摘要：本文研究了怎樣把現(xiàn)有的人體運動數(shù)據(jù)重新定向到新的動畫角色對象上，并實現(xiàn)了一個原型系統(tǒng)——盼盼三維角色動畫系統(tǒng)。通過這種方法, 用戶只需要從動畫庫中選擇所需的人體運動，便可方便地控制任意三維動畫角色的運動和變形，從而重用現(xiàn)存的人體運動數(shù)據(jù)去控制新的角色，創(chuàng)作出一些夸張的動畫效果。

　　關(guān)鍵詞：運動重用 三維角色 計算機動畫 人體動畫

　　一、引言

　　在近十幾年里，計算機動畫技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展，以動畫卡通、網(wǎng)絡(luò)游戲、手機游戲、多媒體產(chǎn)品等為代表的動漫產(chǎn)業(yè)是21世紀知識經(jīng)濟的核心產(chǎn)業(yè)，被稱為21世紀最有希望的朝陽產(chǎn)業(yè)，這場“后現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)浪潮”不僅給全球經(jīng)濟戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)帶來了根本性轉(zhuǎn)變，也為進入新世紀的中國經(jīng)濟創(chuàng)造了一次千載難逢的歷史發(fā)展機遇。

　　但是，目前的動畫技術(shù)還遠沒達到理想的地步。計算機輔助二維動畫具有制作相對方便、制作成本低、對制作和運行的硬件環(huán)境要求較低等優(yōu)點。但是由于傳統(tǒng)的二維對象缺少顯式的三維信息，使得自動生成好的中間幀畫面非常困難，比如在變化過程中，特別是那些非平行于畫面的變換，引起的起各幀畫面之間對象的對應問題、剪影輪廓的變化問題、各個部分的自遮擋問題、保持形狀比例和體積問題等等，都是研究者們一直試圖解決的難點問題。

　　計算機動畫之所以有那么強大的表現(xiàn)能力，各式各樣逼真的模型扮演著舉足輕重的地位。這些模型大多由獨立的動畫軟件，如3DSMax、Maya、Softimage等進行設(shè)計。怎樣給一個靜態(tài)的模型賦予生命力，并讓它動起來一直是圖形學研究者感興趣的研究課題。三維動畫制作系統(tǒng)中，使用關(guān)節(jié)骨架控制三維動畫角色已非常流行，動畫師可以非常容易地設(shè)置和控制三維角色關(guān)節(jié)進行動畫控制。但是準確地控制三維模型的變形和運動使其符合實際的物理規(guī)律，特別是想要達到實時的要求，難度很大。一種解決方法為采用自動角色動畫。角色動畫動包括骨骼動畫和頂點動畫。骨骼動畫把整個人體按生理結(jié)構(gòu)分為許多部分（圖1－2）， 每個部分都有自己的幾何形體，然后再用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把所有的部分合理地組成為一個有層次的整體，例如，上臂連著前臂, 前臂連著手。骨骼動畫與頂點動畫相比，占用空間小，因為它不需要象頂點動畫那樣要存儲每一幀的各個頂點的數(shù)據(jù)，而是只需要存儲每一幀的骨骼的數(shù)據(jù)。骨骼的數(shù)據(jù)量與頂點的數(shù)據(jù)量相比，要少得多。所以骨骼動畫有很多優(yōu)勢，不管是在游戲、電影動畫還是虛擬現(xiàn)實中，生動逼真的動畫（人、動物等）會使之增色不少。當然骨骼動畫處理技術(shù)難度也很高，它需要解決的一個重要的問題是：如何得到和模型相關(guān)聯(lián)的骨架？

