1　動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)被視為21世紀(jì)創(chuàng)意經(jīng)濟(jì)中最有希望的朝陽產(chǎn)業(yè),其中3D動(dòng)漫是動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向.3D動(dòng)漫造型作為3D動(dòng)漫的核心元素,需要具有足夠的創(chuàng)意才能吸引大眾的眼球,然而設(shè)計(jì)師往往受到現(xiàn)有造型和設(shè)計(jì)觀念的影響而很難設(shè)計(jì)出具有足夠創(chuàng)意的造型.因此,如何自動(dòng)生成新穎奇特的3D動(dòng)漫造型,輔助設(shè)計(jì)人員完成造型設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)3D動(dòng)漫制作的自動(dòng)化和智能化,是一個(gè)亟待解決的問題.

目前,3D動(dòng)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(dòng)漫造型美觀、精確,但是速度較慢、成本較高,無法自動(dòng)生成大量的富有創(chuàng)意的動(dòng)漫造型.近年來,利用進(jìn)化計(jì)算方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)等得到了廣泛的關(guān)注,并取得了大量的研究成果[1-6].悉尼大學(xué)的JohnGero教授進(jìn)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(fēng)格的學(xué)習(xí)進(jìn)化生成新的建筑物.劍橋大學(xué)的制造研究所副研究員AlexandraMelikeBrintrup進(jìn)行了如何根據(jù)定義的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和使用者的身材進(jìn)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(chuàng)新過程、創(chuàng)新原理的描述和計(jì)算模型方面做了很多探索性工作[3],由潘云鶴院士負(fù)責(zé)的“支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)與系統(tǒng)”項(xiàng)目,成功開發(fā)了支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的7個(gè)計(jì)算機(jī)輔助軟件平臺(tái).山東師范大學(xué)與香港理工大學(xué)在支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)的多Agent協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境方面展開了一系列的研究,做了很多有意義的探索,開發(fā)的原型系統(tǒng)通過利用遺傳算法及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),可以生成形態(tài)各異的手機(jī)、臺(tái)燈及建筑外觀等造型[4,5].從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看,基于進(jìn)化計(jì)算的3D制作已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題,但是利用進(jìn)化計(jì)算方法制作3D動(dòng)漫造型的研究還較少.

因此,本文提出一種支持協(xié)同設(shè)計(jì)的3D動(dòng)漫造型進(jìn)化計(jì)算方法,該方法利用HSF協(xié)同技術(shù)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(shí),實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì);同時(shí)利用ACIS規(guī)則,通過選擇、交叉、變異和精英保留操作產(chǎn)生新的創(chuàng)意新穎的3D動(dòng)漫造型.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的方法可以有效地實(shí)現(xiàn)3D動(dòng)漫造型的自動(dòng)進(jìn)化,并且可以有效地支持多專家協(xié)同設(shè)計(jì).

2　基于HSF協(xié)同和ACIS規(guī)則的交互式遺傳算法———HAIGAHAIGA在已有3D動(dòng)漫造型的基礎(chǔ)上,借助專家知識(shí),利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)漫造型的自動(dòng)進(jìn)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(dòng)漫造型變形的ACIS規(guī)則表達(dá)式.一種是隨機(jī)生成與種群數(shù)等量的ACIS規(guī)則表達(dá)式;另一種是從數(shù)據(jù)庫中提取出與種群數(shù)等量的高質(zhì)量造型對應(yīng)的ACIS規(guī)則表達(dá)式;第三種是隨機(jī)生成一半,從數(shù)據(jù)庫中提取一半.

專家評分:以處理圖像能力強(qiáng)大的圖形工作站作為服務(wù)器,以一般PC機(jī)作為客戶端,通過HSF協(xié)同將服務(wù)器端進(jìn)化生成的3D動(dòng)漫造型實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇蛻舳瞬@示在屏幕上,專家們各自進(jìn)行評分并提交評分結(jié)果,客戶端及時(shí)將結(jié)果反饋給服務(wù)器.

適應(yīng)度值計(jì)算:根據(jù)各專家的評分及其權(quán)威度,計(jì)算出加權(quán)平均滿意度和共識(shí)度,然后按比例求和得到適應(yīng)度值.

新種群產(chǎn)生:根據(jù)適應(yīng)度值,對種群中3D動(dòng)漫造型對應(yīng)的ACIS規(guī)則表達(dá)式執(zhí)行選擇、交叉和變異操作產(chǎn)生新的規(guī)則表達(dá)式,進(jìn)而產(chǎn)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(yīng)度值排在前30%的優(yōu)良個(gè)體.

