基于数字媒体技术的微动漫设计系统

曹锋

摘  要： 针对传统的动漫设计系统设计的作品存在大量丢帧现象的问题，设计基于数字媒体技术的微动漫设计系统。在原有系统硬件基础上，改进了相关硬件的配置。在硬件部分的基础上，设计系统的软件部分。使用数字媒体技术处理微动漫的设计底稿图像。根据处理后的图像对微动漫的角色和场景等对象建模，结合配音、音效等，输出微动漫作品，完成基于数字媒体技术的微动漫设计系统的设计。通过与传统的动漫设计系统的对比实验，证明基于数字媒体技术的系统能够有效解决传统系统设计作品存在大量丢帧的问题，提高了动漫作品品质，具有广阔的应用前景。

关键词： 微动漫设计; 数字媒体技术; 软件设计; 图像处理; 场景建模; 对比实验

中图分类号： TN02?34; TP391                    文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）19?0053?05

Abstract： A micro animation design system based on digital media technology is designed due to the problem that the traditional animation design system has a large number of missing frames. On the basis of the original system hardware， the configuration of related hardware is improved. The software part of the system is designed according to the hardware part. The design manuscript images of micro animation are processed with digital media technology. According to the processed images， the characters and scenes in micro animation were modeled. The design of the micro animation design system based on digital media technology is completed in combination with dubbing and sound effect， and then the micro animation works are outputted. The result of experiment comparing with the traditional animation design system proves that the system based on digital media technology can effectively eliminate frame loss existing in the traditional system design works， can improve the quality of animation works， and has a broad application prospect.

Keywords： micro animation design; digital media technology; software design; image processing; scene modeling; contrast experiment

0  引  言

动漫产业是“新兴的朝阳产业”，随着手机等便携设备的不断升级，以及互联网的快速发展，微动漫应运而生。微动漫是用简洁夸张的手法来描绘或演绎生活与社会时事，通过多种方法使观众在娱乐的同时领悟到微动漫作品想要表达的深刻含义，微动漫产品与新媒体传播技术的有机结合，推动了微动漫产业向前发展[1]。传统的动漫设计系统在制作微动漫产品时会出現一定的丢帧现象，存在应用上的缺陷。

数字媒体技术是一种综合信息应用技术，在许多设计行业中有广泛应用[2]。数字媒体技术已经应用于传统的动漫行业，在设计和制作动漫产品的过程中，应用数字媒体技术可以提高动漫作品的质量，给观众更好的观看体验。基于以上分析，本文将设计基于数字媒体技术的微动漫设计系统。

1  基于数字媒体技术的微动漫设计系统硬件设计

本文设计基于数字媒体技术的微动漫设计系统的硬件部分，在原有设计系统硬件部分的基础上，对硬件配置进行改进，具体的微动漫设计系统硬件配置如表1所示。

按照表1对基于数字媒体技术的微动漫系统硬件部分设计完毕后，在此基础上设计微动漫设计系统的软件部分。结合系统的硬件和软件部分，实现该系统的目标功能。

2  基于数字媒体技术的微动漫设计系统软件设计

基于数字媒体技术的微动漫设计系统是将动漫设计师的设计稿输入系统中，使用数字媒体技术处理动漫底稿图像后，再根据处理后的底稿建模完成微动漫的设计。

2.1  数字媒体技术处理动漫底稿图像

动漫设计底稿是由设计师手绘的以线条表现动漫角色，以颜色表现动漫角色和场景的粗略设计图。在使用设计系统设计微动漫作品时，将底稿通过扫描仪输入系统中，使用数字媒体技术在系统中对其做一定的处理。

首先使用傅里叶变换处理图像，降低图像的处理复杂度。使用直方图拉伸含有背景的底稿图像，使动漫角色与环境的区分度增加。为避免图像处理过程中，使图像丢失细节，根据图像退化机制，采用维纳滤波恢复方法恢复图像[3?4]。

