基于運(yùn)動(dòng)庫(kù)的三維角色動(dòng)畫生成方法研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、如何生成逼真的三維角色動(dòng)畫一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)捕獲作為三維角色動(dòng)畫生成的一項(xiàng)主流技術(shù)，具有數(shù)據(jù)逼真度高細(xì)節(jié)豐富等特點(diǎn)，目前已成為計(jì)算機(jī)游戲、電影特效、訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)輔助分析等諸多領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)方法。然而該方法從原理上是三維運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單錄制和重放，無(wú)法提供對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)更多的交互控制。這使得該方法的數(shù)據(jù)可重用性低，難以適應(yīng)交互性強(qiáng)的應(yīng)用。 本文針對(duì)利用已有的運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)庫(kù)可控地生成新運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，即基于

2、運(yùn)動(dòng)庫(kù)的運(yùn)動(dòng)生成進(jìn)行了深入研究。主要成果如下： 第一，提出并實(shí)現(xiàn)了基于三維運(yùn)動(dòng)庫(kù)和一階概率轉(zhuǎn)移模型的運(yùn)動(dòng)控制方法 如何描述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)內(nèi)在的時(shí)空結(jié)構(gòu)，是基于運(yùn)動(dòng)庫(kù)運(yùn)動(dòng)生成方法的關(guān)鍵所在，決定了運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)能否簡(jiǎn)潔有效的根據(jù)外界約束生成新運(yùn)動(dòng)。 本文提出并實(shí)現(xiàn)了基于三維運(yùn)動(dòng)庫(kù)和一階概率轉(zhuǎn)移模型的運(yùn)動(dòng)控制方法。該方法把運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)看作一階馬爾可夫過(guò)程，即當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只和前一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。在運(yùn)動(dòng)庫(kù)預(yù)處理中，通過(guò)度量運(yùn)動(dòng)片段間的姿態(tài)速度相

3、似性，估計(jì)運(yùn)動(dòng)片段間轉(zhuǎn)移概率，從而建立了運(yùn)動(dòng)庫(kù)一階概率轉(zhuǎn)移模型。在檢索運(yùn)動(dòng)庫(kù)時(shí)，我們選擇和前一片段轉(zhuǎn)移概率最大的片段作為當(dāng)前片段，以此類推，最終得到概率最大的運(yùn)動(dòng)序列。我們以廣播體操為例，結(jié)合相應(yīng)的視頻為交互界面驗(yàn)證了本文方法的有效性。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠有效地反映運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)間的時(shí)空關(guān)系，提高運(yùn)動(dòng)庫(kù)檢索的準(zhǔn)確性。 第二，研究并實(shí)現(xiàn)了基于多尺度框架的運(yùn)動(dòng)片段平滑連接算法，保證了運(yùn)動(dòng)生成效果的逼真自然。 從運(yùn)動(dòng)庫(kù)檢索出來(lái)的運(yùn)動(dòng)

4、片段通常并不連續(xù)，需要進(jìn)行片段平滑連接才能保證最終的運(yùn)動(dòng)生成效果。數(shù)據(jù)連接方法很多，一般的插值方法即可勝任。然而，由于運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)不同于基于關(guān)鍵幀或物理仿真方法生成的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，其豐富的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)(即高頻分量)使得簡(jiǎn)單的插值方法難以穩(wěn)定估計(jì)運(yùn)動(dòng)片段在連接處的速度，最終難以得到平滑連接的效果。如何既保證片段間的平滑連接又保證原有的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)不被破壞，是運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)連接的難點(diǎn)。 本文采用多尺度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析方法，首先將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分解成一個(gè)低頻

5、基運(yùn)動(dòng)信號(hào)和不同層次的高頻細(xì)節(jié)分量，然后分別連接基運(yùn)動(dòng)信號(hào)和各層細(xì)節(jié)分量，最后將連接后細(xì)節(jié)分量逐層添加到新的基信號(hào)上，最終恢復(fù)得到連接后的運(yùn)動(dòng)。大量實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)對(duì)基信號(hào)和逐層細(xì)節(jié)分量的分別處理，平滑連接結(jié)果在連接處達(dá)到了c<'1>連續(xù)性并忠實(shí)地保持了原有的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。 第三，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有視頻交互界面的基于運(yùn)動(dòng)庫(kù)的運(yùn)動(dòng)生成平臺(tái) 隨著運(yùn)動(dòng)捕獲的廣泛應(yīng)用，高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)越來(lái)越豐富。如果能夠通過(guò)利用業(yè)已存在的運(yùn)動(dòng)庫(kù)，根據(jù)外界

6、交互，可控地生成新的運(yùn)動(dòng)，我們將能夠大大降低動(dòng)畫制作成本，并為交互式視頻游戲的開發(fā)提供新的技術(shù)思路。 本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有視頻交互界面的基于運(yùn)動(dòng)庫(kù)的運(yùn)動(dòng)生成平臺(tái)。該平臺(tái)首先交互式重構(gòu)出視頻關(guān)鍵幀的三維人體姿態(tài)，并計(jì)算出部分關(guān)節(jié)的角度曲線，接著根據(jù)運(yùn)動(dòng)庫(kù)一階概率轉(zhuǎn)移模型，從運(yùn)動(dòng)庫(kù)中匹配出符合相應(yīng)關(guān)節(jié)曲線的最大一階轉(zhuǎn)移概率運(yùn)動(dòng)序列，最后通過(guò)多尺度片段連接方法加以平滑連接，生成滿足關(guān)鍵幀約束的新運(yùn)動(dòng)。 我們采用了廣播體操運(yùn)動(dòng)視頻