三维虚拟动画设计中的角色建模与行为控制

于兵科

摘  要： 针对传统三维虚拟动画模型方法中行为控制数据点识别水平低下的问题，设计一种三维虚拟动画设计中的角色建模与行为控制方法。采用动力学方式，以物理引擎为基础，建立角色骨骼模型，并采用ODE开源物理引擎模拟关节运动轨迹，完成效果的实时渲染。实验结果表明，与传统方法相比，所提方法在角色行为控制的过程中所采集到的数据点更加密集，动画效果更加逼真，具有极高的有效性及优越性。

关键词： 三维虚拟动画; 动画设计; 角色建模; 行为控制; 实时渲染; 仿真实验

中图分类号： TN911.73?34; TP391.9              文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）10?0108?03

Character modeling and behavior control in 3D virtual animation design

YU Bingke

（Xijing University， Xian 710123， China）

Abstract： In allusion to the low recognition level of behavioral control data points in the traditional 3D virtual animation model method， a method of character modeling and behavior control in the 3D virtual animation design is designed. The skeleton model of the character is built on the basis of the physics engine and by means of the dynamics mode， and the joint movement trajectory is simulated by the ODE open source physics engine to complete the real?time rendering of the effect. The experimental results show that， in comparison with the traditional method， the data points collected by the proposed method in the process of character behavior control are more intensive， and the animation effect is more realistic. It has very high efficiency and superiority.

Keywords： 3D virtual animation; animation design; character modeling; behavior control; real?time rendering; simulation experiment

0  引  言

随着人们对动画欣赏需求的增长，三维虚拟动画设计行业越发受到关注。作为计算机动画中的一个重要分支，三维虚拟动画技术主要采用计算机图像学相关处理技术对真实人事物进行模拟，设计出虚拟、抽象的内容，且无需受到空间条件的影响[1]，其被广泛应用于教育、军事、医学以及娱乐等领域。随着三维虚拟动画技术的发展进步，近年来逐渐涌现出多种优秀的动画制作软件，使三维虚拟动画的制作水平与制作效率都得到了顯著提升[2]。角色建模是三维虚拟动画设计的基础，将立体概念与平面动画融合，结合二维模型的角色特征，建立相应的三维虚拟角色模型。但三维虚拟结构无法轻易通过一个或多个图形生成，需要匹配二维动画，才能组合为完整的三维虚拟角色模型[3]。三维虚拟角色模型的建立都是从数学的角度出发，计算其矩阵及向量，利用角色轮廓线中的各个取样点所形成的曲线序列形成三维网络。虚拟角色的行为控制主要是通过关节以及骨骼动画来完成，利用人工神经网络对角色模型进行运动及其反应的控制，保证三维虚拟角色在一定范围内保持规律性运动[4]。

1  三维虚拟动画角色模型建立

为保证角色模型形态合理布线，需采用动力学方式，以物理引擎为基础，生成三维虚拟角色姿态动画[5]。角色动画与其他流体动画或变形动画不同，一般分为骨骼模型建立与外层皮肤建立两个部分。外层皮肤普遍依附于骨骼模型，并随着骨骼的运动而变化，因此，骨骼模型最为重要。骨骼模型的建立需要由关节连接组成，也就是以铰链对象作为载体，将各个骨骼模型分别连接到其本身的父骨骼，由关节模型将每一组父子骨骼进行连接，并由该关节对其父子骨骼的运动轨迹进行定义[6]。最高层级骨骼为根骨骼，其骨骼关节的旋转具有6个自由度[7]（代表着其在旋转空间内的旋转量与位移量）。通过骨骼模型结构，对子骨骼相对于其父骨骼的旋转量及根骨骼的位置进行记录，具体情况见图1。

为此采用Maya软件系统创建骨骼模型进行，并建立IK/FK转换系统以控制手臂转换，使其能够应用到任意一个角色模型中。骨骼模型创建过程如图2所示。

通过图2可知，骨骼模型的建立需借助ODE开源物理引擎模拟器对关节物理运动轨迹进行模拟[8]，并将其与角色的铰链式结构相互联系，从而控制角色的物理模拟效果，将模拟器的状态实时传递给角色关节，使其完成实时生成与渲染。其具体关系如图3所示。

由图3得知，三维虚拟动画角色与物理模拟引擎进行数据交换时，需制定模拟对象，建立动态世界容纳骨骼与关节。为预防三维动画数据混乱，需清空角色模型所在动画序列，将模拟出的三维虚拟动画存储在序列中[9]。复制模拟产生的三维虚拟角色当前状态到模拟器，根据实际需求，对其线速度及角速度具体设置，并保证角色在模拟之前所承受力与力矩皆为0。至此，角色模型建立完成[10]。

2  三维虚拟动画角色行为控制

在完成三维虚拟动画角色建模后，主要采用动作控制器生成角色行为动作，使其具有真实物理交互性，具体过程如图4所示。

对角色运动轨迹的捕获采用物理动力学方法，使角色的行为更逼真生动[11]。为使角色按实际需求完成动作，以比例微分控制器对角色控制[12]，改变角色状态的驱动力，对角色的关节施加压力，并允许用户根据该机制对控制器进行调节定制[13]。控制流程见图5。

应用反馈控制理论，其控制器代表反馈控制器，输入相关控制参数，通过虚拟角色的受控系统[14]，输出角色关节的旋转数据信息。由于反馈控制系统能够接收外界传来的信息数据，其亦可能会受外力干扰。由于每个行为姿态皆由骨骼结构的空间形态与根关节的空间平移量组成，将单位四元数与旋转矩阵相互转换，则一个单位四元数[q=w，x，y，z]所对应的旋转矩阵如下：

