计算机动画中运动生成与控制问题研究

论文摘要

随着计算机图形学与硬件技术的高速发展,计算机动画作为一种高技术、高智力和高艺术的创造性工作日益渗透到所有人的生活。虽然现有的计算机动画技术已达到前所未有的水平,但在追求更逼真的视觉效果、更丰富的设计手段及更高的自动化程度方面尚有很大余地,向研究人员提出了更高的挑战,因此计算机动画相关理论与算法的研究近年来已成为计算机图形学领域中的研究热点。围绕计算机动画中高度逼真运动的生成与控制的关键理论问题和困难,研究如何有效地生成高度真实感的运动。从关键帧插值、运动捕获和运动合成等方面进行了深入研究,通过建立新的运动生成与控制的理论和方法,探索动画中运动生成和控制的可控性、复杂性和逼真性之间的关系,以提高计算机动画中运动生成与控制的交互性和运动的真实感。针对传统关键帧插值技术所带来的动画效果不光顺、不逼真等问题,提出了一种速度插值算法。根据对象运动路径的不同表达形式,将算法分为参数曲线、二维隐曲线和三维隐曲线的三种速度插值算法。通过分别设置对象的运动路径和速度曲线,建立插值点和速度之间的关系,从而快速、直观生成与速度相关的运动序列。同一路径不同速度曲线,不同路径相同速度曲线均可生成不同的动画序列,带来较高逼真度的同时,也提高了动画生成的复用性。将速度插值算法进一步推广到目前的研究热点-人体动画中。首先研究了参数曲线速度插值算法在关节动画的应用,提出了一种关节动画的速度插值实现方法,通过速度插值算法与逆向运动学的直接结合,并进一步将关节角矢量与关节速度矢量相联系,该方法均能满足关节运动生成与速度的关联性,达到光顺、自然的效果。同时在此基础上,以步行运动为例,提出了速度插值的人体运动控制方法。通过构建步行辅助模型,结合关节角和辅助关节角,实现速度插值人体步行运动的控制生成。当指定不同骨架、不同运动形式时,速度插值算法依然可以灵活应用到人体动画中。讨论了基于单视图视频的运动捕获技术,采用了基于光流的特征跟踪方法对所标注的关节点进行跟踪,对跟踪获取的二维运动数据逐帧进行三维重建。在三维重建中的自遮挡运动信息问题上,提出了一种基于几何-运动约束的遮挡恢复策略。对于被遮挡关节点的运动信息,利用与其相邻的未被遮挡关节点的几何关系进行恢复,并利用运动约束关系排除多余的恢复结果,得到唯一的结果,实现了一种计算简单、低成本的单视图视频运动捕获技术。通过寻找运动合成各个子问题的共性和特性,提出了一种运动合成的分类方法,将运动合成分为运动混合和运动连接两大类。结合传统的时间变形算法和时间均匀缩放技术,提出了基于最小帧间距的时间规整技术搜索全局最优混合路径,结合插值技术进行运动融合和运动嵌入的编辑。同时,根据需连接的运动序列的发生时间关系把运动连接分为运动过渡和运动交叉两种。分别利用最大帧间距或最小帧间距重计算过渡或交叉区间,以保证过渡或交叉运动的平滑。最后,对于合成后的运动结果进行约束分析,给出了约束匹配的各项原则,以保证合成运动与真实运动要求相吻合。计算机动画的运动控制问题在关键帧插值、运动捕获、运动合成、人体运动四个方面进行了较为全面的分析和深入的研究。提出的各种方案和算法,从不同角度解决了计算机动画中存在的计算量大和真实感较差等主要问题,可作为现有技术的一种有益补充,并且对计算机动画中相关问题的研究具有一定的理论启发意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景、目的和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 全文组织结构
• 2 计算机动画运动生成与控制技术综述
• 2.1 关键帧插值技术
• 2.2 人体动画技术
• 2.3 运动捕获技术
• 2.4 运动编辑技术
• 2.5 本章小结
• 3 速度插值算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 参数曲线速度插值原理
• 3.3 二维隐曲线速度插值原理
• 3.4 三维隐曲线速度插值原理
• 3.5 实验仿真
• 3.6 本章小结
• 4 基于速度插值的人体动画研究
• 4.1 基于速度插值技术的关节动画
• 4.2 人体建模
• 4.3 基于速度插值的人体动画生成
• 4.4 动画算法评价标准
• 4.5 本章小结
• 5 基于单视图视频的运动捕获技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于光流法的特征跟踪技术
• 5.3 人体运动的三维重建
• 5.4 自遮挡关节点运动信息的恢复
• 5.5 运动捕获文件的定义和读取
• 5.6 实验仿真
• 5.7 本章小结
• 6 基于时间规整的运动合成技术研究
• 6.1 运动合成的分类
• 6.2 时间规整处理
• 6.3 运动混合技术
• 6.4 运动连接技术
• 6.5 约束匹配
• 6.6 本章小结
• 7 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录