電子設(shè)計(jì)在虛擬角色動(dòng)畫(huà)的應(yīng)用論文
【文章摘要】虛擬場(chǎng)景中角色的三維模型，是用來(lái)描模型內(nèi)部的幾何性質(zhì)的抽象模型，這些模型被計(jì)算機(jī)以特定的信息格式將模型存儲(chǔ)起來(lái)，這種存儲(chǔ)過(guò)程被稱(chēng)為三維建模。三維建模主要處理角色的三維信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三維信息是指角色在三維空間中的形體、方位和尺寸，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是物體各分量方向的數(shù)值及其相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)今，常用的三維建模系統(tǒng)一般常用三種建模方式，即線框建模，表皮建模和實(shí)物建模。
【關(guān)鍵詞】三維建模；骨骼動(dòng)畫(huà)；設(shè)計(jì)論文
1引言
三維建模的過(guò)程涉及到表示三維信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及操縱該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。三模型的建模，需要從描述角色的形狀和外觀兩方面開(kāi)始入手。角色的形狀由構(gòu)造角色的N邊形、圓和頂點(diǎn)等來(lái)確定，角色的外觀由角色表面紋理、色彩、照明等因素來(lái)確定。同時(shí)，還要滿足建模技術(shù)的三個(gè)指標(biāo)：即交互顯示能力、交互操做能力、容易建構(gòu)的能力對(duì)虛擬角色模型的需要。通過(guò)對(duì)平臺(tái)的環(huán)境以及虛擬人物進(jìn)行歸類(lèi)，把平臺(tái)中的模型歸為兩類(lèi)：靜態(tài)對(duì)象和虛擬人物。靜態(tài)對(duì)象是指三維模型中不隨著時(shí)間改變而改變的不動(dòng)的對(duì)象，平臺(tái)中主要指沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的實(shí)體，例如模型中的大樓、礦井、樹(shù)木等；動(dòng)態(tài)對(duì)象是虛擬人物通過(guò)行走模擬真實(shí)礦工的動(dòng)作，是虛擬礦井通風(fēng)環(huán)境構(gòu)建的基礎(chǔ)，也是虛擬礦井創(chuàng)建的一項(xiàng)重要步驟。
2人物建模
虛擬人物的構(gòu)建，第一步，要作的是對(duì)骨骼系統(tǒng)模型的三維建模。三維人物建模工作是整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)工作，制作的人物模型不但要真實(shí)逼真，還要滿足平臺(tái)瀏覽即時(shí)性的特點(diǎn)。下面是整個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)中虛擬人物建模的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。在3D中，人物模型的建模是很困難的，要求用戶(hù)熟練掌握常用的建模方法和步驟，為了省去復(fù)雜的建模過(guò)程，也可通過(guò)其他人物模型來(lái)建模，隨后再將改建好的人物模型導(dǎo)入到3D場(chǎng)景中，例如提供角色建模軟件Poser，如下圖1所示。圖2是POSER軟件的起始界面截圖。它是弗朗科公司出品的一個(gè)三維人物生成模型工具，可輔助設(shè)計(jì)者生成各類(lèi)角色的圖像、視頻和角色模型。該軟件提供了各類(lèi)男模類(lèi)型、女模類(lèi)型和小孩模型和木偶形狀的骨骼。如對(duì)自有的骨骼特征不滿足，還可利用工具欄中的修改工具進(jìn)行重組。