　　本文研究了把現(xiàn)有的人體運動數(shù)據(jù)重新定向到新的動畫角色對象上。通過這種方法,動畫師能夠利用現(xiàn)存的BVH人體運動數(shù)據(jù)去創(chuàng)造新的動畫。動畫角色對象常被賦予復雜的非剛體運動方式以達到夸張的效果，我們實現(xiàn)了三維角色的自動綁定，使之能做到局部的非剛體變形描述。若要生成新的動畫，只需要從動畫庫中選擇用戶所需的人體運動，便可方便地控制新的三維動畫角色的運動和變形。人體的運動數(shù)據(jù)可以來源于運動捕捉，也可以從現(xiàn)存的動畫和影片視頻中通過圖像處理和計算機視覺的方法來獲取。基于這些素材，我們可以得到運動的素材庫，作為動畫師創(chuàng)作新動畫的來源，從而豐富動畫產(chǎn)品的多樣化和體現(xiàn)制作者的創(chuàng)造性思維。在如今的計算機動畫中，建立模型的過程已經(jīng)變得比較簡單。但是如果要讓模型動起來，還需要人們手動去嵌入骨架，并且定義骨架驅(qū)動表面皮膚的每一個細節(jié)。這個復雜繁瑣的過程只能由專業(yè)的動畫師來完成，對于一些初學者來說是可望而不可及的。我們實現(xiàn)的系統(tǒng)可以讓一個靜態(tài)的模型可以根據(jù)給定的運動數(shù)據(jù)進行所需要的運動。整個過程由程序自動實現(xiàn)，不需要人手動來操作它。這樣的創(chuàng)新使它能夠表現(xiàn)更加復雜的動畫，因此不僅能夠為專業(yè)動畫師所用，而且讓初學者也能體驗到自己設(shè)計動畫的樂趣。

　　二、相關(guān)工作

　　在骨架提取方面，已經(jīng)有很多自動生成骨架的方法。①②③Baran等的Pinocchio系統(tǒng)創(chuàng)造性地提出了骨架嵌入的方法。在自動角色動畫方面，骨架嵌入比骨架提取要好的原因是對于復雜骨架的角色，骨架提取可能會產(chǎn)生不同的拓撲結(jié)構(gòu)，這就讓使用者很難將原來有的骨架運動數(shù)據(jù)運用到其中來。雖然可以通過附屬肢體模板來鑒別復雜的附屬肢體，但是由于拓撲結(jié)構(gòu)的復雜性，自動生成時也會產(chǎn)生各種不同的誤差。骨架嵌入相對于骨架提取的另一個優(yōu)勢就是它能夠在骨架中定義角色所需要的很多的結(jié)構(gòu)信息，這是在提取的純幾何骨架圖中難以得到的。

　　幾乎所有的網(wǎng)格變形技術(shù)，無論是基于表面的還是基于體積的，都可以用來作為基于骨架運動動畫中的對表面進行蒙皮。④⑤不幸的是，到目前為止，這些方法都不能實現(xiàn)實時的動畫。Baran等的線性混合蒙皮（LBS）具有簡單高效并且能夠利用GPU進行運算，并可以根據(jù)骨架進行子空間變形等優(yōu)點。雖然在質(zhì)量上的不能夠達到很好的效果，但是它仍然成為在實踐應用中最常用的方法。所以我們的系統(tǒng)采用該方法。⑥

　　三、原型系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計過程

　　對于輸入的三維角色模型，我們首先嵌入骨架，然后通過定義骨骼運動對表面網(wǎng)格上每個頂點的變化的影響權(quán)值，將表面皮膚依附在骨骼上。對于不同的角色，我們建立不同的罰函數(shù)去懲罰那些我們不期望的骨架嵌入方式。基于樣本用支持向量機的方法求得最大邊緣解，然后對不同罰函數(shù)賦予不同的權(quán)值。用人工智能中A*啟發(fā)式的方法在指數(shù)級的搜索空間里加速尋找最優(yōu)的骨架嵌入方式。在蒙皮階段用熱擴散方程的方法去計算骨架運動時每一塊骨骼對表面網(wǎng)格上頂點的影響權(quán)值。據(jù)骨架的變化情況，插值計算出骨架的“蒙皮”模型的各個頂點的位置變化。對于某個特定骨骼，“蒙皮”模型的頂點變換矩陣＝初始姿勢的變換矩陣的逆×姿勢變換后的矩陣。另外還要考慮到一個頂點可能受多個骨骼運動的共同影響。