专利名称：一种采用草绘的三维动画姿态建模方法
技术领域：
本发明涉及一种采用草绘的三维动画姿态建模方法，属于计算机动画和计算机图 形学技术领域，具体地说是一种支持用户以手绘草图进行三维动画姿态设计、姿态编辑和 运动生成与编辑的技术。
背景技术：
在计算机动画中，三维人体动画是最具难度和挑战的研究课题之一。人体动画创 作包括人体建模、姿态建模、动画建模三个步骤，其中姿态建模是指对人体的姿态所包含得 骨架空间位置、骨架长度、骨架轮廓等信息进行设计和编辑的过程，其在人体动画过程中具 有重要的作用。寻找一种简单有效的姿态建模方法是计算机人体动画领域的重要课题。姿态建模一般包含姿态生成、姿态编辑和姿态的动画三个过程。当前，传统姿态建 模方法是首先由模型设计师使用建模工具(如Maya、3DMaX等)根据动画设计师在二维 平面绘制的人物角色，进行三维人体姿态模型设计；接着由模型设计师根据动画设计师创 作的二维原动画序列，利用动画建模工具(如Motion Builder等)进行三维关键帧姿态设 计。在这种动画设计模式中，动画设计和模型设计过程相分离，使得动画设计师的创作意图 难以完整而真实地体现在人体模型和人体动画中；同时，动画建模工具对用户交互要求较 高，用户需要频繁在菜单、工具条等传统WIMP界面上切换操作模式，操作相当复杂，使整个 人物动画建模过程变得复杂冗长。因此，如何支持动画设计师有效表达自己的创作意图，并 进行快速有效的进行姿态建模成了迫切需要解决的问题。事实上，计算机动画技术并未改变动画设计师对传统纸笔绘制模式的偏爱，绘制 草图依然是动画师直接而快速的表达设计思想的有效方式。因此，能够支持动画师在二维 平面以手绘草图方式进行姿态建模对人体动画技术的发展有着重要意义。采用手绘草图进 行三维动画设计不仅更符合动画师设计习惯，且可以有效支持动画师设计意图的表达，简 化动画设计过程提高动画创作效率。但实现基于手绘草图的姿态建模面临着两个巨大挑 战其一在于草图解析。草图绘制方式具有随意性的特点，原始输入中往往包含冗余和模糊 信息，需要对用户输入的人体草图和交互的笔画进行预处理，同时草图的模糊性特点使得 对草图的解析相当困难。另一个难点在于草图人体和原动画序列是平面化的人体表示，如 何在二维草图与姿态模型之间建立映射关系，并在姿态模型和动画上保持动画师的创意存 在巨大挑战。已有的基于草图的姿态建模技术研究主要包括以下几种方法在姿态设计中文献 IChen Mao, Sheng Feng Qin, David Wright. A Sketch-based Approach to Human Body Modeling. Computers & Graphics，Volume 33，Issue 4，August 2009，Pages :521_541 提 出了一种基于三维人体模板形变的方法，该方法允许用户绘制人体骨架线及皮肤轮廓构造 简单的人体几何模型。但该方法需要同时绘制人体的骨架和轮廓线才能实现三维人体姿 态设计，这不符合动画师只通过勾画轮廓表现人物形象的绘制习惯。文献2Kho Y,Garland Μ.Sketching Mesh Deformations. Proceedings of the ACM Symposium on Interactive3D Graphics, Washington D. C.，2005，Pages : 147-154 提出了一种基于手绘曲线的模型变 形方法，该方法支持用户在任意视角通过在模型上绘制曲线来确定需要变形的区域，并且 通过描绘另外一条曲线达到变形效果。该方法虽支持以笔画交互方式进行姿态编辑，但一 方面，该方法在三维模型上进行操作的方式仍不符合动画师二维平面动画创作习惯，另一 方面，该算法并未采用任何的骨骼结构，导致被调整后的姿态模型失去了在帧与帧之间模 型的骨架结构和外观特征的一致性。