步態(tài)驅(qū)動(dòng)的四足動(dòng)物低維物理運(yùn)動(dòng)生成研究.pdf

1、角色動(dòng)畫是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫領(lǐng)域的核心問題之一，其研究目標(biāo)在于依據(jù)動(dòng)畫角色的自身屬性、所處環(huán)境、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等約束，快速有效地生成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)序列。兩足和四足角色是角色動(dòng)畫領(lǐng)域的兩個(gè)主要研究對(duì)象。其中，隨著運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備的廣泛使用和兩足角色運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的大量積累，兩足角色運(yùn)動(dòng)合成與識(shí)別研究得以迅速發(fā)展。然而，以四足陸地動(dòng)物為代表的四足角色形態(tài)多變、種類繁多，適合運(yùn)動(dòng)捕捉的物種卻屈指可數(shù)。造成了四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)稀缺，進(jìn)而導(dǎo)致了四足角色運(yùn)動(dòng)編輯與合成的研究相

2、對(duì)滯后。另一方面，相對(duì)于兩足角色，四足角色在運(yùn)動(dòng)時(shí)擁有更為豐富的步態(tài)模式和足跡約束，并且結(jié)構(gòu)平衡性更為穩(wěn)固，使得基于物理模型的運(yùn)動(dòng)生成方法成為獲取四足動(dòng)物運(yùn)動(dòng)序列的有效渠道。
　　因此，本文使用低維物理模型對(duì)四足動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行抽象，并以動(dòng)態(tài)的步態(tài)約束驅(qū)動(dòng)低維物理運(yùn)動(dòng)生成，從而提出了一種面向四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)生成方法。用戶僅需要輸入直觀簡(jiǎn)便的步態(tài)圖或速度信息，輔以少量的交互代價(jià)即可快速生成自定義四足運(yùn)動(dòng)。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容

3、包括:
　　(1)一種面向四足動(dòng)物運(yùn)動(dòng)生成的低維物理模型。
　　提出了一種面向四足運(yùn)動(dòng)的低維物理模型:首先，該模型使用“質(zhì)點(diǎn)”和“剛體約束”來描述骨骼動(dòng)畫中動(dòng)畫角色的“關(guān)節(jié)點(diǎn)”和“骨骼”，并建立了相應(yīng)的物理解算器;其次，通過建模線彈簧和扭力彈簧結(jié)構(gòu)，對(duì)軀干、四肢、頭尾等肢體分別進(jìn)行低維抽象;最后，基于四足動(dòng)物生理和物理自由度的先驗(yàn)知識(shí)，構(gòu)造約束隊(duì)列修正低維物理模型的生成結(jié)果?；谠撃Ｐ?，用戶通過少量的交互即可快速生成具有視覺

4、真實(shí)感的四足動(dòng)物運(yùn)動(dòng)，也能夠通過參數(shù)微調(diào)生成具備自定義風(fēng)格的運(yùn)動(dòng)。
　　(2)一種面向低維物理運(yùn)動(dòng)生成的動(dòng)態(tài)步態(tài)約束模型。
　　提出了一種動(dòng)態(tài)步態(tài)約束模型。該模型能夠依據(jù)瞬時(shí)速度動(dòng)態(tài)地對(duì)步態(tài)模式和步態(tài)參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃，也能夠通過識(shí)別步態(tài)圖估測(cè)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)中所遵守的能量?jī)?yōu)化原則，建立腿部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與時(shí)間、地形、步態(tài)之間的關(guān)聯(lián)模型，實(shí)時(shí)規(guī)劃每次擺腿動(dòng)作的自適應(yīng)足跡曲線。對(duì)于運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向的情形

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