三维虚拟动画设计中的角色建模与行为控制方法研究

2022-12-09□吴琦

产业与科技论坛 2022年1期

□吴琦

一、引言

随着社会和科技的不断发展，人们对动画的需求不仅仅只是影像画面效果，追求更多的是立体、逼真的影像体验，三维虚拟动画作为一个设计行业也因此而受到人们的大量关注。三维虚拟动画主要是运用计算机技术对人物以及事物进行模拟设计，以达到逼真效果，是计算机动画学和计算机图像学中重要的一个分支结构，通过真实人物素材的提供，结合计算机技术设计出既虚拟又抽象的三维动画效果。且这种三维虚拟动画技术不受任何空间条件的制约，因此这种技术被广泛地应用到各个热门行业以及领域。

随着我国开放性发展，尤其是改革开放以来，三维虚拟动画技术发展迅速，并出现了一大批流畅且人性的制作三维模拟动画的软件APP，促进了当代三维虚拟动画的水平与效率，且保证了制作质量。

三维虚拟动画设计的基础是角色建模，通过传统的平面动画与现代的立体观念相结合的方式，分析二维情形下人物角色的特征，结合人物形象理念设计相应的三维虚拟动画形象。因为三维虚拟动画结构需要匹配二维模式下多个动画图形才可以建立一个完整的三维虚拟动画角色，而三维虚拟动画的角色建立又是通过数学矩阵和向量的角度为出发点，通过对人物素材角色的轮廓建立相应的取样点，从而画出对应的取样曲线序列，形成初步的三维网络模型。而三维虚拟动画的精髓是三维人物的关节和骨节，这时就需要借用人工神经网络形式进行动作的捕捉从而进行三维角色的运动控制，实现三维人物角色在一定条件下可以实现规律无障碍的运动。

二、建立虚拟三维动画模型的过程

为了实现三维虚拟模型的布线合理性，需要利用物理引擎的方式作为基础，运用动力学的方式实现三维虚拟人物动画的各个姿态。但是角色动画又区别于流体和变形动画，角色动画一般由两部分组成。第一部分是骨骼模型的建立，且是三维虚拟动画中最关键且重要的一个步骤，而骨骼模型的关键是关节，通过载体铰链对象将其进行连接形成父骨骼，之后通过最后的关节模型连接父子骨骼，从而定义所设计的骨骼运动情况。第二部分是外层皮肤的建立，此环节需要依托成熟的骨骼模型进行调节，因此骨骼模型的建立是至关重要的。

对于骨骼模型，要从其本身的最高层级的根骨骼说起，通过旋转自由度实现骨骼间的连接，之后通过所设计的骨骼模型对其进行父骨骼与根骨骼的记录调节。

目前适用于骨骼模型创建和调节的当选MAYA软件，它的优势是可以通过转换系统IK实现三维模拟人物模型的手臂转换，并且可以将其放到任何一种三维模拟人物模型中加以使用。利用MAYA创建骨骼模型的过程如图1所示。

图1 三维模拟人物骨骼的创建流程图

由图1可以看出三维模拟人物骨骼模型的创建还需要对三维模拟人物的轨迹进行设计模拟，如图2所示，此时就需要借助开源物理引擎ODE对三维模拟人物的关节进行调节控制，从而出现我们所说的物理模拟，之后通过模拟器实时给人物关节传递状态，实现三维模拟人物的生成。

图2

由图2可知，三维模拟人物动画的步骤需要严格执行每一步且及时进行数据交换实现在动态世界建立三维模拟对象，并根据现实需求对三维模拟角色进行相应的复制，实现模拟器中的互动，根据要求设定所需的人物角色速度与人物所需要承受的力量，一切设置妥当就可以实现完整三维模拟人物形象的建立了。

三、对三维虚拟人物动画行为的控制过程

当三维虚拟人物形象外部建立完成之后，就要对其的动作进行调节控制，以达到所需的真实性。控制过程如图3所示。首先对人物素材动作进行捕获，运用物理学的方法进行轨迹的复制，使三维虚拟动画实现与现实人物相应比例的运动与调节，从而实现三维虚拟动画人物的逼真性。之后通过系统反馈，设置适合三维模拟人物动画关节的控制参数，实现外界信息与三维虚拟动画相比例的结合，尽可能避免外界的干扰实现相对数据的转换，增加人物形象与现实形象的相似度，与骨骼关节承受力量的科学性，满足对三维虚拟动画的约束控制条件。

