秦祯研，姚 远

（安徽建筑大学艺术学院，安徽 合肥 230022）

MBD（Model Based Difinition）作为模型的产品定义，它能够利用集成的三维实体模型实现产品定义信息化[1]。由于MBD是数字化的信息，因此传递、提取、统计和管理等工作将直接得到信息系统的支持，能够大幅提高效率、减少错误、降低制造成本，提高产品质量[2]。材料动画是把对空间、形态、色彩等变化逐个拍摄对象，使之获取连续运动假象影像，这种连续运动的假象影像是艺术的一种表达方式，它是以大量人工设置的物件拍摄为主体，利用一帧帧摄像运动而形成，角色和场景是由材料制作而成的。

资源管理的数字化配置是指通过计算机、通信、网络等技术配置，将资源管理实行量化管理，对管理对象与管理行为实行研发、设计、生产等相关功能的管理方法[3]。材料动画资源在管理过程中非常繁琐，资源利用率及材料动画的信息分类效果较差，材料动画的帧幅转换效率较低，针对这些问题，相关研究人员做出大量研究，文献[4]提出基于内容结构的网络Flash动画检索方法，通过Flash动画的场景数、帧数等特征完成互联网中的Flash动画管理；文献[5]提出基于几何特征的流体动画控制方法，该方法通过构建流体形状的时变几何分区，完成对可控流体形状的表达，实现动态跟踪，并由此设计异构控制模型，用来增强动画控制的灵活性。上述方法具有一定有效性，但是也存在管理过程复杂、资源分类不清晰以及资源的控制不精准等问题，为此本文提出基于MBD技术的材料动画资源管理的数字化配置方法，利用MBD量化管理材料动画资源，提升材料动画资源利用率。

1 基于MBD技术的材料动画资源管理的数字化配置

1.1 基于MBD的材料动画资源数据集

符合MBD应用需求的材料动画资源模型是材料动画资源表达与应用的载体，基于MBD模型的材料动画资源数据集，由基准、几何、管理、属性共同组成，如图1所示。

图1 基于MBD模型材料动画资源数据集

通过图1可看出，MBD技术有利于实现材料动画资源管理的数字化、协同化、精确化。目前国内基于MBD技术的数字化配置、管理模式和设计还在探索阶段，应用模式与管理规范等都还未完善[6]。例如在材料动画资源的配置环节，大部分使用者仍然使用传统的基于二维图样“三维模型”加“二维工程图”的配置模式，导致材料动画的信息丢失、二义性，甚至很难完成材料信息获取。为了降低信息传递过程中的工作量及可能出现的误差，确保材料动画资源管理工作的高效准确进行，根据材料动画资源管理数字化配置中的MBD思想，采用MBD模型覆盖材料动画资源管理中数据和多种应用模式要求的数字化管理，统一组织、管理、定义、应用材料动画资源，打通各个资源管理环节之间障碍，满足数字化配置的多维需求[7]。

1.2 材料动画资源信息提取与组织

MBD模型是材料动画资源信息应用和表达提供载体，其材料动画资源信息中几何、量具、公差之间的关系模型说明了这3者之间的关联性，为材料动画资源信息增添了量具、几何等信息，为下游材料动画资源数据的多维应用提供统一数据来源。在CATIA软件环境下，材料动画资源信息的组织和提取通过CAA软件完成[8，9]。在三维模型的生命周期中，每个面的技术要求用CATIA中所有的粗糙度、形位公差及尺寸公差等三维标注去表示。对特定类型的函数采用类型转换并调用的方法，实现标准值、公差名称、所依附面ID、上下差等信息的提取，为实现几何特征与依附面ID的关联，需要通过访问人工交互或工艺定义数据库完成[10]。访问符合企业标准的未注公差数据库，确定模型中未注公差的公差值。该公差所用材料根据已获取的几何特征、公称值和上下差等属性，通过访问量具库以获取完整的材料动画资源信息[11]。MBD模型的材料动画资源信息提取组织流程如图2所示。

图2 MBD材料动画资源信息提取与组织流程

1.3 材料动画资源配置模型

多种类、多批次的材料动画管理程序任务，在管理模式上的资源分配，是典型的材料动画规划和优化问题[12]。假设：现有多批次共n个待管理的材料动画，每批次的材料动画根据管理信息的要求编制成个管理程序，则共有个管理程序任务；需要从m种管理模式中选择某一种模式，以完成每个管理程序的管理任务。每种配置方式都有其对应所需付出的成本。

可用寻找待管理材料与管理模式的资源合理分配来解决资源配置问题，并寻求该问题的最优解[13，14]。

设定材料动画集合、待管理材料动画及每个材料动画的管理程序任务集合分别为是第i个待管理材料动画的管理程序任务，完成时间为G0。如果第j个管理模式对管理任务eip的执行时间，则所有管理程序任务时间矩阵为由于每种材料动画资源在某一时刻只能执行待管理材料动画的一个管理程序任务，因此当管理模式j对管理程序任务eip执行管理时，用Qipj表示其占用状态；用Qipj=1和 Qipj=0分别表示正在执行管理任务和空闲状态。得出管理程序任务在管理模式上执行所需要的管理时间Wipj和管理模式的占用状态QWipj的关系矩阵见表1。

