基于计算机辅助设计的二维手绘动画数字化实现

秦祯研,姚 远

(安徽建筑大学,安徽 合肥 230022)

引言

手绘动画制作本质上是一个图形序列的创建过程[1]。现如今手绘动画的数字化制作已经成为动画市场的大势所趋,数字化处理就是将多个复杂的信息转化为可以度量的数字,再以这些数据建立对应的数字化模型,将其转化为二进制代码导入到计算机内部,统一输出可视化结果。通过数字化技术与动画艺术的结合,不仅可以降低人工手绘动画的工作量,而且可以提升二维动画的观感效果,拓宽二维动画艺术的表现空间[2]。

当前针对二维手绘动画数字化处理方法的研究已经得到了初步的研究成果,其中主要包括基于数字技术的二维动画数字化处理方法、基于Flash 技术的二维动画数字化处理方法等。然而在实际的二维手绘动画的制作过程中,利用现有的数字化处理方式存在动画效果不佳、质量差的问题[3]。

为此引入计算机辅助设计技术,利用计算机及其图形设备,搭建数字模型,制作静止状态下的初始图像,将初始绘制的二维手绘动画图像转换成数据形式,实现曲线与曲面的参数化转换。采用计算机辅助设计技术,将静态图像导入平台界面中,标记为关键帧,确定两个关键帧之间的对应关系,自动生成中间画面,实现二维手绘动画的数字化处理。在提升动画分辨率和动画连续性效果的同时,保证了二维手绘动画数字化实现效果。

一、二维手绘动画数字化设计方法

二维手绘动画的数字化处理方法就是突破传统手绘动画的局限性,利用计算机技术自动生成对应的二维动画图像。由此可以确定一般二维手绘动画数字化的处理过程如图1 所示。

图1 二维手绘动画数字化处理流程图

按照图1 中表示的处理过程,运用计算机辅助设计技术丰富二维动画的绘图功能,在计算机界面的任意位置上绘画初始图形,也可以在图库中提取初始图形,结合动画的故事情节以及人物角色生成运动实体的各个实体图像,并锁定对应的图层[4]。通过对动画模拟命令的调用,确定动画的终端或运动终点,查看图形和相关的数字化参数。通过对二维手绘动画的数字化处理,可以通过改变动画的实时参数来调整动画的实际动作和移动位置,实现二维动画效果的精细化。

1.搭建数字模型

数字模型是指利用三维技术,构建三维场景和人物,在虚拟场景中自由穿梭,没有任何的约束,提高动画的连续性效果。

数字模型的搭建分为两个部分,一个是二维手绘人物角色数字模型,主要就是搭建人物角色的身体结构模型,另一部分是建立不同动画场景下的场景模型[5]。其中人物角色模型主要根据人体结构中关节点之间的关系搭建的,将二维动画图像中的旋转点作为人物角色的骨骼关节点,以腰部为根节点,构建关节点树并得出对应的关节点集合表达式为:

G={(x1,y1),(x2,y2),…,(x8,y8)},(xi,yi)∈G,i=[1,8]

(1)

公式(1)中,(xi,yi)表示的是图像中不同关节对应的位置坐标。动画角色身体元件位置模型信息的存储数据如表1 所示。

表1 人物角色身体关节位置信息表

在实际的动画制作过程中可以通过调整各个关节的位置,完成数字模型的构建。

2.制作二维手绘动画静态图像

在开始二维手绘动画的数字化处理之前,首先需要制作二维手绘动画静态图像作为数字化处理的图像基础[6]。结合动画内容与动画中的角色、风格、故事结构以及整体气氛完成二维手绘动画的前期制作。

在计算机环境下得出静止状态下的初始图像,静止图像的绘制分为动画角色图像绘制、空间场景图像绘制两种类型。无论哪种类型采用的都是笔式交互的手绘处理方式,用户借助数绘板输入设备,直接操作手绘笔完成始末角色关键帧和控制曲线的绘制、路径曲线和标识曲线的指定工作。二维手绘的人物角色静态图像制作结果如图2 所示。