（1）在POSER軟件中建立人物模型人物模型的創(chuàng)建是本平臺(tái)的重要技術(shù)，人物模型可以表現(xiàn)整個(gè)人物的形象程度及特色。筆者采用POSER5.0版本對(duì)人物進(jìn)行模型的創(chuàng)建。在人物模型庫(kù)中找到適合本平臺(tái)的人物身體模型，再找到恰當(dāng)?shù)哪槻亢兔l(fā)模型，將每個(gè)模型進(jìn)行整體的拼接。利用縮放，拼接，刪除等工具改變模型的原始狀態(tài)。因?yàn)镻OSER人物模型庫(kù)三維資源有限，需要通過(guò)適當(dāng)調(diào)整才能獲得合適的模型。在該軟件中調(diào)整比在3D中調(diào)整要簡(jiǎn)單一些，也為后面的蒙皮操作提供了方便。將調(diào)好的人物模型導(dǎo)出為3DMAX格式，導(dǎo)入到3D軟件中進(jìn)行調(diào)節(jié)，為了適用于特定的場(chǎng)合，從蒙皮插件中建好的人物模型需要在3D軟件中進(jìn)行模型單位的調(diào)節(jié)。本模型不必做單位縮放，隨后要用在VT軟件中可直接進(jìn)行模型的縮放操作。從蒙皮插件中導(dǎo)出的人物模型是以材質(zhì)而不是貼圖的格式進(jìn)行導(dǎo)出的。因此從蒙皮插件中導(dǎo)出的模型在3D軟件中不能進(jìn)行貼圖展開(kāi)，因此本設(shè)計(jì)用到了兩個(gè)模型，如圖3所示：一個(gè)是臉部比較清晰的人臉模型，第二個(gè)是衣服毛發(fā)完整的人物模型。在3D中將一個(gè)人物模型的下半身刪除，只留下頭部模型，與第二個(gè)模型進(jìn)行附加，就可以拼合形成了一個(gè)完整的人物模型。如圖4所示。需要特別指出的是由于在VIRTOOLS中不能導(dǎo)入高級(jí)模型，即模型面數(shù)多的模型。因此要減少模型面數(shù)，筆者在這里用到兩類(lèi)方法。一類(lèi)是利用3D自帶的編輯器進(jìn)行自動(dòng)面數(shù)修改，該功能可減少的面數(shù)百分比為：40%。參數(shù)設(shè)置下圖5所示。另一類(lèi)減少面數(shù)的途徑就是手動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)模型的頂點(diǎn)與線條的刪除合并操作。
（2）在3D中建立人物骨骼人物的骨骼是利用3D的插件CAT建立的。該插件比3D自帶的骨骼系統(tǒng)相比，能更好的模仿人體的行動(dòng)。只要直接拖動(dòng)就可建立人體骨骼。若想要增減人物骨骼的數(shù)量，可直接刪除或復(fù)制原有的骨骼部分，改變其數(shù)量即可，骨骼建模如圖6所示。為設(shè)計(jì)人物骨骼動(dòng)作與人物蒙皮，要將人物骨骼與已建好的模型進(jìn)行匹配調(diào)整，為以后的蒙皮操作做好準(zhǔn)備。主要步驟是將人物骨骼大小調(diào)整，使其與人物模型對(duì)齊。
（3）對(duì)人物骨骼進(jìn)行蒙皮對(duì)人物骨骼蒙皮用到的是3D的編輯器。選擇工具面板上的圖標(biāo)，選擇人物骨骼的根節(jié)點(diǎn)。對(duì)人物骨骼上的封套進(jìn)行調(diào)節(jié)。封套調(diào)整是人物骨骼蒙皮過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)差錯(cuò)的環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)要把整個(gè)封套包裹到自身骨骼而又不涉及其他骨骼，否則人物模型在行走過(guò)程中就會(huì)發(fā)生破面或粘連現(xiàn)象。在調(diào)整好之后，給骨骼設(shè)置一個(gè)大幅度的動(dòng)作，看模型能否露骨，系統(tǒng)平臺(tái)中的骨骼蒙皮出現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)率多。在使用3D中自帶的修改器后，找出發(fā)生錯(cuò)誤的骨骼，進(jìn)行細(xì)心調(diào)整，終因?yàn)槁豆屈c(diǎn)過(guò)多調(diào)整頻繁而放棄使用。經(jīng)多次試驗(yàn)，選用了3D技術(shù)的另一蒙皮插件進(jìn)行蒙皮。見(jiàn)圖7。打開(kāi)此蒙皮插件，在修改器菜單中出現(xiàn)此修改器。選擇面板上的將人物骨骼全部選中，細(xì)心調(diào)整。
