步態(tài)驅動的四足動物低維物理運動生成研究.pdf

1、角色動畫是計算機動畫領域的核心問題之一，其研究目標在于依據(jù)動畫角色的自身屬性、所處環(huán)境、運動目標等約束，快速有效地生成相應的運動序列。兩足和四足角色是角色動畫領域的兩個主要研究對象。其中，隨著運動捕捉設備的廣泛使用和兩足角色運動數(shù)據(jù)的大量積累，兩足角色運動合成與識別研究得以迅速發(fā)展。然而，以四足陸地動物為代表的四足角色形態(tài)多變、種類繁多，適合運動捕捉的物種卻屈指可數(shù)。造成了四足動物的運動數(shù)據(jù)稀缺，進而導致了四足角色運動編輯與合成的研究相

2、對滯后。另一方面，相對于兩足角色，四足角色在運動時擁有更為豐富的步態(tài)模式和足跡約束，并且結構平衡性更為穩(wěn)固，使得基于物理模型的運動生成方法成為獲取四足動物運動序列的有效渠道。
　　因此，本文使用低維物理模型對四足動物運動模型進行抽象，并以動態(tài)的步態(tài)約束驅動低維物理運動生成，從而提出了一種面向四足動物的運動生成方法。用戶僅需要輸入直觀簡便的步態(tài)圖或速度信息，輔以少量的交互代價即可快速生成自定義四足運動。
　　本文的主要研究內(nèi)容

3、包括:
　　(1)一種面向四足動物運動生成的低維物理模型。
　　提出了一種面向四足運動的低維物理模型:首先，該模型使用“質點”和“剛體約束”來描述骨骼動畫中動畫角色的“關節(jié)點”和“骨骼”，并建立了相應的物理解算器;其次，通過建模線彈簧和扭力彈簧結構，對軀干、四肢、頭尾等肢體分別進行低維抽象;最后，基于四足動物生理和物理自由度的先驗知識，構造約束隊列修正低維物理模型的生成結果。基于該模型，用戶通過少量的交互即可快速生成具有視覺

4、真實感的四足動物運動，也能夠通過參數(shù)微調(diào)生成具備自定義風格的運動。
　　(2)一種面向低維物理運動生成的動態(tài)步態(tài)約束模型。
　　提出了一種動態(tài)步態(tài)約束模型。該模型能夠依據(jù)瞬時速度動態(tài)地對步態(tài)模式和步態(tài)參數(shù)進行規(guī)劃，也能夠通過識別步態(tài)圖估測運動速度。而后，基于所得到的步態(tài)參數(shù)和速度，并依據(jù)生物在運動中所遵守的能量優(yōu)化原則，建立腿部關節(jié)運動與時間、地形、步態(tài)之間的關聯(lián)模型，實時規(guī)劃每次擺腿動作的自適應足跡曲線。對于運動轉向的情形

5、，制定了頭部、軀干和足跡各自的轉向策略，從而能夠依據(jù)目標方向生成相應的足跡和全身約束。
　　(3)一個通用于四足動物的快速運動生成系統(tǒng)。
　　為了輔助用戶快速生成多樣化的運動，在現(xiàn)有步態(tài)約束模型和低維物理模型基礎上，為提高數(shù)據(jù)和參數(shù)的可重用性進行了相應的研究，其主要內(nèi)容包含:針對輸入的四足骨架的自動關節(jié)匹配和語義識別、基于形態(tài)相似度的層次化運動重定向以及面向風格化運動生成的語義標簽運算規(guī)則。在這些基礎上，將研究成果整合為一套