图2 计算机人物角色动画描线

3.二维手绘动画坐标系建立与变换

在空间场景的静态图像制作过程中,首先按照故事情节需要选择合理的布局方式,并对需要进行的空间布局进行定量计算[7]。定量计算是将布局应用到场景可用空间中,计算出布局在场景可用空间中的实际位置,然后将场景中的无碰撞物品放入搭建的场景模型中。计算空间布局在可用空间SP_angry_mm_A 中的实际位置如图3 所示。

图3 空间布局坐标标记图

从图3 中标记了三个区域视图的中心点(x1,z1) 、(x2,z2)和(x3,z3)以及最外侧的布局中心点(x,z)。那么点(x1,z1)到布局X负方向边之间的距离可以用公式2 计算。

(2)

公式(2)中,D表示的是布局点在X方向上的宽度。计算各个布局点的横纵比值,求出动画场景中各个物体在SP_angry_mm_A 中的横纵坐标[8]。将制作完成的二维手绘动画静态图像存储到动画数据库中,方便实时调用。

曲线与曲面的参数化转换是将初始绘制的二维手绘动画图像转换成数据表示方式,利用数学表达式及其参数来进行曲线和曲面的建模表示。利用计算机辅助技术提供的对话框控制技术,制作一个参数输入对话框,设置程序初始参数,使用户输入的参数同时赋给所需变量[9]。在曲线与曲面的转换过程中需要考虑动画的走向,保证整个动画中的左右动作都在场景范围内,针对关节角度、非相邻控制点距离进行约束,最终初始静态动画图像经过转换后,将转换结果按照图4 表示的过程存储在知识数据库中。

图4 曲线参数化转换示意图

同理可以得出曲面的参数化转换结果,按照相同的格式存储到对应的数据库中。

4.计算机辅助二维手绘动画数字化设计

计算机辅助技术是一种以计算机为辅助工具,帮助人们在图形学领域达到最优设计效果的技术。

在搭建的场景模型下,按照传统二维动画的制作流程,利用计算机辅助设计技术,在计算机平台下进行二维手绘动画的数字化设计。

(1)创建动画关键帧

二维手绘动画的关键帧就是制作的静态图像,也就是物体或人物角色在运动过程中的关键动作。在计算机的动画制作平台上,将设计并绘画完成的静态图像导入到平台界面上,并标记为关键帧。另外也可以在图像的存储数据库中直接导入所需的图像,将其标记成关键帧[10]。在关键帧的创建过程中需要注意的是人物角色的各个表情和姿势都必须是关键帧,另外为了保证动画制作质量需要补充关键帧的缺失部分,并消除关键帧上的抖动现象。其中关键帧的抖动补偿首先需要求出当前人物角色的关节点位置,定位过程可以用公式3 所示。

(3)

公式(3)中,参数lij表示的是当前关节点i与父关节点j之间的长度,坐标(xj,yj)表示的是父关节点的坐标,fx和fy分别为该骨骼相对原位置水平和竖直两个方向上的偏移量,θ为与初始位置相比的移动或旋转角度。在确定人物角色图层的位置信息后,采用测量函数表示当前关键帧在当前时刻的抖动程度,测量函数可以表示为:

(4)

(2)自动生成中间画面

两个关键帧之间的动画界面为二维手绘动画中的中间画面,首先确定始末关键帧之间的对应关系,并控制曲线上各个点之间的对应关系[11]。假设始末关键帧上任意一个对应点的坐标分别为PS1(x1',y1')和PS2(x2',y2'),沿着PS1与PS2之间的直线,移动长度为t的一段距离,到达末端关键帧。根据t的取值确定两个关键帧之间的距离,关键帧之间的移动距离计算公式为:

(5)