（4）骨骼動(dòng)畫(huà)在三維建模的基礎(chǔ)上引入人物的運(yùn)動(dòng)建模，可以增加虛擬場(chǎng)景中三維模型動(dòng)作表現(xiàn)的多樣性。筆者平常立足于通過(guò)控制人物模型來(lái)完成虛擬教學(xué)的任務(wù)，因此骨骼動(dòng)作是核心技術(shù)。在人物模型動(dòng)畫(huà)中，三維模型的動(dòng)作路徑由運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型來(lái)控制。在平臺(tái)中運(yùn)用關(guān)鍵幀手段來(lái)生成人物的動(dòng)畫(huà)。第一步，確定人物角色的動(dòng)作，第二步，根據(jù)需求確定關(guān)鍵幀數(shù)，第三步，調(diào)節(jié)關(guān)鍵幀的每一幀姿勢(shì)，動(dòng)畫(huà)模塊根據(jù)關(guān)鍵幀，生成動(dòng)畫(huà)圖像序列。人是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的實(shí)體。用生理解剖的醫(yī)學(xué)角度來(lái)分類(lèi)：人體可以分為骨骼、肌肉和皮膚三部分。人體骨骼是由關(guān)節(jié)鏈聯(lián)接而成，骨骼相對(duì)動(dòng)作來(lái)說(shuō)，變形小。人體骨骼的運(yùn)動(dòng)主要是由人的肌肉收縮并拉動(dòng)附骨骼產(chǎn)生的。骨骼決定了角色的姿態(tài)。這里面只需要對(duì)人體骨骼制作關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)即可。
由于人體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜且虛擬角色是較常見(jiàn)的二足動(dòng)物，筆者運(yùn)用3D插件CAT進(jìn)行骨骼的建構(gòu)。直接通過(guò)參數(shù)的調(diào)節(jié)來(lái)確定人體骨骼的基本形狀。動(dòng)作生成運(yùn)用“關(guān)鍵幀”技術(shù)。打開(kāi)人體骨骼模型的時(shí)間軸，調(diào)節(jié)每一幀骨骼的關(guān)鍵動(dòng)作。通過(guò)此方法建立虛擬角色的動(dòng)作是比較耗費(fèi)時(shí)間的，需要逐幀來(lái)調(diào)節(jié)人體骨骼模型的每一個(gè)動(dòng)作，需要認(rèn)真細(xì)致的觀察人體模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。這樣才能使虛擬人物的骨骼模型動(dòng)畫(huà)在場(chǎng)景中始終保持一致，看起來(lái)更加真實(shí)美觀。為了讓人體骨骼模型的動(dòng)作看起來(lái)更加的穩(wěn)定和流暢，筆者利用了3D中提供的拷貝工具對(duì)對(duì)稱(chēng)的動(dòng)作進(jìn)行拷貝。此方式減少了人體骨骼模型動(dòng)畫(huà)的制作工作量。筆者用到手動(dòng)設(shè)置關(guān)鍵幀的行為，逐幀動(dòng)畫(huà)的制作是本平臺(tái)里面最耗時(shí)最難控制的模塊。具體步驟，就是在時(shí)間軸關(guān)鍵幀打開(kāi)的前提下，調(diào)整骨骼關(guān)鍵幀的位置，此步驟全憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)做。技巧是在還沒(méi)完成幀數(shù)時(shí)，建立一層保存幀，保證層與層的動(dòng)作不沖突，相互獨(dú)立。動(dòng)畫(huà)中具體動(dòng)作效果如圖9所示。
參考文獻(xiàn)
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