文献3 Matthew Thorne, David Burke, Michiel van de Panne. Motion Doodles :An Interface for Sketching Character Motion. Computer Graphics Proceedings,Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH 2004, Pages :424_431 定义了一组运动手势，系统通过解析用户笔画所属的手势类型并调用对应的运动数据驱动 人体模型生成动画。但该系统所能生成的人体动画局限于所定义的动作类型和使用的运动 数据，不能生成丰富的动画，方法缺乏灵活性，不能满足动画创作要求。
概括起来，手绘草图是支持动画师以二维纸笔模式进行三维动画姿态建模的有效 方式，但现有方法并不能满足动画师姿态建模的要求。如Chen Mao基于模板的方法要求 用户首先绘制人体骨架再绘制人体轮廓线，这种复杂的交互方式使得用户操作起来相当复 杂，无法满足快速姿态设计的需要；Kho Y提出的动画关键帧姿态模型编辑方法是基于三 维模型的操作，而从二维平面的笔画交互实现三维姿态模型的编辑更符合动画师的操作习 惯，同时该方法使用的模型不包括骨架信息，导致该方法不能保持姿态模型帧间的一致性； Matthew Thorne的笔画动作定义生成动画的方法，能有效生成人体动画，但该方法得到的 人体动画局限于使用的人体运动数据，无法满足实际动画设计的要求。因此，如何有效支持 动画设计师的绘制习惯，如何过二维的草绘交互实现姿态模型设计和编辑，以及如何快速 有效生成灵活多变的动画成了当前草图人体动画研究的重要课题。
发明内容
发明目的本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种采用 草绘的三维动画姿态建模方法，该方法支持动画师以草绘方式进行三维动画姿态模型设计 和编辑，以及方便灵活的进行三维人体动画生成。技术方案本发明公开了一种采用草绘的三维动画姿态建模方法，包括以下步 骤步骤一，人体姿态模型生成解析输入的人体轮廓草图，生成三维人体姿态模型， 具体包括以下步骤步骤(11)，草图处理与人体关节点定位判断草图的有效性；解析人体轮廓草图， 初始化初始关节点位置；根据关节点连接关系定位关节点；步骤(12)，姿态参数提取识别人体骨架结构；根据人体骨架模板和人体姿态约 束，解析骨架姿态；通过人体轮廓草图解析，获取骨架轮廓特征；步骤(13)，基于姿态模板形变的姿态生成根据草图提取的姿态参数对姿态模板 进行调整；根据姿态模板形变生成三维人体姿态模型；步骤二，人体姿态模型编辑选择视角将三维人体姿态模型组件化投影到二维平 面；通过解析输入的姿态交互笔画，获取姿态调整信息，对三维人体姿态模型的骨架空间位 置、骨架长度和骨架轮廓进行编辑，生成新的三维人体姿态模型；对三维人体姿态模型采用人体姿态模型编辑方法，生成多个三维人体姿态模型的关键帧；步骤三，运动生成与编辑采用基于核规约的运动插值方法生成三维人体动画； 调整三维人体动画的中间帧姿态模型，采用运动平滑方法得到新的三维人体动画。本发明步骤一中，所述草图处理与人体关节点定位包括以下步骤保存人体轮廓草图所述人体轮廓草图由十个人体草图组件组成，分别为头部、躯 干和四肢，其中头部和躯干各为一个组件，四肢为八个组件，表示为S = (S1, S2. . .，Sltl)，其 中Si为单笔画草图组件，Si = {Pj|Pj = (Xjjyj)，j = 1，. . .，Mi}，Pj表示草图组件中第j个 采样点，Xj和Yj表示第j个采样点的坐标位置，Mi为该草图组件总的采样点数；判断输入草图的有效性识别人体轮廓草图中草图组件的个数，如果为十个草图 组件，则判定是有效的人体轮廓草图，否则判定为无效的人体轮廓草图；采用最小外接矩形法获取各草图组件的初始关节点位置集合，记为P = {^,i>2|i = l,2,...,10}，其中关节点泞和关节点if表示草图组件Si对应的两个初 始关节点；采用关节点定位方法定位关节点，得到人体关节点位置集合，记为J= {Jjn = 1，2，...，14}，其中Jn表示了人体第η个关节点的位置。本发明中，所述最小外接矩形法初始化关节点位置，包括以下步骤步骤(31)对于一个草图组件Si = {pjlpj = (xj; yj)，j = 1，...，Mj，计算该草
