一種基于樣例的三維動畫生成方法.pdf

1、計算機動畫綜合利用了計算機圖形圖像技術、藝術、數(shù)學、物理學和其他相關學科的知識來生成絢麗多彩的生動畫面。它給人們提供了一種模擬和觀察三維世界運動變化的革命性方法，并在電視業(yè)、工業(yè)界、廣告娛樂業(yè)和科學可視化等領域得到了極為廣泛的應用，給人們的生活帶來了深刻的影響。但隨之而來計算機動畫的兩個基本問題：(1) 如何快速高效而又低成本地制作大量的計算動畫?(2) 如何有效地重用已有的海量動畫資源?傳統(tǒng)的動畫技術主要包括參數(shù)關鍵幀技術、軌跡驅動技

2、術、變形動畫技術、過程動畫技術等。一些優(yōu)秀的動畫制作軟件實現(xiàn)了這些技術并投入商業(yè)應用，但這些系統(tǒng)的使用局限于一些經(jīng)驗豐富的專家，簡單易用的交互式建模和動畫制作技術依然是一個具有挑戰(zhàn)性的主題。在另一方面，三維草圖(Sketch)非常適合初學者，但在實際應用中其功能僅局限于簡單的網(wǎng)格和動畫處理。同時，盡管有無數(shù)耗費大量人力物力創(chuàng)作出來的具有高度藝術性和技巧性的動畫作品，但幾乎沒有現(xiàn)成的技術來幫助重用(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)有的動畫作品，從而快速容易地創(chuàng)建逼真的三維動畫。本文提出了一個基于樣例的三維動畫生成框架，該框架可以把多個源網(wǎng)格的動畫傳輸?shù)揭粋€目標網(wǎng)格，生成一個全新的三維動畫。該框架由以下幾個步驟組成：(a)使用草圖在源網(wǎng)格和目標網(wǎng)格間建立映射；(b)使用非閉合網(wǎng)格均值坐標(Mean Value Coordinates)，根據(jù)源動畫的運動風格來變形目標網(wǎng)格；(c)對變形后的目標網(wǎng)格求解最小化約束函數(shù)以獲取光滑

4、的目標網(wǎng)格，從而生成目標動畫的關鍵幀；(d)對由(c)產(chǎn)生的結果進行插值，產(chǎn)生完整的目標對象的三維動畫。另外，在這些技術的基礎上，本文還提出了基于樣例的交互式三維動畫生成方法，在保留源動畫基本風格的基礎上，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)格和目標網(wǎng)格有相同的頂點數(shù)和三角面片數(shù)，也不需要有類似的拓撲信息。源動畫既可以是三維的，也可以是二維視頻或Flash；目標對象

5、可以是無結構化數(shù)據(jù)，如點云數(shù)據(jù)。該方法直觀易用，可以生成逼真的三維動畫。本文通過從狗、貓、蛇、人體的三維動畫與二維車輪視頻來產(chǎn)生復雜的馬車動畫來闡明該方法，另外原型系統(tǒng)還產(chǎn)生其他幾個例子來進一步驗證其通用性和魯棒性。 總體上說，本文貢獻如下：√提出一個新的基于線型草圖的在源網(wǎng)格和目標網(wǎng)格間建立關聯(lián)(Correspondence)的方法； √擴展了僅適合閉合網(wǎng)格的均值坐標為適合非閉合網(wǎng)格的均值坐標(MeanValue Co

6、ordinates)； √提出了基于仿射矩陣的變形提取和合成方法√提出了從二維動畫生成三維動畫的方法； √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)能夠處理非結構化的數(shù)據(jù)，如點云數(shù)據(jù)。 √提出了基于樣例的交互式三維動畫生成方法√為了加強動畫的真實感，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，即通過組和這些不同的算法，提出了一個基于樣例(ByExamp

7、le)的完整的動畫制作系統(tǒng)——ABE原型系統(tǒng)。 本文按以下方式組織：在介紹計算機動畫的一些背景知識和研究現(xiàn)狀后，本文第二章詳細介紹了基于草圖的建立源對象和目標對象對應關系(Correspondence)的技術；第三章介紹了變形傳輸技術；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)格的多源反向運動學(Ⅸ)，即在現(xiàn)有樣例動畫的約束下，用戶交互地生成新的三維動畫：第六章介紹了原型系統(tǒng)及實驗結果；最后我們總結全文，并討論一