计算机生成的动物模型刺激材料

摘要

使用杰基龙作为模型生成的计算机模拟刺激。

摘要

动物之间的交流方式多样且复杂，可能通过听觉、震动、化学感应、电或视觉信号进行。尤其值得关注的是视觉信号在交流中所受的限制。传统研究动物互动的方法包括基本的观察技术、人为设置的相遇实验或对形态的物理操控。一些侵入性较小的方法则尝试使用粗糙的回放工具（如镜子、静态图像或模型）来模拟同种个体。随着技术的进步，视频回放已成为研究视觉交流的另一种工具（Rosenthal，2000）。然而，进一步的发展是计算机动画的应用，使研究者能够精确分离出引发同种个体社会反应所必需的关键成分，并操控这些特征以控制互动过程。本文将详细说明如何以杰克龙（Jacky dragon）为模型创建动画，但该方法亦可适用于其他物种。在构建动画过程中，我选择使用Lightwave 3D软件来调整对象形态、添加纹理、安装骨骼结构，并提供合理的权重着色，以避免动作过度夸张。随后将动画与选定的运动模式相匹配，以复制关键的运动特征。最后，需将序列渲染为单个视频片段用于呈现。尽管存在其他可调整的技术，但该特定方法已在模拟互动中被证明能有效引发明显的和社交性的反应。 关键词：动物交流，视觉信号，计算机动画，视频回放，杰克龙，社会行为，运动模式，Lightwave 3D

方案

动画设计

物体扫描

获取蜥蜴标本。使用柯尼卡美能达VI-9i扫描模型。生成一个包含50,000个多边形的单一多边形网格的三维物体（*.lwo和*.obj文件）。Lightwave® v8.3包含两个用于三维动画的程序：Modeler和Layout。Lightwave® Modeler用于设计和操作物体。Lightwave® Layout程序用于创建动画场景。Lightwave® Modeler和Layout均具有三个方向的位置、朝向和旋转维度：偏航（Y）、俯仰（X）和滚转（Z）。

纹理获取

使用1280万像素的佳能EOS 5D数码相机，在白纸背景下从两个角度（正面和正交）、三个位置（正面、正交、腹面和背面）以及三个身体区域部分（头部、躯干、尾部和四肢）拍摄活体蜥蜴照片，以便进行白平衡处理以实现标准化色彩。在Adobe® Photoshop® Elements 3.0中将照片拼接融合。

在 Lightwave® Modeller 中创建 Atlas UV 贴图。UV 贴图将对象分解为相互连接的多边形串。使用 Grab V1.2 捕获 Atlas UV 贴图的 JPEG 图像，生成独立的 JPEG 图片。将其嵌入 Adobe® Photoshop® Elements 3.0 中作为背景图层。

在 Lightwave® Modeller 中，通过突出显示 Atlas UV 贴图上的多边形来识别蜥蜴身上的特定区域。裁剪相应区域并叠加到背景 Atlas UV 贴图的 JPEG 图像上。当所有照片片段均被叠加至 Atlas UV 贴图的 JPEG 图像后，去除背景并生成单个 TIFF 文件。将该 TIFF 文件导入 Lightwave® Modeller，并分配 UV 坐标。

植入骨骼和骨骼系统

在 Lightwave® Modeller 中设计并嵌入了骨骼占位结构（skelegons），这些结构用于充当骨骼的占位符。创建 61 根骨骼。创建骨骼占位结构以模拟杰克伊龙（Jacky dragon）脊椎的数量，其中使用一个较大的骨骼占位结构来模拟头部。从颈部开始，沿尾部末端构建一条虚拟的脊柱。将前肢（每侧由四个骨骼占位结构组成）融合至脊柱上。当所有骨骼占位结构创建完成后，将整个对象发送至 Lightwave® Layout，在其中将骨骼占位结构转换为骨骼。

添加权重着色

独立的权重图取值范围为 –100% 到 +100%，用于均匀分配运动。将四肢、尾巴和头部指定为正值（+）权重图，身体则赋予负值（-）权重图。

从存档视频中提取刺激材料

使用索尼MiniDV数字录像机PAL播放器在索尼特丽珑显示器上播放存档的蜥蜴视频，向饲养在围栏中的活体蜥蜴展示（初始视频采集方法见Ord和Evans，2002年；Ord，Peters，Evans和Taylor，2002年；Van Dyk和Evans，2007年）。使用佳能（MV650i）数码摄像机记录蜥蜴的反应，摄像机放置在距离围栏约一米的位置。蜥蜴的大小根据显示器上栖木的代表性尺寸进行比例缩放。在Apple Quicktime™ v7.0中导出为单独的连续JPEG图像。

用于刺激复现的逐帧描摹技术

“动态遮罩”是一种将对象动画逐帧叠加到背景序列前景中的技术（Gatsey, Middleton, Jenkins, & Shubin, 1999）。将动画发送至 Lightwave® Layout，在其中可控制场景的灯光、摄像机、对象和背景特性。从存档的数字视频中选取运动模式，并使用 Apple QuickTime™ Player 7.0 导出为图像序列（JPEG 格式）。对象必须处于摄像机视野内。将图像序列中的第一张 JPEG 图像导入为背景。利用骨骼系统操控对象，并将其叠加至与背景图像对应的位置。每一帧都需进行“关键帧”设定，以保存对象的位置。将背景图像替换为下一张连续图像，并将对象调整至新的位置。重复此过程，直至完成整个序列。

完成序列的呈现

使用 Render Farm Commander v2.9 渲染大型序列片段或进行批量处理。Render Farm Commander (RFC) 通过连接多台计算机，形成一组处理器，以加快渲染速度。本项目采用四台 Apple Mac G5 双处理器计算机（共八个线程）分担渲染任务，将总耗时缩短至四小时。所有序列均保持 PAL-DV 标准（720 ¥ 576 像素分辨率；5:1 压缩比；水平分辨率 575 线；25 帧每秒）。

讨论

计算机生成的动画正日益成为研究动物行为中交流问题的流行工具。通过使用动画技术，研究人员可以专注于信号设计的特定方面，并操控以往因技术限制而无法研究的特征。尽管传统的模拟动物相遇实验仍能展示理论原理，但动画技术如今为更详细地分析互动过程提供了先进的工具。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
新项目	数码相机	Konica Minolta Holdings, Inc.	VI-9i	用于获取三维网格（由 New Dawn® - Bexley North, NSW 澳大利亚完成）
Lightwave® 3D	软件程序	NewTek Inc.	v8.3	用于创建动画
Canon	数码相机	Canon, inc.	EOS 5D	1280万像素
Grab	软件程序	Apple	v1.2	从照片和UV贴图中提取纹理
Adobe® Photoshop® Elements	软件程序	Adobe	v3.0	从照片中提取纹理
Render Farm Commander	软件程序	Bruce Rayne©	v2.9	在局域网中进行批量渲染
Mac Pro	计算机	Apple		四颗双核处理器（八线程）；用于创建和渲染动画
Sony MiniDV	数字录像机	Sony Corporation	GV-D300E	在刺激采集过程中播放刺激材料
Sony Trintron	彩色监视器	Sony Corporation	PVM-14M2A	用于刺激采集的单个显示器
Canon	数码摄像机	Canon, inc.	MV650i	在刺激采集过程中记录行为