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手机3D动画中场景材质的自动规划

李晶  
【摘要】:全过程计算机辅助动画自动生成技术是在20世纪90年代由中国科学院数学所陆汝钤院士在国际上首次提出的将计算机动画技术、多媒体技术和人工智能理论相结合的全新动画制作技术,能够将受限的中文故事,通过计算机的处理,转变为与故事内容相匹配的计算机动画。伴随着21世纪以来移动网络的飞速发展,中国科学院张松懋研究员于2008年提出将全过程计算机辅助动画自动生成技术应用到手机中文短信中,设计并实现了手机短信3D动画自动生成系统。手机3D动画自动生成系统将用户发送的中文自然语言短信经过信息抽取、动画定性规划、动画定量计算以及网络渲染四大步骤后,转变为一条3D动画视频文件并发送给短信接收者。材质是指三维动画场景中各个模型经过渲染后所表现出的色彩、质地、光线反射和折射的情况以及其他相关属性。材质就像是动画作品的包装,别具一格的材质设计能够让一个简单的动画场景蓬荜生辉。数字立体动画影片使用“色彩叙事”来感染人心,设定艺术氛围从而营造一个完美的虚拟空间,作为与观众沟通的桥梁,为故事的理解和剧情的烘托打下了基础。作为数字立体动画影片中的一个重要视觉元素,材质是“色彩叙事”的一个关键组成部分,是用来充分刻画人物形象和营造场景氛围的重要途径,它在增强动画表现力、丰富动画表现形式、提高电影的真实感和提高动画欣赏价值等方面发挥着重要作用。在动画场景特别是三维动画场景的设计中,材质对于整个场景真实感的体现至关重要。本文的研究工作是在手机3D动画自动生成系统中实现场景材质的自动规划,主要包括以下两部分工作:第一,构建动画材质本体库,并据此设计和实现了动画场景材质的定性规划。依托于已成功支持3D动画自动生成系统运行的系统知识库,本文首次建立了一个刻画动画材质性质的本体库,包含动画材质构成和动画场景材质球两个大类,其中动画材质构成类定义了材质的各个基本特征以及场景材质风格,包括材质类型、基础材质、颜色、纹理、图片、以及场景风格六个子类,我们定义了各个子类中的实例及实例所具有的属性等;场景材质球类包含室内场景和室外场景两个子类,每个子类下分别定义目前动画库中已有的室内和室外动画场景中的材质球实例。基于材质本体库,材质定性规划系统以用户发送的短信内容为基础,经过信息抽取模块后获得短信所包含的主题和各种模板信息,通过材质本体库中定义的材质构成实例与主题、模板之间的关系,得到相应的材质定性描述。第二,设计并实现动画场景材质定量计算。材质定量计算系统是对材质定性描述的具体实现,主要包括:简单模型单一材质计算、简单模型多材质计算、复杂模型材质计算、以及材质球计算等部分。为了增强材质贴图的多样性,我们引入了基于了基于纹理分类器实现的纹理合成方法,使用双线性卷积神经网络模型训练纹理分类器,通过纹理分类器及纹理属性编辑图像,进行图像纹理化处理,使得单幅图像在不同条件下具有不同的纹理表象,增强材质贴图的多样性,进一步地,我们提出将动画系统中的模型种类作为纹理图像分类的注意力加入双线性卷积神经网络模型中,实验表明纹理图像分类准确率得到了提高。为了验证场景材质自动规划的效果,本文针对动画系统测试的开放性中文自然语言短信设计了材质规划可行性实验、材质规划多样性实验、和动画观赏性实验。实验数据为2018年5月10日至2019年1月30日期间系统收到的共计697条短信,在材质规划可行性实验中,96.57%的短信成功完成了材质规划;在材质规划多样性实验中,从成功完成材质规划的短信中随机选取60条,每条短信运行10次,统计600次短信得到的材质规划结果,81.7%的短信得到了5种以上的不同材质效果;在动画观赏性实验中,随机选取20条短信生成的动画进行问卷调查,“我认为场景材质效果表达了短信内容”的平均分为7.8,“我认为动画与短信内容相符”的平均分为7.0,“我认为材质效果很美观”的平均分为6.4,表明本文实现的材质规划方法达到了手机3D动画自动生成系统自动进行场景材质更改的需求。本文提出了基于动画材质本体库的动画场景材质自动生成方法,在手机3D动画自动生成系统中成功进行了场景材质的自动规划,在中文短信的开放性实验中验证了其有效性。进一步的工作包括材质与光照之间的关系处理以及场景材质主动学习系统的设计等。


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