表1 管理时间及管理模式的占用状态关系矩阵

为了在预定时间内完成多批次材料动画的管理任务，将管理时间最小作为优化目标[15]，因此第个管理模式对其分配到的管理程序任务执行管理的时间为：

在m个管理模式中执行n个待管理材料动画的全部管理任务的数学模型为：

公式（2）表示目标为总管理时间最小；公式（3）表示一个材料动画的其中一个管理程序任务只能够在其中一种模式上执行；公式（4）表示一种模式只能执行一个材料动画的其中一个管理程序任务；公式（5）表示最长管理时间不允许超过规定的完成时间。

用遗传算法对公式（2）～（5）所设计模型求解。该方法是模拟自然进化优胜劣汰的机理，用来搜索最优解的一种方法，可以利用编码技术对一些个体进行编码，在完成初始种群的构建之后，还需要结合适应度大小对个体优劣程度进行评价，淘汰不符合要求的个体，而对保留下来的个体进行交叉和变异的重新组合，最后衍生为新的种群，不断重复上述方法使其进化到满足某一要求，最后获得符合需求的最优解。

2 验证分析

将本文方法运用在上海某材料动画公司的材料动画资源管理中，测试本文方法的整体性能。该公司的材料动画资源库中包括22种材料动画类型，共有740个数据包，其中，黏土材料动画的数据包有96个，木偶材料动画的数据包有77个。实验在Windows10操作系统中进行，硬盘，320GB，内存4 GB，CPU 主频 2．20 GHz。

2.1 数字化配置实现的效果

材料动画资源管理的数字化配置，是指利用计算机处理实现虚拟材料动画的数字化，使动画的视觉呈现效果更完美，如图3所示。

图3 材料动画资源的数字化配置界面呈现

通过图3可以看出，本文方法能够快速实现材料动画人物和场景的设置和帧幅转换，比以往通过人工进行材料物件和场景设置及逐个场景拍摄的效率更高。说明本文方法能够有效提高材料动画的制作效率，说明本文方法的资源配置具备良好适用性。

对应用本文方法数字化配置后的上海某材料动画公司的材料动画资源管理相关功能进行测试，结果如表2所示。

表2 材料动画资源管理功能测试结果

从表2的测试结果可以得出：采用本文方法对该公司的材料动画资源管理进行数字化配置后，材料动画资源管理方面的4个功能得到很大提升，更好地实现材料动画的整体管理效果和实用性。说明本文方法适用于材料动画的相关资源管理，具备有效性。

2.2 性能测试

采用文献[4]方法和文献[5]方法，作为实验对比方法，验证所提方法的资源配置性能，在不同数量的并发用户同时读取430个数据包时的延时情况和数据包丢失率，结果如表3所示。

表3 三种方法的延时和数据包丢失率对比结果

通过表3可以看出：当并发用户数量增加后，本文方法的延时略有增加，当并发用户数量为500时，最长延时也仅为0.21s，数据包丢失率仅为2.1%；另外两种对比方法的延时和数据包丢失率分别为0.37s、0.38s和 3.6%、3.9%，均高于本文方法，说明本文方法具备良好的资源分配性能，能够快速、可靠地完成资源分配。

为了进一步测试本文方法的性能，分别测试采用三种方法进行不同大小的材料动画文件数据读取和写入时的耗时情况，结果如图4所示。

图4 三种方法的文件数据读取和写入耗时对比结果

分析图4可以得出：在不同文件数据大小的读取和写入时，本文方法的耗时均为最低，即便当文件数据为100GB时，本文方法的读取和写入耗时也仅为24.1s和26.2s，另外两种对比方法的耗时均高于本文方法，说明采用本文方法进行资源读取和写入时，效率优势显著，具备较好性能。

为了测试本文方法资源提取的准确率，采用三种方法对黏土材料动画数据包进行资源数据提取，测试在2s～10s时间内的资源数据提取准确率，其结果如表4所示。

表4 黏土材料动画的资源数据包的提取数量(个)

分析表4可以得出：本文方法在7s内就可完成黏土材料动画资源数据包的提取，并且提取准确率为100%，另外两种对比方法均无法在10s内完成提取，并且无法提取出全部资源包，说明本文方法提取准确率及提取效率更高。

3.3 资源利用率测试

为了验证本文方法的资源配置优势，测试三种方法应用后的材料动画资源的利用率，其结果如图5所示。

图5 三种方法的资源利用率

分析图5可以得出：在不同并发用户数量的情况下，使用本文方法配置后资源利用率均在97%以上，另外两种对比方法应用后的资源利用率的均值分别为92.02%和92.71%，结果说明本方法具备较大的优越性，使材料动画的资源分配更加均衡，资源的利用率也更高，可显著提升工作效率。

3 结论

本文针对材料动画资源管理问题提出了基于MBD技术的数字化配置方法，通过建立MBD模型，完成材料动画信息的提取和资源数字化配置，并通过遗传算法，获取符合要求的最优解。使材料动画的创作人员能够快速完成已有材料文件信息数据的查询、搜索等相关资源的管理。实验表明本方法具备良好的实用性，能有效提高材料动画资源管理的整体功能性，能够快速实现材料动画人物和场景的设置和帧幅转换，并且延时和数据包丢失率均较低，提高了资源使用率，资源使用率达97%以上，材料动画的资源分配能够更合理、更均衡，工作人员的工作效率显著提升。下一步的研究工作将以如何通过本方法实现材料动画的自主模拟和设计，以及如何将本方法运用在动态动画的资源管理方面。