图组件中各采样点的中心点坐标Oi (x。，y。)，所述
权利要求
一种采用草绘的三维动画姿态建模方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一，人体姿态模型生成解析输入的人体轮廓草图，生成三维人体姿态模型，具体包括以下步骤步骤(11)，草图处理与人体关节点定位判断草图的有效性；解析人体轮廓草图，初始化初始关节点位置；根据关节点连接关系定位关节点；步骤(12)，姿态参数提取识别人体骨架结构；根据人体骨架模板和人体姿态约束，解析骨架姿态；通过人体轮廓草图解析，获取骨架轮廓特征；步骤(13)，基于姿态模板形变的姿态生成根据草图提取的姿态参数对姿态模板进行调整；根据姿态模板形变生成三维人体姿态模型；步骤二，人体姿态模型编辑选择视角将三维人体姿态模型组件化投影到二维平面；通过解析输入的姿态交互笔画，获取姿态调整信息，对三维人体姿态模型的骨架空间位置、骨架长度和骨架轮廓进行编辑，生成新的三维人体姿态模型；对三维人体姿态模型采用人体姿态模型编辑方法，生成多个三维人体姿态模型的关键帧；步骤三，运动生成与编辑采用基于核规约的运动插值方法生成三维人体动画；调整三维人体动画的中间帧姿态模型，采用运动平滑方法得到新的三维人体动画。
2.根据权利要求1所述的一种采用草绘的三维动画姿态建模方法，其特征在于，步骤 一中，所述草图处理与人体关节点定位包括以下步骤保存人体轮廓草图所述人体轮廓草图由十个人体草图组件组成，分别为头部、躯干和 四肢，其中头部和躯干各为一个组件，四肢为八个组件，表示为S = (S1, S2. . .，Sltl)，其中Si 为单笔画草图组件，Si= {pjlpj= (Xj，yj)，j = 1，...，MiLpj表示草图组件中第j个采样 点，Xj和Yj表示第j个采样点的坐标位置，Mi为该草图组件总的采样点数；判断输入草图的有效性识别人体轮廓草图中草图组件的个数，如果为十个草图组件， 则判定是有效的人体轮廓草图，否则判定为无效的人体轮廓草图；采用最小外接矩形法获取各草图组件的初始关节点位置集合，记为 尸= {if，if U = l，2，...，10},其中关节点if和关节点/f表示草图组件Si对应的两个初始关节占.^ w\ 采用关节点定位方法定位关节点，得到人体关节点位置集合，记为 J = UJn = 1，2，. . .，14}，其中Jn表示了人体第η个关节点的位置。
3.根据权利要求2所述的一种采用草绘的三维动画姿态建模方法，其特征在于，所述 最小外接矩形法初始化关节点位置，包括以下步骤步骤(31)对于一个草图组件Si = {pjlpj = (xj; yj), j = 1，...，MJ，计算该草图组
4.根据权利要求2所述的一种采用草绘的三维动画姿态建模方法，其特征在于，所述 关节点定位方法，具体包括以下步骤步骤(41):在初始关节点位置集合/ = {巧,只2丨/ = 1，2，...，10}中，计算纵坐标最小的关节 点斤，以及与关节点泞相关联的关节点if ；从初始关节点位置集合P中删除关节点圩，并在 新的关节点位置集合P中计算距离关节点if欧氏距离最近的关节点，将该关节点标记为J1, 并从集合P中删除关节点J1;步骤(42)在初始关节点位置集合P中计算距离关节点J1欧氏距离最近的两个关节 点，分别标记为关节点J3和关节点J4 ；对与关节点J1相关联的关节点，计算与其欧氏距离最 近的两个关节点，分别标记为关节点J5和关节点J6 ；从初始关节点位置集合P中删除关节 