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1、三维角色动画设计论文 一、相关工作 在骨架提取方面,已经有很多自动生成骨架的方法。 Baran 等的 Pinocchio系统创造性地提出了骨架嵌入的 方法。在自动角色动画方面,骨架嵌入比骨架提取要好的原因 是对于复杂骨架的角色,骨架提取可能会产生不同的拓扑结构, 这就让使用者很难将原来有的骨架运动数据运用到其中来。虽 然可以通过附属肢体模板来鉴别复杂的附属肢体,但是由于拓 扑结构的复杂性,自动生成时也会产生各种不同的误差。骨架 嵌入相对于骨架提取的另一个优势就是它能够在骨架中定义角 色所需要的很多的结构信息,这是在提取的纯几何骨架图中难 以得到的。 几乎所有的网格变形技术,无论是基于表面的还是
2、基于体积的, 都可以用来作为基于骨架运动动画中的对表面进行蒙皮。 不幸的是,到目前为止,这些方法都不能实现实时的动画。 Baran等的线性混合蒙皮(LBS)具有简单高效并且能够利用 GPU进行运算,并可以根据骨架进行子空间变形等优点。虽然 在质量上的不能够达到很好的效果,但是它仍然成为在实践应 用中最常用的方法。所以我们的系统采用该方法。 二、原型系统设计设计过程 对于输入的三维角色模型,我们首先嵌入骨架,然后通过定义 骨骼运动对表面网格上每个顶点的变化的影响权值,将表面皮 肤依附在骨骼上。对于不同的角色,我们建立不同的罚函数去 惩罚那些我们不期望的骨架嵌入方式。基于样本用支持向量机 的方法求
3、得最大边缘解,然后对不同罚函数赋予不同的权值。 用人工智能中 A*启发式的方法在指数级的搜索空间里加速寻找 最优的骨架嵌入方式。在蒙皮阶段用热扩散方程的方法去计算 骨架运动时每一块骨骼对表面网格上顶点的影响权值。据骨架 的变化情况,插值计算出骨架的“蒙皮”模型的各个顶点的位 置变化。对于某个特定骨骼, “蒙皮”模型的顶点变换矩阵初 始姿势的变换矩阵的逆姿势变换后的矩阵。另外还要考虑到 一个顶点可能受多个骨骼运动的共同影响。 1.骨架嵌入 由于骨架嵌入需要将骨架重新定义大小和定位使得它能够正确 的嵌入到模型当中,所以它能公式化为一个优化的过程:计算 关节点的位置和朝向使它能够更好的适合于给定的模
4、型。但是 这个优化是一个三维空间的问题,所以连续优化的方法是不可 行的。因此可以建立一个用顶点表示潜在关节点,用边表示独 立的骨骼的图来简化优化问题。建立这样一个图是具有一定挑 战的,因为我们可以用未知数量的顶点和边来表示相同模型的 关节和骨架。我们在近似模型垂直等分的平面上建立中轴面, 并且建立圆心在中轴面上的圆的一个特定的集合,将这些图的 圆心连接起来形成一个图。然后使用自定义的离散的罚函数来 最优化的骨架嵌入这个图。为了帮助优化,在给定的骨架中可 以包括一些关节点的额外的信息。比如说对称的部位应该以相 同的名称命名,又比如如果一个关节被命名为脚,那么就表示 它应该事在模型中位置最低的一个
5、关节。由于定义的罚函数是 独立于具体的模型的,所以并没有减弱它的通用性。 2.简化骨架 前面的步骤建立了几何图 G=(V,E)来表示骨架,我们需要将它 嵌入到我们给定的骨架当中。给定骨架原先是以有 s个节点的 树的形式给出(在一般人形的骨架上会取 s=18),但是如果这 s 个节点没有经过简化,嵌入的优化过程是很难处理的。因此我 们需要一个简单的骨架,所以在嵌入骨架之前,需要将骨架简 化。所有的自由度为 2的关节都将被除去(比如说膝关节),关 节两端的骨骼块被连在一起。简化后的骨架将会只有 r个连接 点。那么骨架嵌入以后缺少某些必要关节的骨架怎么让角色动 起来呢?我们根据未简化骨架上关节在整条
6、边上的比例,重新 计算出该关节在简化骨架上的位置,然后插入到骨架中。在我 们的系统中,简化的骨架中 r7。简化后的结果就是我们可以 将简化的骨架嵌入到系统中以最小化罚函数惩罚的对象。否则 这样的工作是很难实现的。 3.离散的嵌入骨架和优化 一般不可能计算离散的嵌入方式时使罚函数最小,因为嵌入的 数量是指数级的。但是可以用类似分支定界的方法在问题的解 空间树 T上搜索问题解。我们使用这样一种方法:首先根据部 分嵌入的下界估计保存优先级队列。然后在每一步,取出在队 列中最好的部分嵌入,将它展开,与下一个关节进行计算,然 后将结果保存在队列中。所以,第一个被完整展开的嵌入就是 最好的嵌入。为了加速算
7、法并且尽可能少的占用内存,如果部 分嵌入有一个很高的下界,那么它将被立即拒绝并不在嵌入到 队列中。虽然这种算法在最坏的情况下依然是指数级的,但是 在我们测试实际情况它都是很快的。 在骨架嵌入前将骨架进行了简化,省略了很多的关节,比如说 膝关节,但简单骨架嵌入以后,要让角色真正的动起来,还是 需要重新插入这些关节。在这里可以通过按比列分割骨架图中 路径最短的边来得到。我们希望嵌入后的骨架能够很好的满足 角色的形态比列,但是,有时候骨架并不能很好的适应我们的 角色。同时,一些小的被忽略的骨骼块并没有被赋予正确的朝 向。骨架优化的过程就是为了解决这些问题的提出的。 4.蒙皮 我们的角色和嵌入的骨架在