2.2　HSF協(xié)同與ACIS規(guī)則

2.2.1　HSF協(xié)同

HOOPS/Stream是平臺(tái)和GUI均獨(dú)立的C++類的集合,它能夠使應(yīng)用程序通過各種網(wǎng)絡(luò)有效地傳輸高度壓縮的文件,這個(gè)功能使它成為開發(fā)工程軟件、CAD/CAM/CAE、數(shù)字模仿、仿真、可流動(dòng)的3D造型應(yīng)用和科學(xué)可視化應(yīng)用的理想組件.它也允許開發(fā)者創(chuàng)建僅有的真正開放的可視化標(biāo)準(zhǔn)(HSF),這對于工程和網(wǎng)絡(luò)用途都是最優(yōu)的.

HSF格式是為數(shù)不多的支持2D和3D數(shù)據(jù)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(chuàng)建時(shí)就被壓縮、安排好并且隨時(shí)準(zhǔn)備流動(dòng)這就減少了對3D模型數(shù)據(jù)耗時(shí)的預(yù)處理操作.數(shù)據(jù)被創(chuàng)建時(shí)就可以流動(dòng),這對于基于C/S模式的應(yīng)用和通過Web傳遞是非常重要的.由于其數(shù)據(jù)是高度壓縮的,因此可以大大縮短傳輸時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)大模型的實(shí)時(shí)顯示.

傳統(tǒng)的造型設(shè)計(jì)主要依賴于一位設(shè)計(jì)專家的主觀感覺,但因個(gè)人能力有限,設(shè)計(jì)專家往往只是趨于做出局部最優(yōu)選擇;如果由多專家參與評價(jià),在一般的3D設(shè)計(jì)環(huán)境下,專家們只能依次在同一臺(tái)圖形工作站上對同一個(gè)造型進(jìn)行評分,這樣既浪費(fèi)時(shí)間又大大降低了工作效率;而若多專家各自擁有一臺(tái)圖形工作站通過傳參協(xié)同進(jìn)化、渲染出造型后再評分,則會(huì)大大提高設(shè)計(jì)成本.

鑒于以上不足,本文采用HSF協(xié)同技術(shù)作為多專家同步參與3D動(dòng)漫造型進(jìn)化設(shè)計(jì)的環(huán)境支持,以圖像處理能力強(qiáng)大的圖形工作站作為服務(wù)器,以一般的PC機(jī)作為客戶端.

HAIGA通過HSF協(xié)同將服務(wù)器端新進(jìn)化生成的3D動(dòng)漫造型實(shí)時(shí)發(fā)送到各個(gè)客戶端并顯示在客戶端屏幕上;設(shè)計(jì)專家在客戶端評分,評分結(jié)果將被及時(shí)反饋給服務(wù)器;服務(wù)器端收集完專家組的評分后進(jìn)行下一代的進(jìn)化.通過利用HSF協(xié)同技術(shù),大大降低了設(shè)計(jì)成本、提高了設(shè)計(jì)效率.

2.2.2　ACIS規(guī)則

ACIS(三維幾何造型引擎)規(guī)則是對ACIS規(guī)則表達(dá)式的符號(hào)化表示,內(nèi)部用一棵稱為規(guī)則樹的C++類樹表示,通過這些類可以進(jìn)行求導(dǎo)、微分、積分、求解方程以及確定規(guī)則的維數(shù)等操作.

規(guī)則不僅可以用來定義各種曲線、曲面,還可以對幾何體執(zhí)行變形操作,其中最有用的變形就是非均勻縮放.利用三個(gè)含有多個(gè)規(guī)則符號(hào)的字符串構(gòu)成用于非均勻縮放的規(guī)則表達(dá)式,其中使用的規(guī)則符號(hào)與計(jì)算機(jī)采用的數(shù)學(xué)符號(hào)類似,語法也與數(shù)學(xué)符號(hào)基本一致.表示規(guī)則表達(dá)式的字符串一經(jīng)產(chǎn)生就可以轉(zhuǎn)換成一棵ACIS規(guī)則樹使3D實(shí)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(gè)點(diǎn).一個(gè)球體(如圖3(a))經(jīng)均勻縮放只能是一個(gè)球體,而經(jīng)過非均勻縮放后可以變?yōu)閺?fù)雜的模型.例如,假設(shè)縮放前模型上點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y,z),縮放后新模型上對應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)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.