初步处理图像后，为方便根据底稿图像建模，提取图像特征。使用颜色直方图统计检索图像颜色特征。即对底稿图像分块，以分块后每一块的平均颜色、标准方差、非对称性三次根作为图像的分布特征描述。提取和分析分块图像特征，得到底稿图像根据颜色分布特征的向量序列[5?6]。

提取图像颜色特征后，为使建模后的动漫形象和场景更为真实，使用共生矩阵法提取图像的纹理特征。设[I（x，y）]是经过之前处理后的底稿图像，若其灰度级为[N]，取图像中的两点[（x，y）]和[x+x1，y+y1]，两点的灰度值为[（g1，g2）]，则在底稿中灰度值[（g1，g2）]共有[N2]个组合[7?9]。将这些灰度值组成一个[N×N]的矩阵，归一化处理后，由选择各灰度组合的概率[P（g1，g2）]生成如下式所示的灰度共生矩阵：

根据灰度共生矩阵，将底稿图像生成对应的矩阵，设置多个方向作为矩阵的扫描方向[10]。扫描每一方向的灰度共生矩阵，都得到其对应的一个特征向量。通过各个方向上图像纹理的特征向量均值和方差，表述整个动漫底稿图像的纹理特征。完成对底稿图像的纹理特征提取。根据对底稿图像的处理结果，对微动漫中的角色和场景等对象建模处理。

2.2  动漫对象建模设计

在一部微动漫作品中，主要有动漫角色和动漫环境两个部分。微动漫作品的制作流程通常是设计师设计出微动漫的每一个场景初稿，然后在设计系统中对初稿开展多次调整，再根据设计稿建模，得到最终的作品[11]。动漫角色是一个作品的灵魂，本文采用群体模型生成方法实现对动漫角色的建模。

在专用的建模软件中，根据设计稿完成初步的角色模型建立，使用遗传算法对初代模型的结构线做缩放比例调整[12?13]，以初代模型为遗传算法的父代，按照图1所示流程，提取父代角色模型的曲线，执行交叉操作后，生成子代模型曲线。再对子代模型曲线执行变异操作，生成又一子代模型。反复上述过程，直至模型建立完毕。

由于动漫角色要连接两个或多个场景，因此，对动漫角色在作品中的路径需要做一定的规划[14]，本文采用改进后的PSO算法规划和设计动漫角色的路径。PSO算法的执行过程如下：

初始化粒子数据：动漫角色数目、群体的迭代代数、（即场景次数）、角色在相连场景中的位置点、阈值和各角色在场景的初始位置范围等参数。执行以下程序（仅部分主要程序）：

while do //当前粒子的迭代次数未达到设定的阈值

{

if 本次角色位置的迭代次数小于目标位置的迭代次数

{

初始化所有粒子的最大值;

计算粒子在新位置的适应度数值;

结合粒子更新速度，确定粒子下一迭代位置;

string edit geometry; //角色几何体位置描述

再次迭代粒子位置;

判断粒子是否位于目标位置;

}

end //结束路径规划

}

粒子的更新速度计算公式如下所示：

式中：[max=maxp1d，p2d，…，pnd]表示粒子的最优值;[min=minp1d，p2d，…，pnd]表示粒子的最差值;[n]為粒子的数目;[pid] 表示第[i]个粒子在[d]维空间上的最优值[15]。规划好动漫角色的路径后，对角色所在场景建模。每一场景的中心以角色所在位置为场景的定位点。结合设计稿中动漫角色与场景的时空关系，按照如图2所示的多层次建模示意图完成场景的建模。

根据上述过程对动漫场景建模后，将角色建模与场景建模组合。将组合后的动漫对象按照设计顺序，结合配音、音效等，输出成品微动漫作品。至此，完成了对基于数字媒体技术的微动漫设计系统设计。

3  系统测试实验

本文设计了基于数字媒体的微动漫设计系统，为了测试该设计系统的可行性，进行实验验证。

3.1  实验内容

实验选择USAnimation软件作为实验数据生成平台。基于USAnimation软件，由专业的动漫从业人员绘制微动漫底稿，并将底稿数据导入计算机虚拟实验环境中。实验采用对比验证的形式，测试组为本文设计基于数字媒体技术的微动漫设计系统，对照组为传统动漫设计系统。

