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基于物理的虚拟角色运动重定向研究与实现

作　者: 袁铨
导　师: 张建中
学　校: 电子科技大学
专　业: 软件工程
关键词: 运动重定向运动捕获反向运动学动力学物理约束卡尔曼滤波器
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

计算机图形学(Computer Graphics, CG)近年来的蓬勃发展,使其已经被广泛的应用到了如电视电影特技,三维游戏制作,多媒体教育,军事模拟等各行各业。角色动画是计算机图形学中的一个重要研究方向,对它的研究结合了数学,物理学,计算机科学等学科的知识,虽然目前的角色动画技术已经比较成熟了,但是作为计算机图形学的一个分支,该领域的研究依然面临着重大的挑战和机遇。在未来,我们需要的效果是角色动画制作的场景让人的肉眼已经无法分辨真假。而今,离这个目标还有很长一段路要走。当前对运动捕获数据的研究和编辑是角色动画中的一个热点,运动重定向技术正是通过编辑运动捕获数据丰富了角色动作库,提高了角色动画制作的效率,同时也使动画制作的成本下降。本文分析了当前角色动画制作中所采用的主要运动重定向技术,结合在国家863计划探索导向类项目—支持数字媒体内容创作的集成环境中的实际应用,着重研究了以下三个方面的内容:第一,提出了针对具有完全不同骨骼拓扑结构的运动重定向方法。当前的运动重定向针对相同的骨骼拓扑结构的较多,而在针对差异很大的骨骼骨骼拓扑结构的重定向上,研究较少。本文从人体骨骼建模出发,对角色运动有重要影响的关节进行运动数据映射,采用约束限制的方法,修正重定向后的角色运动效果,在最大限度上保持了原始运动的特征;第二,建立了比较完善的物理约束。仅采用运动学方法,建模简单,但是生成的运动可能缺乏物理上的真实感;仅采用动力学方法,虽然可以满足动作的真实感要求,但是求解复杂,耗费时间。本文先采用反向运动学的方法求解满足约束位置的运动,然后建立平衡约束,扭矩约束和动量约束的约束解算器,输入重定向后的运动,输出符合物理约束条件的角色运动。该方法使用的解算器仅包含物理约束,把物理约束作为后期处理方法,降低了物理建模复杂度,同时使生成的运动可以维持物理特性;第三,结合关键帧技术对重定向后的动作编辑以合成新的动作。本文把关键帧技术作为重定向后期处理的一个重要补充,通过该技术无缝连接动画片段,使动作过渡平滑流畅,合成新的动作,丰富了运动捕获数据库。本文采用了大量的运动捕获文件作为测试用源文件,通过本文设计的基于物理的角色运动重定向的算法,证实了该方法在虚拟角色动画合成过程中,可以由原始运动捕获文件合成真实流畅的,符合物理规律及目标角色骨骼拓扑结构的,新的角色动画,在最大限度上保持原始动画的特征。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-20
  1.1 课题来源  11-12
  1.2 研究意义  12-15
    1.2.1 科学意义  12-13
    1.2.2 应用领域  13-15
  1.3 国内外研究现状  15-17
  1.4 本文的研究内容及创新  17-18
    1.4.1 拓扑结构可变的重定向  17-18
    1.4.2 符合物理约束的运动真实感模拟  18
    1.4.3 运动片段的平滑衔接  18
  1.5 本文的结构  18-20
第二章虚拟角色运动编辑技术研究  20-32
  2.1 运动编辑技术概述  20-21
  2.2 基于约束的运动重定向技术  21-28
    2.2.1 基于反向运动学的重定向技术  21-24
    2.2.2 基于时空约束的重定向技术  24-25
    2.2.3 基于物理的重定向技术  25-28
  2.3 动画关键帧编辑技术  28-30
    2.3.1 中间帧的生成  28-30
    2.3.2 动画关键帧的连接  30
  2.4 本章小结  30-32
第三章基于物理的虚拟角色重定向研究分析  32-40
  3.1 研究内容概述  32-37
    3.1.1 虚拟骨骼模型之间关节数据的映射  32-36
    3.1.2 基于约束重定向  36-37
  3.2 基于物理的虚拟角色重定向关键问题分析  37-39
    3.2.1 相异拓扑结构重定向  37-38
    3.2.2 较为完善的物理约束  38
    3.2.3 运动的平滑过渡  38-39
  3.3 本章小结  39-40
第四章基于物理的虚拟角色运动重定向的算法设计  40-62
  4.1 人体运动的数学方程描述  40-47
    4.1.1 虚拟人建模标准  40-42
    4.1.2 运动捕获文件分析  42-44
    4.1.3 骨骼模型运动的数学建模  44-47
  4.2 相同骨骼拓扑结构之间的数据映射  47
  4.3 不同骨骼拓扑结构之间的数据映射  47-52
    4.3.1 运动数据映射  47-50
    4.3.2 拷贝运动数据  50-51
    4.3.3 调整骨骼旋转角度  51-52
  4.4 消除重定向后的失真问题  52-57
    4.4.1 滑步问题的解决  52-54
    4.4.2 跳帧现象的处理  54-57
  4.5 重定向真实性的处理  57-60
    4.5.1 平衡约束建模  57-58
    4.5.2 转矩限制约束建模  58-59
    4.5.3 动量约束建模  59-60
  4.6 物理约束求解  60-61
  4.7 本章小结  61-62
第五章基于物理的虚拟角色运动重定向实现  62-74
  5.1 系统体系结构  62-63
  5.2 类图与主要数据结构  63-67
    5.2.1 系统主要类图与类层次结构  63-64
    5.2.2 系统主要数据结构  64-67
  5.3 运动捕获文件的解析  67
  5.4 几何约束求解  67-68
  5.5 物理方程式求解  68
  5.6 关键帧编辑  68-69
    5.6.1 四元数球面插值  68-69
    5.6.2 Hermite 三次样条插值  69
  5.7 人体骨骼渲染  69-70
  5.8 实验结果与性能测试  70-72
  5.9 对比测试  72-73
  5.10 本章小结  73-74
第六章运动重定向在实验平台ANIMA STUDIO 中的应用  74-81
  6.1 平台功能及效果  74-75
  6.2 实验结果  75-79
    6.2.1 运动重定向  75-76
    6.2.2 关键帧编辑合成运动  76-78
    6.2.3 语音控制智能动画合成  78-79
  6.3 对比测试  79-81
第七章总结与展望  81-83
  7.1 总结分析  81
  7.2 发展方向  81-83
致谢  83-84
参考文献  84-88
附录  88-98
  A. 源骨骼拓扑结构  88-94
  B. 目标骨骼的拓扑结构  94-98
攻硕期间取得的研究成果  98-100

基于物理的虚拟角色运动重定向研究与实现

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