Применение информационных технологий при анимировании персонажей в виртуальной обучающей системе

Решетневскце чтения

УДК 004.9

К. В. Белов

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (Национальный исследовательский университет), Россия, Самара

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ АНИМИРОВАНИИ ПЕРСОНАЖЕЙ В ВИРТУАЛЬНОЙ ОБУЧАЮЩЕЙ СИСТЕМЕ

Приведены результаты исследований и сравнительный анализ технологий анимирования персонажей, а также современных методов создания анимационных моделей, позволяющих моделировать движение суставов в скелете реального человека. Созданы анимационные модели персонажей, придающие им реалистичные и правдоподобные движения, с применением последних достижений технологий трехмерной графики. Разработана и внедрена подсистема анимирования персонажей виртуальной обучающей системы, которая используется в школе информатики Самарского государственного аэрокосмическог университета имени академика С. П. Королева СГАУдля обучения основам информатики и программирования.

В последнее время трехмерная графика и компьютерная анимация все чаще находят свое применение в обучении (в частности, в дистанционном обучении), поскольку они позволяют сделать этот процесс более наглядным и интересным для обучаемых, в первую очередь для школьников и студентов младших курсов. Технология виртуальных миров - это одна из тех технологий, в основе которой лежит реалистичная трехмерная графика и анимация. Данная технология уже довольно давно и достаточно успешно применяется в зарубежных учебных заведениях (например, в Великобритании 80 % университетов используют виртуальные миры в обучении). Такой подход позволяет повысить эффективность восприятия информации за счет использования реалистичной визуализации различных трехмерных моделей, в частности ава-тара, с которым ассоциируют себя пользователи и при помощи которого они взаимодействуют с объектами виртуального мира.

На кафедре программных систем Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева (СГАУ) коллективом авторов разрабатывается виртуальная обучающая система, которая использует технологию виртуальных миров и предоставляет учащимся возможность в игровой форме осваивать учебные курсы, способствуя тем самым их вовлечению в учебный процесс.

Для придания персонажу реалистичного движения и поведения необходима разработка специальной модели, которая имитировала бы движения реальных объектов (поскольку камера в 3Б-пространстве работает в режиме «от третьего лица», то движения, прыжки и другая анимация аватара всегда находятся в центре внимания).

Наиболее простая и широко используемая схема представления персонажа - это представление модели персонажа в виде дерева

S = D(V, E),

где V - множество звеньев скелета (вершин дерева); E - множество соединений (ребер дерева). Такой подход используется во всех системах компьютерной анимации персонажа (3D Studio Max (и плагин для него CharacterStudio), Maya, Blender-сообщество).

В ходе разработки анимационных моделей автором была реализована иерархия костей персонажа (скелета) и стандартный базовый набор основных движений (ходьба, бег, прыжок, стойка). Это позволило путем комбинирования этих анимаций и создания переходов между ними адаптировать конечности аватара к различным неровностям ландшафта, добиться реалистичных поворотов его головы и корпуса, а также наклонов корпуса в процессе перемещения и ускорений.

Для создания анимационных моделей применялась технология скелетной анимации, имитирующая перемещение костей в человеческом организме, которая позволяет строить виртуальный скелет аватара и создавать связный набор движений виртуальных костей, отвечающих за анимацию своей зоны. Таким образом, движения отдельных виртуальных костей скелета приводят к деформации и перемещению соответствующих зон персонажа, чем и обеспечивается его анимация.

Технология скелетной анимации применяется совместно с технологией захват движения для того, чтобы добиться еще более естественного поведения ава-тара. Автором использовались библиотека, содержащая уже готовые записи самых разнообразных движений персонажа, и свободно распространяемая программа - редактор bvhaker, с помощью которой реализуются дробление анимации, зацикливание, сглаживание циклов, исправление циклов и многое другое. Модели хранятся в формате bvh, предназначенном для хранения полученных анимаций.

Моделирование геометрии, выходящей за рамки графических примитивов, а также создание и анимация моделей персонажей производились в трехмерном графическом редакторе Blender (для этих целей использовался плагин BVH Importer), который является бесплатным приложением и в то же время очень функциональным инструментом для скелетной анимации. В редакторе Blender осуществлялась привязка группы вершин сетки персонажа к определенной кости скелета и распределение весов влияния каждой кости на определенный участок сетки персонажа, а также дополнительная настройка всех движений (для

Информационные системы и технологии

этих целей предусмотрен мощный редактор кривых движения IPO).

Последним этапом создания аватара является импорт полученных анимированных персонажей в игровой движок Unity3D для последующей привязки скриптов-контроллеров, которые определяют логику перемещения персонажа в зависимости от нажатия клавиш пользователем, управляют включением или отключением определенной анимации, а также осуществляют смешивание анимаций и процедурную анимацию.

Таким образом, автором разработана подсистема анимирования персонажей в виртуальной обучающей системе на основе технологий скелетной анимации и захвата движения, которая придает персонажам реалистичное и правдоподобное поведение, что в свою очередь способствует вовлечению учащихся в процесс обучения и делает этот процесс более интерактивным. Виртуальная обучающая система ЗБиСАТЮМ будет применяться в учебном процессе школы информатики СГАУ при обучении школьников основам информатики и программирования.

K. V. Belov

Samara State Aerospace University (National Research University), Samara, Russia

USE OF INFORMATION TECHNOLOGY IN ANIMATING CHARACTERS IN VIRTUAL TRAINING SYSTEM

The results of research and comparative analysis of technologies to animate characters, as well as modern methods of creating animated models to simulate the movement of the joints in the skeleton of a real person are given. The animated character models with realistic and believable movements using latest technology of three-dimensional graphics are created. The character animation subsystem in virtual learning system, which is used at the school of computer science SSAU for training in computer science and programming is developed and implemented.

© Белов К. В., 2012

УДК 004.932

А. В. Белоконь, А. В. Проскурин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНТЕНТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ АЛГОРИТМОВ ПОИСКА ИЗОБРАЖЕНИЙ

Приведены результаты анализа эффективности контентно-ориентированных алгоритмов поиска изображений. Представлен метод оценки результатов контентно-ориентированного алгоритма поиска. Описаны наборы исходных данных, используемых при анализе.

Развитие современных информационных технологий неразрывно связано с прогрессивным ростом глобальных компьютерных сетей, который подразумевает увеличение количества информационных ресурсов и, как следствие, общего объема информации. В связи с этим встает проблема валидного поиска как текстовых, так и бинарных данных. Несмотря на наличие целого ряда поисковых систем не все из них удовлетворяют требованиям пользователей [1]. Так, не все поисковые системы поддерживают функцию контентно-ориентированного поиска изображений, ограничиваясь лишь методами поиска по ключевым словам.

Авторами была проведена оценка эффективности трех видов алгоритмов контентно-ориентированного поиска: основанные на частотных характеристиках изображений, на статистической информации об их цветовом составе и на статистической информации о геометрических признаках объектов на изображении. Для оценки эффективности использовался набор тес-

товых данных, состоящий из изображений четырех классов. Тестовые изображения были занесены в базу данных, на которой проводилась оценка эффективности поиска. В базу были также введены преобразованные копии исходных изображений, содержащие эффекты поворота, наложения шума и изменения размеров исходных изображений.

Оценка эффективности проводилась по формуле

E = QL + -Я^ ,

Ql Qcн

где E - эффективность; Qv - количество валидных результатов; Ql - количество ложных срабатываний; Qcli - количество изображений и их модификаций в классе.

Результаты исследования приведены в таблице.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. Наискорейшим при индексировании и самым эффективным оказался алгоритм с использованием цветовых статистик изображений.