1　動漫產業被視為21世紀創意經濟中最有希望的朝陽產業,其中3D動漫是動漫產業的發展方向.3D動漫造型作為3D動漫的核心元素,需要具有足夠的創意才能吸引大眾的眼球,然而設計師往往受到現有造型和設計觀念的影響而很難設計出具有足夠創意的造型.因此,如何自動生成新穎奇特的3D動漫造型,輔助設計人員完成造型設計,實現3D動漫制作的自動化和智能化,是一個亟待解決的問題.

目前,3D動漫造型的生成通常利用3D建模軟件Maya,3DMax等直接繪制,這種方法獲得的3D動漫造型美觀、精確,但是速度較慢、成本較高,無法自動生成大量的富有創意的動漫造型.近年來,利用進化計算方法進行產品設計、建筑設計等得到了廣泛的關注,并取得了大量的研究成果[1-6].悉尼大學的JohnGero教授進行了利用遺傳算法生成建筑平面圖的研究[1],展示了如何通過對著名建筑風格的學習進化生成新的建筑物.劍橋大學的制造研究所副研究員AlexandraMelikeBrintrup進行了如何根據定義的評價標準和使用者的身材進化生成各種椅子造型的研究[2].潘云鶴院士及其博士生在創新過程、創新原理的描述和計算模型方面做了很多探索性工作[3],由潘云鶴院士負責的“支持產品創新設計的計算機輔助技術與系統”項目,成功開發了支持產品創新設計的7個計算機輔助軟件平臺.山東師范大學與香港理工大學在支持創新設計的多Agent協同設計環境方面展開了一系列的研究,做了很多有意義的探索,開發的原型系統通過利用遺傳算法及機器學習技術,可以生成形態各異的手機、臺燈及建筑外觀等造型[4,5].從國內外的研究現狀來看,基于進化計算的3D制作已經成為當前研究的熱點問題,但是利用進化計算方法制作3D動漫造型的研究還較少.

因此,本文提出一種支持協同設計的3D動漫造型進化計算方法,該方法利用HSF協同技術和C/S模式,以較低的成本、較高的工作效率有效地利用專家知識,實現協同設計;同時利用ACIS規則,通過選擇、交叉、變異和精英保留操作產生新的創意新穎的3D動漫造型.實驗結果表明,本文提出的方法可以有效地實現3D動漫造型的自動進化,并且可以有效地支持多專家協同設計.

2　基于HSF協同和ACIS規則的交互式遺傳算法———HAIGAHAIGA在已有3D動漫造型的基礎上,借助專家知識,利用遺傳算法實現動漫造型的自動進化,一方面保持了原始初始化種群:采用三種方式生成可以使3D動漫造型變形的ACIS規則表達式.一種是隨機生成與種群數等量的ACIS規則表達式;另一種是從數據庫中提取出與種群數等量的高質量造型對應的ACIS規則表達式;第三種是隨機生成一半,從數據庫中提取一半.

專家評分:以處理圖像能力強大的圖形工作站作為服務器,以一般PC機作為客戶端,通過HSF協同將服務器端進化生成的3D動漫造型實時傳輸到客戶端并顯示在屏幕上,專家們各自進行評分并提交評分結果,客戶端及時將結果反饋給服務器.

適應度值計算:根據各專家的評分及其權威度,計算出加權平均滿意度和共識度,然后按比例求和得到適應度值.

新種群產生:根據適應度值,對種群中3D動漫造型對應的ACIS規則表達式執行選擇、交叉和變異操作產生新的規則表達式,進而產生新的種群.精英保留:新一代與上一代種群加和后,保留適應度值排在前30%的優良個體.

2.2　HSF協同與ACIS規則

2.2.1　HSF協同

HOOPS/Stream是平臺和GUI均獨立的C++類的集合,它能夠使應用程序通過各種網絡有效地傳輸高度壓縮的文件,這個功能使它成為開發工程軟件、CAD/CAM/CAE、數字模仿、仿真、可流動的3D造型應用和科學可視化應用的理想組件.它也允許開發者創建僅有的真正開放的可視化標準(HSF),這對于工程和網絡用途都是最優的.

HSF格式是為數不多的支持2D和3D數據的流格式類型中的一種.HSF被緊密地集成到HOOPS/3dAF和造型工具中,HSF文件被創建時就被壓縮、安排好并且隨時準備流動這就減少了對3D模型數據耗時的預處理操作.數據被創建時就可以流動,這對于基于C/S模式的應用和通過Web傳遞是非常重要的.由于其數據是高度壓縮的,因此可以大大縮短傳輸時間,從而實現大模型的實時顯示.

傳統的造型設計主要依賴于一位設計專家的主觀感覺,但因個人能力有限,設計專家往往只是趨于做出局部最優選擇;如果由多專家參與評價,在一般的3D設計環境下,專家們只能依次在同一臺圖形工作站上對同一個造型進行評分,這樣既浪費時間又大大降低了工作效率;而若多專家各自擁有一臺圖形工作站通過傳參協同進化、渲染出造型后再評分,則會大大提高設計成本.

鑒于以上不足,本文采用HSF協同技術作為多專家同步參與3D動漫造型進化設計的環境支持,以圖像處理能力強大的圖形工作站作為服務器,以一般的PC機作為客戶端.

HAIGA通過HSF協同將服務器端新進化生成的3D動漫造型實時發送到各個客戶端并顯示在客戶端屏幕上;設計專家在客戶端評分,評分結果將被及時反饋給服務器;服務器端收集完專家組的評分后進行下一代的進化.通過利用HSF協同技術,大大降低了設計成本、提高了設計效率.

2.2.2　ACIS規則

ACIS(三維幾何造型引擎)規則是對ACIS規則表達式的符號化表示,內部用一棵稱為規則樹的C++類樹表示,通過這些類可以進行求導、微分、積分、求解方程以及確定規則的維數等操作.

規則不僅可以用來定義各種曲線、曲面,還可以對幾何體執行變形操作,其中最有用的變形就是非均勻縮放.利用三個含有多個規則符號的字符串構成用于非均勻縮放的規則表達式,其中使用的規則符號與計算機采用的數學符號類似,語法也與數學符號基本一致.表示規則表達式的字符串一經產生就可以轉換成一棵ACIS規則樹使3D實體變形.非均勻縮放是指在x軸、y軸和z軸方向上按照不同的縮放比例改變模型中的每個點.一個球體(如圖3(a))經均勻縮放只能是一個球體,而經過非均勻縮放后可以變為復雜的模型.例如,假設縮放前模型上點的坐標為(x,y,z),縮放后新模型上對應的點坐標為(X,Y,Z),則球體的非均勻縮放可表示為:X=0.3*xY=0.05*y+0.4*cos(0.5*x)Z=0.1*z.