现代艺术设计系统中的三维动画处理技术研究

张路

摘  要： 在原有现代艺术设计系统三维动画处理技术应用的过程中，常出现动画着色渲染效果较差的问题。针对上述问题，设计新型现代艺术设计系统中的三维动画处理技术。使用PCA图像特征提取技术获取图像特征点，在原有图像预处理过程的基础上，增加着色渲染强化步骤，并对着色渲染后的图像展开验证环节，保证渲染的效果。引用腳本语言插件，在原有系统中设定动画脚本语言控制动画处理过程，增加相应的功能模块并引用三维动画引擎实现其功能。至此，现代艺术设计系统中的三维动画处理技术设计完成。为保证设计结果的有效性，选取测试平台，设定测试样本。与原有处理技术相比，此处理技术的图像着色渲染结果与样本较为一致，而原有技术处理后的图像色差较大且边缘模糊，综上所述，所提动画处理技术效果更佳。

关键词： 现代艺术设计; 三维动画技术; 图像处理; 特征提取; 着色渲染; 动画处理

中图分类号： TN911.73?34; TP379                    文献标识码： A                 文章编号： 1004?373X（2020）17?0043?04

Abstract： The poor color rendering effect often occurs in the application of 3D animation processing technology in the original modern art design system. In view of the above problem， a new 3D animation processing technology is designed for the modern art design system. PCA image feature extraction technology is used to obtain image feature points. On the basis of the original image preprocessing， the enhancement steps of color rendering are added， and the verification link of the rendered image is expanded to ensure the rendering effect. The script language plug?in is imported to set animation script language in the original system to control the animation processing procedure. Some corresponding function modules are added and the 3D animation engine is used to realize their functions. So far， the design of 3D animation processing technology in modern art design system has been completed. In order to ensure the effectiveness of the design results， the test platform is selected， and the test samples are set up. In comparison with the original processing technology， the effect of the image color rendering of this processing technology is more consistent with that of the sample. The color difference of the image processed by the original technology is large and the color edge is fuzzy. Anyway， the proposed animation processing technology has a better effect.

Keywords： modern art design; 3D animation technology; image processing; feature extraction; color rendering; animation processing

0  引  言

自计算机技术与三维技术诞生以来，艺术设计与三维设计技术逐步融合，产生现代艺术设计理念[1?2]。现代艺术设计在不断发展的过程中，设计师队伍逐渐壮大，现代设计产业迅猛发展，设计观念也在不断更新。近年来，现代艺术设计应用的范围逐渐增加，从传统的动画、影视制作逐渐走向教育、生产方向，为保证现代艺术设计运用的效果，在以往的研究中设计出多种艺术设计系统[3]。但随着三维技术的不断进步，传统系统无法适应三维动画技术的要求，常出现三维动画着色渲染效果不佳的问题。就目前现代艺术设计系统的发展前景而言，这是一个急需解决的问题。因而，在此次研究中，将就现代艺术设计系统中的三维动画处理技术展开研究。

三维动画技术是一种以计算机图形学为基础的综合计算机学科，它是集心理学、数学等多种学科融为一体的新型技术，实现了从传统静态图像技术向实时图像技术的转变[4?5]。三维动画技术中主要包括动画控制技术、三维造型渲染和合成等技术。近年来，三维动画是国内外计算机应用中非常热门与广泛的领域之一，将此技术应用于现代艺术设计系统之中，可有效提升艺术设计效果，保证现代艺术设计的优越性。

1  三维动画处理技术设计

在原有的现代艺术设计系统中，由于三维动画处理技术与系统硬件之间不匹配，造成了动画渲染效果较差的情况[6?8]。针对此现象，本文设计中将着重对脚本语言以及三维动画引擎进行设定，提升系统着色渲染性能。在此次设计的过程中，通过以下流程保证设计的顺序与可行性，具体流程如图1所示。

使用以上流程完成此次设计。在此次设计中引用的三维动画引擎为高性能高集成的引擎，使用其实现现代设艺术设计系统的基本性能，此次设计的基础为现代艺术设计系统，所有技术的实现以原有系统硬件与此次研究中引用的设备作为基础。

1.1  提取动画特征点

在特征点提取的过程中，采用PCA图像特征提取技术，将图像设定为[x×y]阶的图像协方差矩阵[9]，以此降低特征值与特征向量计算的时间，提升特征点的获取速度，保证计算过程中可以更加有效地获取图像数据。设定[Q]为一个具有[n]种维度的列向量，动画[D]通过公式[T=QD]投影在列向量中，其中动画[D]设定为图像矩阵，在列向量中得到的横向投影向量[10]为动画的投影特征向量。根据对以往文献的研究可知，在投影中图像分散度越高，投影向量对图像的分辨能力越好，所以，投影特征向量的协方差矩阵的轨迹可用于投影图像分散程度。通过公式可以表示为：