点J3、关节点J4、关节点J5以及关节点J6 ；步骤(43)对于与关节点J3相关联的关节点Pi,计算与其欧氏距离最近的关节点Pj,将与关节点P」相关联的关节点标记为J7,同时生成新的关节点生成关节点J8,关节点J8的 位置为关节点Pi和关节点P」的中点；从初始关节点位置集合P中删除关节点Pi、关节点Pj 以及关节点J7 ；步骤(44)对于关节点J4、关节点J5和关节点J6采用步骤43的计算方法，分别生成关 节点J9、关节点J1(l、关节点Jn、关节点J12、关节点J13以及关节点J14 ；由此得到人体关节点 位置集合
5.根据权利要求1所述的一种采用草绘的三维动画姿态建模方法，其特征在于，步骤 二中，人体姿态模型编辑包括以下步骤步骤(51)将人体姿态模型的各组件的外轮廓投影到二维平面，包括以下步骤对人 体姿态模型的各组件，计算其网格点坐标在二维平面投影的最外轮廓坐标；将组件的外轮 廓投影点相连得到组件的外轮廓，从而得到人体姿态模型的组件化外轮廓投影；步骤(52)骨架空间位置编辑，包括以下步骤对于输入的骨架空间位置编辑笔画，计 算笔画的起始点Pstot和终止点Pmd的位置；查找距离起始点Pstmt距离最近的关节点记为 P1 ；判断关节点P1的类型，当关节点P1为人体末关节点时，调整末关节点位置，当关节点P1 为中间关节点时，调整该中间关节点以及与其相关联的末关节点位置；关节点位置调整方法为根据关节点P1确定旋转的轴点；根据终止点Pmd的位置确 定骨架的旋转角度；根据骨架的长度确定关节点的深度变化，由此得到各关节点的新的坐 标；步骤(53)骨架长度编辑，包括以下步骤对于输入的骨架长度编辑笔画，计算笔画的 起始点Pstot和终止点Pmd的位置；查找距离起始点Pstot距离最近的关节点记为P1 ；将关节 点P1的坐标设置为终止点Pmd的坐标；通过计算终止点Pmd相对于关节点P1的位移量，计 算与关节点P1相关联的所有关节点的新的坐标；步骤(54)骨架外观轮廓编辑，包括以下步骤对于输入的轮廓编辑笔画，计算笔画的 起始点Pstot和终止点Pmd的位置，判断距离起始点Pstot距离最近的组件轮廓，该组件为需 轮廓调整的组件；根据笔画的方向确定轮廓的调整方式，当笔画方向指向另一条轮廓线时， 表示对该组件收缩轮廓，否则，表示扩大该组件轮廓；计算笔画的长度与骨骼长度比例，以 此确定轮廓的缩放比例；通过对人体轮廓模板的缩放实现人体外轮廓的编辑。
6.根据权利要求1所述的一种采用草绘的三维动画姿态建模方法，其特征在于，步骤 三中，采用基于核规约的运动插值方法生成三维人体动画，具体包括以下步骤三维人体 动画表示为Framet=Cii1,if,..., if,...，if),t = 1,2, ... , Τ，其中t表示了动画帧的序号，
7.根据权利要求1所述的一种采用草绘的三维动画姿态建模方法，其特征在于，步骤 三中，调整三维人体动画中间帧姿态模型，采用运动平滑方法得到新的三维人体动画，包括 以下步骤步骤(71)对于三维人体动画
全文摘要
本发明公开了一种采用草绘的三维动画姿态建模方法，包括姿态生成、姿态编辑和运动生成与编辑三个部分首先解析用户输入的组件化人体轮廓草图，提取人体骨架结构、骨架姿态和骨架轮廓等姿态参数，并生成三维人体姿态模型；其次，将三维人体姿态模型组件化投影到二维平面，通过二维草绘交互，对三维人体姿态模型的骨架空间位置、骨架长度和骨架轮廓进行编辑；最后，采用基于核规约的运动插值方法插值姿态关键帧生成三维人体动画，并采用草绘交互方式编辑人体动画。本发明与传统三维人体姿态建模方法相比，能有效支持动画师以二维草绘方式进行姿态设计和编辑，对于三维人体动画的发展有着重要意义。
文档编号G06T17/00GK101958007SQ20101028668
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者孙正兴, 张尧烨, 李毅, 陈松乐 申请人:南京大学