实验的测试对比指标为系统制作微动漫时数据帧的完整性，即制作的微动漫作品的丢帧率、设计底稿动漫角色的行为控制准确率以及对底稿数据的渲染性，即制作微动漫作品所展现出的色彩、质感、光线等视觉效果。

实验数据为一个具有多个场景的微动漫底稿，将该底稿输入测试组和对照组两个设计系统中。两个系统分别根据设计底稿输出微动漫作品。统计作品中每一场景数据帧的完整率，计算平均值后，以平均值为衡量两组系统的数据指标，统计作品中不同时间点的角色运动行为控制情况，对比两种系统角色控制准确率，将作品底稿分配到两个系统进行场景渲染，对比单机渲染的耗时情况。

在实验测试过程中，控制除实验变量以外的测试条件不变，完成测试内容，记录两个系统的测试数据。分析测试数据得出对应的实验结论。

3.2  实验结果

实验结果如图3所示。图3a）和图3b）分别代表两个设计系统设计制作的微动漫作品所有场景的平均丢帧率。

分析图3可知，图3a）中的丢帧情况要明显多于图3b）中丢帧情况。图3a）中严重的丢帧情况会影响设计的微动漫作品的连贯性;图3b）中的丢帧情况，对于实验测试选用的多个场景的设计底稿来讲，不会影响动漫作品的连贯性。

在计算所有场景平均丢帧情况时，对照组系统在制作其中两个场景时存在严重丢帧情况，实际播放对照组的作品时，由于丢帧造成场景不连贯，影响了用户的观看体验。测试组系统的作品存在轻微的丢帧情况，但不影响微动漫的播放。

综上所述，本文设计的基于数字媒体技术的微动漫设计系统，能够有效解决传统动漫设计系统存在的丢帧率高的问题，具有更好的行业应用前景。

由于角色控制是微动漫设计系统的一个关键评价元素，角色控制准确率越高，系统所呈现的动漫展示效果越好，为此选取底稿角色控制的准确率作为系统评价指标。两种系统的角色运动行为控制准确率比较结果如图4所示。

分析图4可知：在15 s之前，两组系统的角色行为控制准确率均呈现上升趋势，在15 s时，测试组系统和对照组系统角色运动行为控制均达到最高点，测试组系统为84%，对照组系统为34%;15 s之后，两组系统的角色行为控制准确率均呈现下降趋势，测试组系统最低下降至时间点30 s时的65%，对照组系统最低下降至时间点30 s时的9%。

实验结果表明，实验组系统角色控制准确性显著高于对照组。原因在于本文系统对动漫对象进行建模处理，有助于动漫角色控制，提升了角色运动行为控制准确率。

由于动漫角色渲染时会花费大量时间用于微动漫场景的参数设置以及复杂动作流程设计，所以系统渲染耗时情况是衡量系统好坏的标准之一。

两种系统的单机渲染耗时情况如表2所示。

分析表2 数据可知，测试组系统的渲染速度远远高于对比组系统，测试组系统渲染耗时仅为对比组系统的20%，原因在于测试组系统有效利用了数字多媒体技术，提高了动漫作品的质量，给观众更好的观看体验的同时，合理、动态、弹性分布渲染节点，极大程度地缩减了渲染耗时。

两个系统设计下的微动漫第20帧的设计效果图如图5所示。

分析图5可知，测试组系统的微动漫第20帧设计效果无论是色彩饱和度还是视觉感受远远高于对照组。结果表明，本文微动漫设计系统最终设计效果更好。

4  结  语

动漫产业是文化创新产业的重要组成部分，优秀动漫作品的影响力可以辐射全球。本文设计了基于数字媒体技术的微动漫设计系统，并通过与传统的动漫设计系统的对比实验，证明了本文设计的基于数字媒体技术的微动漫设计系统能够有效减少丢帧，提高了动漫作品品质，具有广阔的应用前景。

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