[M=1-2y2-2z22xy-2wz2xz+2wy2xy+2wz1-2x2-2z22yz-2wx2xz-2wy2yz+2wx1-2x2-2y2]    （1）

式中，根关节的空间平移量为[P=x，y，z]。对[q1=w1，x1，y1，z1]和[q2=w2，x2，y2，z2]两个单位四元数进行球面线性插值，得出：

[slerpq1，q2，μ=sin1-μθsin θq1+sin μθsin θq2] （2）

式中：[θ=arccosw1w2+x1x2+y1y2+z1z2]为[q1]转向[q2]的夹角;[μ∈0，1]为插值参数。

当[q2q-11=w，x，y，z]时，则[q1]与[q2]间的距离为[dq1，q2=arccos ω]。对具有n个关节的三维虚拟动画角色而言，其具有[ma=Pa，qa1，qa2，…，qan]与[mb=Pb，qb1，qb2，…，qbn]两种不同行为姿态，[ma]与[mb]两者之间的行为姿态相似度为：

[simma，mb=1-1nπi=1nωidqai，qbi] （3）

式中：[qai]与[qbii=1，2，…，n]为该三维虚拟动画角色分别在行为姿态[ma]及[mb]上的第i个骨骼关节的单位四元旋转量;[ωi]为第i个骨骼关节的运算权重;[simma，mb]的取值范围为[0，1]且[i=1nωi=1]。

计算得出，[simma，mb]的值越大，三维虚拟动画角色的行为姿态[ma]与[mb]越相似。当其之间的各骨骼关节参数完全相同，且[simma，mb]达到最大值1时，通过调整[ωi]能够计算出三维虚拟动画角色在不同骨骼部件上的相似程度[15]。当对一个行为控制序列的指定末端效应器的连续运动轨迹进行约束时，能够得到满足该约束新的行为控制序列。

3  仿真实验

为验证所提出的三维虚拟动画角色行为控制方法的有效性，对其控制过程中的数据点进行采集，并与传统方法采集效果进行比较，完成模拟实验。

3.1  实验准备

该实验选取型号为OMEN by HP Laptop 17?cb0001TX 的计算机，在计算机中设定原始数据，并利用角色行为自动控制综合应用平台，创建三维虚拟动画角色行为逻辑，并上传所得到的数据，采用传统三维虚拟动画角色行为控制方法与本文方法进行对照实验，比较两者所采集的数据点。

3.2  实验对比分析

所采集的数据点具体对比结果如图6所示。

图6a）为传统方法采集结果，图6b）为本文方法采集结果。与传统方法相比，本文方法采集的数据点更密集，因其控制点识别明显，精准度得到明显提升。为使本次实验结果的严谨性得到保障，进行多次行为控制模拟实验。反复多次实验论证得出，本文方法具有极高的有效性与优越性。

4  结  语

随着我国动画产业的不断崛起，人们对动画角色构建效果的要求不断提高，原有角色建模技术已无法满足人们的审美要求。本文对三维虚拟动画中人物建模的方法进行更新设计，有效提高人物角色画面的精细度，色彩更加丰富，人物效果更加逼真。在设计人物行为控制方法时，本文着重对控制语言与控制路径进行设计，采用二进制语言完成对动画人物的行为控制，有效提升动画人物的建模效果。

参考文献

[1] 戴敏宏，文翠，张卫国.Maya三维卡通角色建模技术在吉祥物设计中的应用[J].信息技术与信息化，2014，12（9）：177?178.

[2] 李涛涛，方雄兵，林銳，等.基于Top?down建模机制的三维虚拟人快速建模方法[J].中国舰船研究，2017，12（1）：38?44.

[3] 戴敏宏，赵宝春，马瑞智.艺用人体比例在Maya三维动画造型中的重要性[J].电子技术与软件工程，2018，6（9）：50.

[4] 李艳妮.Maya场景建模技术在泥偶动画立体造型设计中的应用[J].现代电子技术，2017，40（19）：135?137.

[5] 李默尘.微课教学模式下的Maya角色建模教学探析[J].新课程研究（中旬刊），2017，12（7）：14?15.

[6] 朱华西，邹劭芬.基于ZBrush角色建模教学过程中技巧应用的研究[J].价值工程，2015，13（23）：246?247.

[7] 叶长青，周朝阳.从游戏角色建模层次看教育游戏的发展水平[J].现代教育技术，2017，27（6）：38?44.

[8] 马亚辉，李洋.空中预警平台体系贡献率建模研究[J].数字通信世界，2018（4）：105?106.

[9] 吴丹.基于3DsMax的三维角色建模方法应用分析[J].电脑编程技巧与维护，2018，27（1）：157?158.

[10] 熊影娜，彭国贵，朱诗谣，等.普及角色建模及骨骼动画的研究[J].广东教育（职教版），2016，11（5）：85?87.

[11] 郭雪昆，陈浩，邱天，等.针对创意角色模型的蒙皮与三维制造技术[J].计算机辅助设计与图形学学报，2017，29（7）：1177?1185.

[12] 罗陆锋，邹湘军，程堂灿，等.采摘机器人视觉定位及行为控制的硬件在环虚拟试验系统设计[J].农业工程学报，2017，33（4）：39?46.

[13] 孙伟，王淑礼.基于整数线性规划的角色挖掘建模方法[J].信阳师范学院学报（自然科学版），2017，30（2）：299?303.

[14] 韩莹，苏鑫昊，王帅.基于3DsMax与Unity3D三维高层火灾逃生场景建模[J].信息与电脑（理论版），2017，12（6）：94?96.

[15] 王迪.基于计算机三维动画建模技术的中国皮影艺术新传承[J].电脑知识与技术，2017，13（3）：217?219.