计算两个相邻关键帧之间的直线距离,并计算对应的坐标变换因子。通过直线路径插针的方式得出两个相邻关键帧之间的中间动画图像,在计算机辅助设计程序的控制下,确定是否自动生成中间画面,得出的中间画面生成结果如图5 所示。

图5 二维手绘动画中间帧自动生成制作

最后在二维手绘动画上按照场景氛围以及人物性格添加对应的颜色,并结合分镜头脚本调节特写、近景与远景的切换。添加并处理动画声音便可得出二维手绘动画序列。

5.实现二维手绘动画数字化

(1)二维动画主场景数字化实现

通过二维动画主场景中分层、光影、色彩、模糊以及运动与透视的基本规律,实现对二维动画主场景的数字化处理与实现。

首先,将制作的关键帧动画按照前景、中景和远景绘制在不同的图层上,分层叠加在一起进行制作。在动画场景中,除了有非常明显的光源和光线透射之外,光影效果主要是通过色彩来表现的。

其次,利用计算机辅助设计技术调整图层画面的透明度和对比度,实现对色彩与光影的数字化调节处理,不仅能形成丰富的光影变化效果,同时也增加了整个动画场景的立体感和空间感[12]。在动画镜头运动时,动画画面会有特殊的模糊要求,在数字化条件下,利用绘图软件和图像处理软件中的模糊工具,对场景中需要模糊的部分进行模糊处理。而运动与透视主要是配合动画镜头中的推、拉、摇、移,保证背景场景与人物角色之间良好的运动关系和透视关系。

最后,借助计算机辅助设计技术中的滤镜与参数设置,模拟不同的移动速度,造成合理的运动感和透视感,达到移动拍摄的效果。

(2)曲线运动的数字化实现

曲线运动的数字化处理与实现运用到计算机辅助设计平台中的选择工具、节点编辑工具、旋转变形工具、直线工具、钢笔工具、原型工具等。在绘制曲线线条时尽量保持线条是封闭的曲线,以保证后期色彩描绘的正常实现。在实际的数字化实现过程中,一般需要创建引导线层和实体层两个图层,将实体图像导入到实体层,并在一定时间间隔下创建两个关键帧,最后在引导线层描绘出实体的运动轨迹,设置引导层与被引导层属性,即可实现二维手绘动画中不同种类角色与物象的数字化制作。

(3)镜头移动的数字化实现

二维手绘动画中的镜头移动就是拍摄镜头的移动,利用相对运动的原理来实现画面的移动。在数字环境下,镜头的移动是通过图像的移动来实现的,确定二维动画的播放速度,并在同一个场景中设置两个图层。按照分镜的要求,对背景图层进行移动或缩放,模拟镜头的移动和推进,最后在两个关键帧之间设置部件动画。同理可以在数字化平台环境下,利用计算机辅助设计技术,实现对动画字幕、镜头输出效果以及特效效果的数字化实现,经过渲染输出最终的二维手绘动画数字化制作序列,由此完成二维手绘动画的数字化处理。

二、数字化实现效果测试实验分析

为了测试基于计算机辅助设计的二维手绘动画数字化处理方法的实现效果,设计数字化实现效果测试对比实验。将基于数字技术的二维动画数字化处理方法和基于Flash 技术的二维动画数字化处理方法设置为对比方法。其中基于数字技术的二维动画数字化处理方法主要就是采用外设设备和计算机中的画图软件,将手绘动画图像导入到计算机环境中,利用动画制作软件进行二次导入,得出最终的二维动画数字化实现结果。而基于Flash 技术的二维动画数字化处理方法,利用互联网定制的方式实现对网络图像数据的处理与调用。在相同的动画开发平台中,分别将三种数字化处理方法应用到相同的二维动画对象上,在相同的硬件环境下,输出数字化动画序列,即二维手绘动画的数字化实现结果。

