基于视觉传达的多角色虚拟人物三维融合系统设计

梁志慧 郑文锋

摘  要： 为了提高多角色虚拟人物三维仿真设计的可视化效果，综合利用视觉传达设计中的VR技术、传感器技术以及虚拟人技术，建立以虚拟人物三维模型为基础的基于视觉传达的多角色虚拟人物三维融合系统。采用三维仿真渲染工具Vega Prime进行多角色虚拟人物三维造型模块创建和虚拟场景仿真，然后设计了多角色虚拟人的运动算法，最终达到了用户、三维仿真场景以及多角色虚拟人物之间的融合。仿真实验结果表明，采用该系统进行多角色虚拟人物三维融合设计的可视化效果较好，满足特殊角色人物三维造型设计要求。

关键词： 三维融合系统; 虚拟人物; 视觉传达; 系统设计; VR技术; 仿真实验

中图分类号： TN911.73?34; TP39                文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）04?0117?03

Design of multi?role virtual character 3D fusion system based on visual communication

LIANG Zhihui， ZHENG Wenfeng

（Wuzhou University， Wuzhou 543002， China）

Abstract： On the basis of 3D model of virtual character， a multi?role virtual character 3D fusion system based on the visual communication is established with the VR technology， sensor technology and virtual human technology in the visual communication design， so as to improve the visualization effect of multi?role virtual character 3D simulation design. The construction of 3D modeling modules of multi?role virtual characters and the virtual scenes simulation are performed with Vega Prime， a 3D simulation rendering tool， and the motion algorithm of multi?role virtual character is designed， so as to achieve the fusion of users， 3D simulation scenes and multi?role virtual characters. The simulation results show that the visualization effect of multi?role virtual character 3D fusion designed with this system is well， which can meet the requirements of 3D modeling design for special role character.

Keywords： 3D fusion system; virtual character; visual communication; system design; VR technology; simulation experiment

随着虚拟现实和三维仿真技术的发展，使用虚拟现实技术进行多角色虚拟人物造型设计，能够多角度展示虚拟人物的三维造型[1]。现存系统中，对虚拟人物三维仿真设计的虚拟重建方法主要有点云融合、角点检测以及图形图像处理方法等[2]。其中，文献[3]提出基于VR技术的虚拟人物三维仿真设计方法，采用B/S架构进行多角色虚拟人物三维仿真设计模型的VR渲染和三维场景建模，在嵌入式Linux中完成虚拟人物三维仿真设计软件开发，但该系统进行虚拟人物三维仿真设计中存在一定程度上比例失真，致使设计的虚拟人物逼真度不高。文献[4]提出基于三层体系结构的虚拟人物三维融合系统。该系统在人机交互环境下实现对多角色虚拟人物的综合设计，提高不同角色的虚拟人物在三维仿真场景下的沉浸感，但该系统对多角色虚拟人物设计实时处理性能不佳。

针对以上问题，本文引入视觉传达设计理念，提出基于视觉传达的多角色虚拟人物三维融合系统。实验结果表明，所设计的三维融合系统在优化多角色虚拟人物三维仿真设计性能，以及提高虚拟人物多角色逼真度等方面具有优越性能。

1  多角色虚拟人物三维融合系统设计

1.1  设计原理

基于B/S構架进行多角色虚拟人物三维融合系统总体设计构架构建[5]，在嵌入式软件环境、B/S构架中进行多角色虚拟人物图像信息处理和界面的信息交互开发，建立多角色虚拟人物塑造的影像处理系统。采用相关软件开发进行多角色虚拟人物塑造的网格化纹理渲染，选取MBM29LV400BC[6]作为系统逻辑译码控制组件，完成对虚拟人物多角色塑造的界面交互性处理。结合嵌入式总线控制技术，提高多角色虚拟人物塑造过程中的信息整合以及相关特征融合能力。

1.2  多角色虚拟人物造型设计模型总体建模

多角色虚拟人物塑造模型可划分为图像处理模块、图片编辑模块、图像三维重构模块、程序驱动加载模块、图像3D渲染模块及虚拟现实虚拟仿真模块。利用嵌入式总线控制技术完成多角色虚拟人物设计的总线传输调度和信息采集。基于以上分析，本文构建的多角色虚拟人物塑造模型总体结构如图1所示。

2  三维虚拟场景的构建及渲染

2.1  三维虚拟场景的构建

使用体绘制方法进行多角色虚拟人物塑造过程中的纹理渲染，在观测体（Viewing Volume）模型中构建虚拟场景数据库，将虚拟场景数据库中多角色虚拟人物构造信息经渲染指令实现相关程序输出控制[7?8]，有效提高多角色虚拟人物三维塑造模型控制能力。

