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一种基于样例的三维动画生成方法

作　者: 卢涤非
导　师: 叶修梓
学　校: 浙江大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 计算机视觉图形学草图变形动画均值坐标交互式动画制作工具逆向运动学
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

计算机动画综合利用了计算机图形图像技术、艺术、数学、物理学和其他相关学科的知识来生成绚丽多彩的生动画面。它给人们提供了一种模拟和观察三维世界运动变化的革命性方法，并在电视业、工业界、广告娱乐业和科学可视化等领域得到了极为广泛的应用，给人们的生活带来了深刻的影响。但随之而来计算机动画的两个基本问题：(1)如何快速高效而又低成本地制作大量的计算动画?(2)如何有效地重用已有的海量动画资源? 传统的动画技术主要包括参数关键帧技术、轨迹驱动技术、变形动画技术、过程动画技术等。一些优秀的动画制作软件实现了这些技术并投入商业应用，但这些系统的使用局限于一些经验丰富的专家，简单易用的交互式建模和动画制作技术依然是一个具有挑战性的主题。在另一方面，三维草图(Sketch)非常适合初学者，但在实际应用中其功能仅局限于简单的网格和动画处理。同时，尽管有无数耗费大量人力物力创作出来的具有高度艺术性和技巧性的动画作品，但几乎没有现成的技术来帮助重用(Reuse)这些素材。基于这种情况，本文提出了一套方法，能够方便地重用现有的动画作品，从而快速容易地创建逼真的三维动画。本文提出了一个基于样例的三维动画生成框架，该框架可以把多个源网格的动画传输到一个目标网格，生成一个全新的三维动画。该框架由以下几个步骤组成：(a)使用草图在源网格和目标网格间建立映射；(b)使用非闭合网格均值坐标(Mean Value Coordinates)，根据源动画的运动风格来变形目标网格；(c)对变形后的目标网格求解最小化约束函数以获取光滑的目标网格，从而生成目标动画的关键帧；(d)对由(c)产生的结果进行插值，产生完整的目标对象的三维动画。另外，在这些技术的基础上，本文还提出了基于样例的交互式三维动画生成方法，在保留源动画基本风格的基础上，用户可以交互地加入自己的创作思想。本文在上述几个方面深入研究，并把这些成果集成在原型系统中。该方法不需要源网格和目标网格有相同的顶点数和三角面片数，也不需要有类似的拓扑信息。源动画既可以是三维的，也可以是二维视频或Flash；目标对象可以是无结构化数据，如点云数据。该方法直观易用，可以生成逼真的三维动画。本文通过从狗、猫、蛇、人体的三维动画与二维车轮视频来产生复杂的马车动画来阐明该方法，另外原型系统还产生其他几个例子来进一步验证其通用性和鲁棒性。总体上说，本文贡献如下： √ 提出一个新的基于线型草图的在源网格和目标网格间建立关联(Correspondence)的方法； √ 扩展了仅适合闭合网格的均值坐标为适合非闭合网格的均值坐标(Mean Value Coordinates)； √ 提出了基于仿射矩阵的变形提取和合成方法 √ 提出了从二维动画生成三维动画的方法； √ 提出了一组基于仿射变换矩阵的光滑处理约束函数，这些函数能够处理非结构化的数据，如点云数据。 √ 提出了基于样例的交互式三维动画生成方法 √ 为了加强动画的真实感，提出了基于梯形的阴影锥(Shadow Volumes)快速产生算法； √ 最重要的贡献，即通过组和这些不同的算法，提出了一个基于样例(By Example)的完整的动画制作系统——ABE原型系统。本文按以下方式组织：在介绍计算机动画的一些背景知识和研究现状后，本文第二章详细介绍了基于草图的建立源对象和目标对象对应关系(Correspondence)的技术；第三章介绍了变形传输技术；第四章介绍了光滑、插值和阴影等后期处理；第五章介绍了基于网格的多源反向运动学(IK)，即在现有样例动画的约束下，用户交互地生成新的三维动画；第六章介绍了原型系统及实验结果；最后我们总结全文，并讨论一些将来的研究方向。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-21
  1.1 计算机动画的发展和应用背景  13-14
  1.2 计算机动画技术的研究现状及相关工作  14-15
  1.3 本文研究的动机及问题  15-19
  1.4 论文的组织结构图  19-20
  1.5 本章小结  20-21
第2章源与目标对应关系的建立  21-32
  2.1 绘制草图并生成相应ROI  21-25
  2.2 源ROI映射到目标ROI  25-31
  2.3 本章小结  31-32
第3章变形传输  32-60
  3.1 非闭合三角网格的均值坐标  32-36
    3.1.1 基于闭合三角网格的均值坐标  32-34
    3.1.2 推广—非闭合三角网格的均值坐标  34-36
  3.2 源动画运动信息的提取  36-41
    3.2.1 利用坐标差值描述源动画变形  37-38
    3.2.2 利用仿射矩阵描述源动画变形  38-41
  3.3 目标ROI顶点的变形  41-53
    3.3.1 仿射变换矩阵的合成  42-48
    3.3.2 目标ROI顶点的变形结果  48-53
  3.4 三维动画传输完整实例  53-55
  3.5 从二维动画生成三维动画  55-58
    3.5.1 二维运动轮廓线的提取  56-57
    3.5.2 控制网格—即源网格的生成  57-58
    3.5.3 二维动作映射到三维对象  58
  3.6 本章小结  58-60
第4章后期处理—光滑、插值、阴影  60-78
  4.1 光滑处理  60-67
  4.2 关键帧插值  67-69
  4.3 软阴影  69-77
    4.3.1 软阴影的背景情况  70-71
    4.3.2 用光线追踪获得软阴影  71-76
    4.3.3 软阴影实例  76-77
  4.4 本章小结  77-78
第5章基于样例的交互式三维动画的生成  78-90
  5.1 算法背景  78-80
  5.2 算法描述与实现  80-85
  5.3 实验结果  85-89
  5.4 本章小结  89-90
第6章原型系统及实验结果  90-108
  6.1 原型系统介绍  90-95
    6.1.1 系统界面  90-91
    6.1.2 系统体系结构  91-92
    6.1.3 系统数据结构  92-95
  6.2 实验结果  95-107
  6.3 本章小节  107-108
第7章结论与展望  108-112
  7.1 结论  108-109
  7.2 展望  109-112
参考文献  112-121
附录  121-122
攻读学位期间发表的学术论文  122-123
致谢  123

一种基于样例的三维动画生成方法

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