一種基于樣例的三維動(dòng)畫生成方法.pdf

1、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和其他相關(guān)學(xué)科的知識(shí)來(lái)生成絢麗多彩的生動(dòng)畫面。它給人們提供了一種模擬和觀察三維世界運(yùn)動(dòng)變化的革命性方法，并在電視業(yè)、工業(yè)界、廣告娛樂(lè)業(yè)和科學(xué)可視化等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用，給人們的生活帶來(lái)了深刻的影響。但隨之而來(lái)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的兩個(gè)基本問(wèn)題：(1) 如何快速高效而又低成本地制作大量的計(jì)算動(dòng)畫?(2) 如何有效地重用已有的海量動(dòng)畫資源?傳統(tǒng)的動(dòng)畫技術(shù)主要包括參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)、軌跡驅(qū)動(dòng)技

2、術(shù)、變形動(dòng)畫技術(shù)、過(guò)程動(dòng)畫技術(shù)等。一些優(yōu)秀的動(dòng)畫制作軟件實(shí)現(xiàn)了這些技術(shù)并投入商業(yè)應(yīng)用，但這些系統(tǒng)的使用局限于一些經(jīng)驗(yàn)豐富的專家，簡(jiǎn)單易用的交互式建模和動(dòng)畫制作技術(shù)依然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的主題。在另一方面，三維草圖(Sketch)非常適合初學(xué)者，但在實(shí)際應(yīng)用中其功能僅局限于簡(jiǎn)單的網(wǎng)格和動(dòng)畫處理。同時(shí)，盡管有無(wú)數(shù)耗費(fèi)大量人力物力創(chuàng)作出來(lái)的具有高度藝術(shù)性和技巧性的動(dòng)畫作品，但幾乎沒(méi)有現(xiàn)成的技術(shù)來(lái)幫助重用(Reuse)這些素材。 基于這種

3、情況，本文提出了一套方法，能夠方便地重用現(xiàn)有的動(dòng)畫作品，從而快速容易地創(chuàng)建逼真的三維動(dòng)畫。本文提出了一個(gè)基于樣例的三維動(dòng)畫生成框架，該框架可以把多個(gè)源網(wǎng)格的動(dòng)畫傳輸?shù)揭粋€(gè)目標(biāo)網(wǎng)格，生成一個(gè)全新的三維動(dòng)畫。該框架由以下幾個(gè)步驟組成：(a)使用草圖在源網(wǎng)格和目標(biāo)網(wǎng)格間建立映射；(b)使用非閉合網(wǎng)格均值坐標(biāo)(Mean Value Coordinates)，根據(jù)源動(dòng)畫的運(yùn)動(dòng)風(fēng)格來(lái)變形目標(biāo)網(wǎng)格；(c)對(duì)變形后的目標(biāo)網(wǎng)格求解最小化約束函數(shù)以獲取光滑

4、的目標(biāo)網(wǎng)格，從而生成目標(biāo)動(dòng)畫的關(guān)鍵幀；(d)對(duì)由(c)產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行插值，產(chǎn)生完整的目標(biāo)對(duì)象的三維動(dòng)畫。另外，在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文還提出了基于樣例的交互式三維動(dòng)畫生成方法，在保留源動(dòng)畫基本風(fēng)格的基礎(chǔ)上，用戶可以交互地加入自己的創(chuàng)作思想。本文在上述幾個(gè)方面深入研究，并把這些成果集成在原型系統(tǒng)中。該方法不需要源網(wǎng)格和目標(biāo)網(wǎng)格有相同的頂點(diǎn)數(shù)和三角面片數(shù)，也不需要有類似的拓?fù)湫畔?。源?dòng)畫既可以是三維的，也可以是二維視頻或Flash；目標(biāo)對(duì)象

5、可以是無(wú)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該方法直觀易用，可以生成逼真的三維動(dòng)畫。本文通過(guò)從狗、貓、蛇、人體的三維動(dòng)畫與二維車輪視頻來(lái)產(chǎn)生復(fù)雜的馬車動(dòng)畫來(lái)闡明該方法，另外原型系統(tǒng)還產(chǎn)生其他幾個(gè)例子來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證其通用性和魯棒性。 總體上說(shuō)，本文貢獻(xiàn)如下：√提出一個(gè)新的基于線型草圖的在源網(wǎng)格和目標(biāo)網(wǎng)格間建立關(guān)聯(lián)(Correspondence)的方法； √擴(kuò)展了僅適合閉合網(wǎng)格的均值坐標(biāo)為適合非閉合網(wǎng)格的均值坐標(biāo)(MeanValue Co

6、ordinates)； √提出了基于仿射矩陣的變形提取和合成方法√提出了從二維動(dòng)畫生成三維動(dòng)畫的方法； √提出了一組基于仿射變換矩陣的光滑處理約束函數(shù)，這些函數(shù)能夠處理非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，如點(diǎn)云數(shù)據(jù)。 √提出了基于樣例的交互式三維動(dòng)畫生成方法√為了加強(qiáng)動(dòng)畫的真實(shí)感，提出了基于梯形的陰影錐(Shadow Volumes)快速產(chǎn)生算法； √最重要的貢獻(xiàn)，即通過(guò)組和這些不同的算法，提出了一個(gè)基于樣例(ByExamp

7、le)的完整的動(dòng)畫制作系統(tǒng)——ABE原型系統(tǒng)。 本文按以下方式組織：在介紹計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的一些背景知識(shí)和研究現(xiàn)狀后，本文第二章詳細(xì)介紹了基于草圖的建立源對(duì)象和目標(biāo)對(duì)象對(duì)應(yīng)關(guān)系(Correspondence)的技術(shù)；第三章介紹了變形傳輸技術(shù)；第四章介紹了光滑、插值和陰影等后期處理；第五章介紹了基于網(wǎng)格的多源反向運(yùn)動(dòng)學(xué)(Ⅸ)，即在現(xiàn)有樣例動(dòng)畫的約束下，用戶交互地生成新的三維動(dòng)畫：第六章介紹了原型系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后我們總結(jié)全文，并討論一