1.搭建二维手绘动画数字化实现环境

遵循此次计算机辅助设计技术对运行环境的要求,选择CAD2007 软件作为此次动画数字化的实现环境,该实验环境的主界面如图6 所示。

图6 实验环境主界面

2.设置计算机辅助设计平台参数

在搭建的实验平台上设置具体的平台参数,需要注意的是在安装与配置实验环境与平台参数时不能出现中文字符,避免出现安装错误。另外将计算机辅助设计平台以插件的形式下载到实验环境中,方便使用数字化方法的切换操作。需要设置的平台参数包括初始场景的大小、颜色、镜头类型等,具体的参数设置情况如图7所示。

图7 计算机辅助设计平台参数设置界面

3.测试实验过程

实验首先需要选择二维手绘动画数字化处理对象,为了避免实验单一性对实验结果产生的影响,此次选择多次实验取平均值的方式得出有关于数字化效果的测试结果。因此选择的二维动画对象包括《山鬼》《红豆》《灰城》《Hot Milk》和《长椅》五部二维手绘动画作品,其中《长椅》动画的关键帧绘制图像如图8 所示。

图8 二维手绘动画部分关键帧图像

以绘制的关键帧图像为基础,利用导入的三种数字化实现方法得出最终的动画制作结果。其中利用基于计算机辅助设计的二维动画数字化处理方法得出的动画实现结果如图9 所示。

设置此次数字化实现效果的测试指标分别为连续性和分辨率,其中连续性测试主要是统计数字化生成结果中空白帧的个数及其在整个动画序列中的占比,分辨率用来体现出数字化实现画面的清晰度质量,该测试数据来源于动画输出结果的属性。

4.数字化实现效果对比结果分析

1.动画连续性效果分析

通过对画面空白帧的统计得出动画连续性效果的对比结果,如表2 所示。

表2 动画连续性效果对比

五部二维动画作品的总帧数分别为2 411 帧、2 586帧、2 903 帧、2 246 帧和2 587 帧。经过计算基于数字技术的二维动画数字化处理方法的平均空白占比为4.492%,基于Flash 技术的二维动画数字化处理方法的平均空白占比为3.824%,而基于计算机辅助设计的数字化实现方法的平均空白占比为2.978%,由此可见,基于计算机辅助设计的数字化实现方法得出的动画实现结果的连续性较好。

(2)动画分辨率对比分析

读取动画数字化处理输出结果的分辨率,得出有关动画数字化清晰度的测试对比结果如表3 所示。

表3 动画分辨率对比结果

从表3 中可以看出,基于计算机辅助设计的二维动画数字化处理方法能够保证所有的二维手绘动画作品的分辨率均达到1 080P,而基于数字技术的二维动画数字化处理方法和基于Flash 技术的二维动画数字化处理方法中存在部分720P 的分辨率,由此可知,基于计算机辅助设计的二维动画数字化处理方法的分辨率较高,动画效果较清晰,动画质量较高。因为基于计算机辅助设计的二维动画数字化处理方法,在关键帧的创建过程中,考虑了人物角色的各个表情和姿势,保证了动画制作质量,并消除关键帧上的抖动现象,由此提高了动画分辨率。

综上所述,综合动画的连续性和分辨率两个指标得出,基于计算机辅助设计的二维动画数字化处理方法的动画连续性效果较好,能够有效提高动画分辨率和动画质量,保证了二维手绘动画数字化实现效果。

三、结语

动画作为信息媒介的形式和内容介入社会生活的各个领域、学科以及行业当中,产生多种不同形式的视觉风格。为了解决当前二维手绘动画连续性效果较差,动画分辨率较低的问题,利用计算机辅助设计技术,构建数字模型,建立和变换二维手绘动画坐标系,利用计算机辅助设计技术创建动画关键帧,并自动生成中间帧,实现二维手绘动画的数字化处理。实验结果表明,基于计算机辅助设计的二维动画数字化处理方法能够增强动画连续性效果,提高动画分辨率,因此在实际的动画行业具有较高的应用价值。