当上述公式得到最大值时，可得到相应的动画协方差公式[w（Q）=xGeD]，其中，[x]为归一化列向量，[Ge]为列协方差。归一化处理后，[w（Q）]为动画[D]的投影集，此投影集为正交关系，则有：

当投影后满足上述要求时，可得出相应的特征向量提取公式，具体如下所示：

通过以上公式获取原始图像的特征向量，并将其组成为动画的特征向量，并以此作为动画处理的基础信息。

1.2  完成动画预处理

将获取到的动画特征点，采用三维动画技术中的相关技术完成动画的预处理过程，在原有的三维动画预处理过程中，包含对原始图像的去噪、特征点顶点设定、图像的颜色分析与设定、图像纹理处理等多方面工作。此次设计中，针对原有动画处理技术的问题，在预处理工作中增加相关内容，其余部分沿用原有技术中的设定，具体情况如图2所示。

在此次设计中，将预处理过程设定为一种二维图像向三维动画的转变过程，将此过程设定为固定的流水线，具体如图2所示。保证在预处理的过程中，每一步骤都具有输入与输出。将预处理过程设定为特征点转换、图像组合以及光栅化、插值以及贴图[11?12]、着色渲染等环节。将第一部分中获取到的特征點采用数据处理的方式，转换为模型的坐标系，然后采用光栅化处理完成动画着色与渲染，这是动画处理过程中的重要步骤，需要对每一部分的原始图像进行检查与修复，保证图像的有效性。将动画图像与数据模型进行整合，通过使用帧缓存写操作完成对预处理后的图像存储工作，保证动画着色渲染效果。

1.3  设定脚本语言

通过以上设计完成三维动画处理技术的基础设计，为保证其在现代艺术设计系统的可操作性，通过设定脚本语言完成对其的控制。在原有艺术设计系统中增加脚本语言插件，提升系统对三维动画处理技术的控制能力。

常用的脚本语言插件种类较多，包括扩展型插件、帮助型插件、几何体插件等，根据现代艺术设计系统的特征，此次设计中选用扩展型插件，即maxscript插件[13]，完成脚本语言的设定工作。插件的整体功能设定如图3所示。

采用以上插件设定脚本语言，在脚本语言中采用VC++语言完成辅助设计，将脚本语言设定为以.ms为扩展名的文件，直接复制在现代艺术设计系统中，至此脚本语言设定完成。

1.4  引用三维动画引擎

采用脚本语言完成对三维动画处理技术的控制，为保证其艺术设计系统的运行效果，引用三维动画引擎辅助系统实现相应的模块功能。在原有的艺术设计系统中增加动画管理模块[14?15]、渲染管理模块、基础图元管理模块、资源管理模块，将设定后的三维动画引擎的位置设定如图4所示。

将三维动画引擎按照上述设定安装至现代艺术设计系统中，通过动画引擎完成三维动画处理过程，并将处理后的结果通过原有系统硬件显示。至此，三维动画处理过程完成。

2  性能测试分析

通过上述部分完成现代艺术设计系统中的三维动画处理技术设计，保证此次设计结果可有效解决原有技术无法解决的问题，进行测试完成性能研究。

2.1  构建测试环境

在此次测试中将本文设计技术与原有技术、基于数字信号处理的三维动画处理技术分别应用于现代艺术设计系统之中，并对比不同技术的动画处理过程中脚本语言对动画的控制能力，通过动画渲染效果体现。在此次测试中，对现代艺术设计系统运行平台进行设定，具体内容如表1所示。

通过以上平台条件实现艺术设计系统的运行，并以系统为测试的基础设备，将测试样本图像带入系统中，完成三维动画处理过程，获取动画着色渲染结果。此次测试的重点为三维动画的渲染效果，因而，测试中的样本分别设定为三维动画人物形象与三维动画场景，将设定好的样本形象采用本文设计技术、原有技术、基于数字信号的处理技术分别展开处理，对比不同技术的处理结果，将所得结果通过图像显示，对比各技术之间的差异，以此完成测试过程。测试样本图像设定如图5所示。

采用以上图像完成此次测试，在测试中只对比动画着色渲染结果，其他差异暂不计入。

2.2  结果分析

采用以上设定完成测试，测试结果如图6所示。

将样本图像输入现代艺术设计系统中，使用原有处理技术、本文技术与基于数字信号处理技术对图像进行处理，所得结果如图7所示。在测试结果中可以直观发现，原有处理技术与基于数字信号处理技术处理后的图像与样本的色差较大，本文技术处理后的图像与样本颜色基本一致。将图像放大后，原有技术与基于数字信号处理技术处理后的图像边缘较为模糊，本文技术处理后的图像边缘较为清晰。由此可知，本文技术的渲染效果优于原有技术与基于数字信号处理技术。综上所述，本文技术性能优于原有技术与基于数字信号处理技术，与现代艺术设计系统的贴合度更高。