主要内容包括图像基本信息、空间全景设计与相关人物动作，将核心数据结合到一起，构成一个相对完整的仿真模型[3]，科学合理地连接虚拟与现实世界。

在建模过程中，交互动画节点的移动速度决定动画的最终呈现效果，为了保证动画的一致性与完整性，以场景作为一个静态的空间[4]，准确地利用坐标来描述节点。假设存在一点Pl，其平面坐标为(u,v)，三维坐标为(Xw,Yw,Zw)，使平面与三维坐标相互转化，最后得到统一后的坐标表达式为

(1)

其中，ax为虚拟空间中的转换因子，ay为现实平面中的转换因子，xd(1)与xd(2)分别代表横轴上随机两个点，(u0,v0)为处理后的Pl的坐标。

将归化后的坐标逐一进行迭代，实现坐标的代偿作用[5]，当xw迭代成xd时，两者的关系为

(2)

其中，xn为迭代后的坐标，δ为迭代次数，k为系数。

可推算出实际坐标的表达式为

(3)

其中，R代表矩阵，(Xc,Yc,Zc)代表实际坐标。

为了使动画可以不依靠人工操作，而自动化地进行交互处理，将所采集的数据信息分类成特征集，按照虚拟空间的运行模式来逐一融合[6]，得到的向量为x1,x2,x3,x4，其表达式为

(4)

其中，m为特征因子，p1,p2,p3为场景的特征向量。

动画模型η及函数Rx描述为

(5)

并满足条件：

(6)

其中，L(η)为场景中的检验函数，w(i,j)为动画中的节点坐标，d为图像边缘的模糊值，Z(i)为像素点的权重，而获得的动画重构仿真函数[7]为

(7)

其中，r为距离。

r能直接表明像素点的密集程度[8]，而后得到的虚拟空间大小范围公式为

G1=(1+μY)(1+λY)G,

(8)

其中，G1为三维空间中场景，G为实际模拟的场景，μ为一个整数，λ为系数，通过对这几个元素的控制，来确定空间中场景的实际大小。

而对于场景的特征模型，可采用反向思维，通过误差的范围来确定模型重构的几率[9]。假设虚拟的模型为A，实际的数量为N，那么误差的表达式为

(9)

其中，l1,l2为误差，ω为误差的特征向量。

基于误差变化生成的三维动画场景模型[10]为

(10)

其中，κ代表自动生成的模型，P代表概率，q代表随机因子，根据重构图像的边缘信息就可以生成动画的主要部分，有效地激发出动画的自主匹配能力。

2 交互式动画设计的实现

动画模拟需要在三维空间建立过程中对动画轨迹进行模拟。目前，最为可靠且成熟的捕捉技术是轨迹模拟与动画插件技术，不但可以快速地构成一个模拟动作，还可以识别出更加细致的人类行为，使动画的移动更加顺畅。运动捕捉模块如图1所示。

图1 运动捕捉模块

利用摄像或者视频对动作进行采集，然后将拍摄到的图像进行模拟分析，通过捕捉技术将动作分解成多个点的集合。利用点与点之间的相关性将其连接，形成一个连续的、光滑的三维动画，最后对动画的每个细节进行逐一处理，获取相关数据，保存已经优化的动画，将其加入到三维空间中进行交互。整个交互流程如图2所示。

图2 交互式动画交互流程

但是在交互过程中，最难控制的就是节点的变化性与移动性，这两者直接决定节点的稳定性[11]，为此需要进一步处理。假设节点移动的加速度为ai，可以利用虚拟与现实之间的比例关系计算得出ai，然后就能够得到节点的位置范围[12]，描述出节点运动的曲线。

(11)

其中，t为时间，vi为速度，ri为距离。

在确定距离与速度的情况下，对t时节点的速率进行计算，则

(12)

交互式动画最常用的交互方法为SPH法，其中涉及的元素有速度、时间与网速，在此基础上建立光滑函数，来描述每个节点在虚拟空间的连接变化[13]。

(13)

而节点的排列变化为

(14)

结合上述公式，得到

(15)

其中，Wp表示函数关系，h表示场景大小，r为距离。

与其他函数相比，该函数可以精确到每一个节点之间的细微距离，在计算中只需对距离进行限制，最大程度地降低了计算的失误率，减少元素的输出[14]，避免过多的变量影响计算结果。

当节点间距离为负时，其排列变化也会发生改变，逐渐缩短距离，直到消失。与此同时，当距离为负时，节点移动速度会直线上升，不再进行有规律运动，而是没有方向地混乱变换位置[15]，其数学表达式为

(16)

而运动的规律为

(17)

当距离r接近0时，节点的规律性增强，其交互能力相对更强。而对于动画动作的光滑性来说，只涉及动画中点的变化，其表达式为

(18)

光滑因子的表达式为

(19)

运用SPH算法，能够有效地完成动画的复刻与模拟，实现交互式动画设计。

3 实验对比

3.1 实验准备

此次实验中应用的硬件配置：Intel©Pentium©Dual CPU2200、显示卡、DELL显示器等。

系统软件配置：三维视景仿真软件、可视化仿真建模软件、DI-Guy人体交互仿真软件。

仿真系统的整体结构流程如图3所示。

图3 视景仿真结构流程图

在整个交互过程中，同时使用硬件系统与软件系统，实时控制实验过程，直到完成实验为止。为了减少实验时间预先对实验场景建模与场景驱动，采用场景驱动软件平台，渲染仿真场景并进行驱动控制。该仿真系统在VC++环境下使用，利用视景仿真软件的应用程序接口与图形化界面实现场景的视景渲染。

3.2 动画交互效果分析

以人体关节活动情况为例，制作人体关节动画，然后进行交互，对比结果如表1所示。

表1 人体关节动画前弯、后弯位置交互效果

由表1可知，在交互中，运用本文方法设计的人体动画位置，与实际前弯、后弯位置基本保持一致，而其他两种方法与实际位置具有一定的差距，动画交互效果不佳。

人体动画关节左歪、右歪位置交互结果如表2所示。

表2 人体关节动画左歪、右歪位置交互效果

人体左转、右转位置交互结果如表3所示。

表3 人体关节动画左转、右转位置交互效果

由表3可以发现，本文提出的交互式动画设计方法，在交互设计后人体关节动画在各个角度的位置与实际位置都能够保持较小的误差，而其他两种方法都发生了不同的较大误差，交互效果不佳，不能按照用户需求与动画交互。

在此基础上进一步验证该方法的有效性，对比三种方法动画交互的实时性，结果如图4所示。

由图4可知，本文提出的交互式动画设计方法的实时性较好，当用户下达指令后能够在短时间内实现动画的交互，较其他两种方法，应用效果更好。

图4 动画交互实时性对比

4 结语

虚拟世界中的交互式动画设计，不但将数字媒体推向了新的高度，也是动画产业以及技术成熟的标志。本文提出的交互式动画设计方法，在传统技术的基础上进行创新，使现代技术手段与虚拟技术融合，弥补了传统方法的不足。本文方法在实验部分对比指标不是很全面，后续研究将通过实验进一步完善。