图3 三维模拟人物形象的行为控制过程

由图3可知三维虚拟人物形象的行为动作是整个三维虚拟人物形象的灵魂，需要我们认真进行比例数据分析，才可以设计出毫无违和感的人物形象以及舒适真实的三维模拟角色动作。

作为三维虚拟人物角色的灵魂所在，骨骼关节的调整与控制变得至关重要。在进行大体的行为控制之后，我们还应该考虑行为分支的控制。首先交互控制，三维虚拟人物形象之间的交互控制，使用者与三维虚拟人物的交互控制，寻找交互控制的最可适宜控制点，设置适应使用者各种环境角度下的操作。还需要及时调整交互界面，通过不同视角观察三维虚拟人物形象，将观察点放置到各个数据采集点相结合，使三维虚拟人物形象更加逼真。比如，可以设置三维虚拟人物形象的眼睛部位，结合三维立体实现眼睛的多效结合，比如三维虚拟人物所处的情景，还需要考虑各种环境下人物形象的处理方法与对应策略。

除此之外还需要设立多个摄像机捕捉人物素材各方面的形象、神态、动作等肢体语言，并及时传送给设置终端，对人物形象进行相应的设计，实现三维虚拟人物形象全方位的真实感，给浏览者带来最真实的体验，还需对三维虚拟形象进行碰撞检测，当三维虚拟人物形象碰撞到障碍物的时候所出现的体验感觉应该是不同的。在三维虚拟人物形象上建立虚拟的访问返回检测装置，可以实现三维虚拟人物形象的数据返回，从而与实际数据进行对比后实现数据的调节。

四、仿真实验

三维虚拟人物形象设计完成之后，还要进行仿真实验来验证设计的合理性以及控制的有效性，并对设计过程中的人物形象的采集点进行验证与再采集，结合传统方法进行对应的数据比较，对三维虚拟人物形象进行一定的调节，从而实现全部情景下的三维模拟人物实验。

(一)进行实验前的准备。选取内存运行合适的计算机进行三维模拟人物形象的原始数据设定，之后将计算机与综合平台实现对接连接，充分利用三维虚拟人物角色动作行为控制综合平台对其进行自动控制方面的检测，使用传统的采集方法对三维虚拟人物角色进行数据采集与检测，将所有数据传送到计算机终端，对数据进行及时的整合分类，并对比传统和当下的实现数据点的相同相异点进行分析，选择最合适的数据进行录入确保三维虚拟角色实验前的严谨性与综合性。

(二)对实验进行对比总结。将所有采集的数据结合起来进行对比，可以发现通过传统方式进行采集的数据要远远小于本文所提高方式的数据，传统采集的数据较少，精准度较低，人物形象的综合完整度较低，但是本文所提到的方式则完整度较高，数据比较密集，可验证性较高，符合实验要求的严谨与科学，可以多次的进行实验的检测，控制人物的行为，多次进行验证，符合时代所特有的高效性与有效性。

(三)分析实验。当一场三维虚拟模拟实验完成之后，还要对其进行各个功能、各种终端下运行以及各种情景下的分析，对其性能的分析是为了检验这种三维虚拟人物角色实验是否满足我们对三维虚拟人物角色所需要的动作需求与行为需求，对其外形的分析是为了检验所设计的三维虚拟人物形象是否满足大众的审美以及外形的真实性与相似性，对其在各种情景之中的分析是为了检验所设计的三维虚拟人物角色是否在各种情境下做出相应的动作与神态，比如雨天淋雨和避雨神态以及动作，与他人碰撞或者与外物碰撞所作出的反应，最重要的是要检验各种情景是否满足终端的大众配置，在普通终端下运行是否流畅，是否可以实现大众化的计算机运行使用且不破坏三维虚拟人物形象的画质。

(四)整合实验数据，确定最终结果。进行对比整合数据之后，需要对三维虚拟角色行为控制、建模方式提供科学依据与实验数据进行整合分析，实验结束不是结局，而是下一场成功实验的开端，将实验数据详细记录在册，不仅方便调节改正时候的使用，更为后人提供实验数据。通过最后的确定形象明确三维虚拟人物形象的设计方法以及三维人物形象的标准。