8、将皮肤依附到骨架上之前是没有任 何关联的。骨架并不能够驱动角色运动。因此我们需要指定骨 架运动与角色表面网格变化之间的联系。虽然在这里我们可以 用很多的网格编辑技术来进行网格变形,但是我们选择标准的 LBS方法:假设表示网格顶点 j的坐标,表示第 i块骨骼的变 形矩阵,表示第 i块骨骼对第 j个网格顶点的变形权值。LBS 把 j变形后的位置表示为。我们的目标就是找到每一块骨骼变 化对所有顶点的影响权值。我们所期望权值有以下几个特性: 首先它应该与网格的大小无关,其次权值的变化应该平滑,最 后关节间两块骨骼的移动宽度必须与关节到表面网格的距离成 一定的比例。即使有一个方案能够得到权值使得骨骼能够
9、满足 这些特性,但是它们很可能失败因为他们忽略了角色的的几何 学特性。作为代替,我们用热平衡原理来寻找权值。假设我们 把角色的体积认为是一个不占容积的热导体,然后我们强迫骨 骼 i的温度为 1,而其他骨骼的温度为 0。当热平衡以后,我们 就可以把表面上每个顶点的温度值作为该骨骼对它影响的权值。 三、实验结果 盼盼动画系统设计时主要依照三个标准:广泛性。适应于尽 可能多的模型。对一些结构比较特殊,或者会产生歧义的模型 能够尽可能的正确嵌入骨架。质量。关键在于蒙皮的技术, 让表面皮肤能根据骨架运动驱动正确的位和形变,以期与视频 游戏中的模型相媲美。性能。运行在大多数的家用计算机上。 在盼盼动画系统
10、里对采用的模型进行了一些简单的限制:模型 必须是全封闭的,并且是以最自然的姿势站立,这样能大幅度 的提高骨架嵌入的准确性。当然模型需要是一个有四肢能被嵌 入人体骨架的。 图 3为盼盼三维角色动画系统的一张截图画面。系统主要包括 模型选取、BVH 运动数据选取、运行、视图操作、工具条等功 能。该系统的运行环境为英特尔酷睿双核 CPU,主频为 1.73Mhz,内存为 1GB。因为盼盼动画系统是单线程的,所以双 核的 CPU几乎没有什么影响。测试发现,计算的主要消耗花费 在分离过程中距离场的计算上。 4、展望 虽然盼盼动画系统在人体动画领域取得了一定的进展,但是它 依然存在着不足,限制着它的应用范围
11、。在技术方面,建立骨 架图的时候可以用椭圆来建立初始骨架图。在应用方面,首先 它的蒙皮质量在某些地方还可以改进,可以通过在骨架上自动 蒙皮的技术来提高质量;其次,它的骨架中的关节与一般人体 的关节有出入,不能由一般人体骨架运动的数据来驱动,这样 就不能很好地利用网络上大量的表现复杂运动的运动数据。另 外,盼盼动画系统依然不能够表现手部动画、脸部动画这些需 要细节的动作。如果能在后期中加入这些方面的应用,一定能 够得到更为广泛的应用,并且大大减少人体动画开发的整个周 期。 注释 LiuP,WuF,MaW,LiangR,OuhyoungM,“Automaticanimationske letonu
12、singrepulsiveforcefield”,Proc.ofPacificGraphics 2003,pp.309-413. TeichmannM,TellerS.“Assistedarticulationofclosedpoly gonalmodels.”Proc.ofComputerAnimationandSimulation98,p p.87-102. KatzS,TalA,“Hierarchicalmeshdecompositionusingfuzzyc lusteringandcuts”,ACMTransactionsonGraphics,2003,22(3):9 54-961.
13、 WadeL.Automatedgenerationofcontrolskeletonsforuseinan imation.PhDthesis,TheOhioStateUniversity,2000. BaranI,Popovi?J,“Automaticriggingandanimationof3Dcha racters”,ACMTransactionsonGraphics,2007,26(3):72. KryP,JamesD,PaiD,“EigenSkin:Realtimelargedeformation characterskinninginhardware”,Proc.ofSymposiumonCompute rAnimation(SCA)2003,pp.153-160. 摘要本文研究了怎样把现有的人体运动数据重新定向到新的动 画角色对象上,并实现了一个原型系统盼盼三维角色动画 系统。通过这种方法,用户只需要从动画库中选择所需的人体运 动,便可方便地控制任意三维动画角色的运动和变形,从而重 用现存的人体运动数据去控制新的角色,创作出一些夸张的动 画效果。 关键词运动重用三维角色计算机动画人体动画
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