2.2  程序输出控制

使用相关纹理渲染技术和三维场景数据库模型构建方法进行多角色虚拟化特征绘制和可视化环境设计。在多角色虚拟人物塑造阶段建立模型数据库，使用0penFlight数据库进行多角色虚拟人物三维仿真设计中点云重构，虚拟人物三维仿真点云数据库是整个模型构建根本。使用Multigen Creator 3.2构建模型，三维仿真场景数据库中的多角色虚拟人物塑造数据信息根据系统渲染指令实现相关程序输出。将多角色虚拟人物的三维仿真模型载入Vega Prime中，结合场景视化程序构造多角色虚拟人物三维仿真模型开发库，采用Matlab编程工具实现多角色虚拟人物三维仿真模型的三维开发[9]。使用三维可视化渲染工具Vega Prime进行虚拟人物多角度三维仿真设计的功能系统构建及视景仿真，建立相关程序输出控制模块，在输出端完成虚拟人物三维仿真设计的视景仿真。采用套接字构建网络连通系统，完成网络控制和程序加载，具体过程如图2所示。

3  多角色虚拟化身运动建模与分析

3.1  虚拟化身的运动学建模

本文所采用的三维仿真场景中，将不同角色虚拟人物视为OSG的一个节点，该节点可发生水平、垂直、旋转运动，仅需变换虚拟人物最小单元的顶点坐标[10]，就可实现不同角色虚拟人物的移动。设定虚拟人物可变换最小单元某一点坐标为[（X，Y，Z）]，根据该坐标可创建虚拟人物抽象运动模型，即：

[x=V（t）cos（θt）dty=V（t）sin（θt）dtz=const-high] （1）

式中：[θ]表示三维虚拟人物运动变换角度;[V（t）]表示虚拟人物当前运动速度;[x]，[y]分别表示该人物在三维场景中的质心位置;[z]表示与其相关的另一虚拟人物的高度。

3.2  三维虚拟人物的运动

在虚拟场景中，由点构成的三维虚拟人物根据轨迹做直线运动或转弯运动，设定该人物在虚拟场景中的当前位置坐标为[（x，y）]，其偏转角度为[θ]，直线运动模型如图3所示。

在三维虚拟场景的某个拐点处，采用线段分解方式将虚拟人物执行的转弯运动调整成直线运动，但这种突发性转换容易产生画面抖动。因此，本文采用圆弧形运动方式，当发生突发性转换时，保证观察者观察到的画面仍然流畅。转弯运动模型如图4所示。

图4中，[r]表示转弯半径，运动时长为[Δt]时，转角为[θ]，此时该虚拟人物的质心位置更新为：

[x′=x+r·cos θy′=y+r·sin θθ=180°·V（t）·Δt（2πr）] （2）

半径[r]为：

[r=2P（P-c）（P-b）（P-c）（a+b+c）P=（a+b+c）2] （3）

式中，[a]，[b]，[c]分别表示虚拟人物可变换最小单元三个边的长度。

3.3  虚拟人物多角色协同与场景融合

将不同虚拟人物的运动变换融合到一个三维虚拟场景中，虚拟人物的角色要在行为上协同工作，以免发生运动冲突。因此，需要先获取三维虚拟场景的移动路径参数，对不同移动路径做好规划，为不同角色虚拟人物划分与其行为相应的移动路径。依据式（4）可给出不同角色的虚拟人物移动轨迹限制关系：

[Dobj=min f（x，y）=（x-x1）2+（y-y1）2]  （4）

式中，[min f（x，y）≥max[Z1，Z2]2]，即不同角色之间的阈值为最高的那个角色的[12]高度。

考虑到虚拟人物角色的多样性、三维场景的复杂性，以及不同角色之间协同运动时的空间限制，利用有限状态机自适应决策不同角色的虚拟人物在各段移动轨迹上的移动决策策略。

4  测试结果与分析

采用某游戏公司提供的多种角色测试本文提出的基于视觉传达的多角色虚拟人物三维融合系统设计方法。实验环境为Windows 7操作系统、4 GB内存、Intel Core i5?3470处理器、Matlab R2012a软件。图5为本文系统多角色虚拟人物的最终融合效果。

表1给出本文系统、文献[3]系统、文献[5]系统多角色虚拟人物三维融合时间对比结果。

分析上述多角色虚拟人物三维融合实验结果表明，本文系统可在短暂的时间内快速根据已有的三维场景中的虚拟人物角色模型，构造出多种类型的新角色虚拟人物。这些虚拟人物角色模型已经得到合作的动漫公司相关部门专业人员的认可，可达到实际动画场景使用的要求。

5  结  语

本文研究基于视觉传达的多角色虚拟人物三维融合系统，提高虚拟人物三维仿真设计的逼真程度。结果表明，本文系统进行多角色虚拟人物三维融合的输出性能较好，可在短暂的时间内快速根据已有的三维场景中的虚拟人物角色模型，构造出多种类型的新角色虚拟人物。

参考文献

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[2] 崔丽.VR虚拟现实技术在三维游戏设计中的开发与实现[J].电视技术，2018，42（5）：49?53.

[3] 杜召平，杜艳.一种基于虚拟仿真技术的三维态势显示系统设计[J].舰船科学技术，2018，40（9）：141?143.

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