計算機輔助卡通角色動作姿勢編輯與插值.pdf

1、1906年，第一部卡通動畫《滑稽臉的幽默相》(Humorous Phases of Funny Faces)誕生。經(jīng)過上百年的發(fā)展，卡通動畫已走入了人們的日常生活，現(xiàn)在許多年青人就是伴隨著各種引人入勝的卡通動畫片，如《黑貓警長》、《葫蘆娃》、《貓和老鼠》以及《唐老鴨和米老鼠》等，快樂成長的?？ㄍ▌赢嬍莿討B(tài)影像，它由一系列靜態(tài)畫面按照一定的速率連續(xù)播放而形成。其中，每一幅靜態(tài)畫面稱為一幀。以一個播放速率為8幀/秒的15分鐘動畫片為例，在這

2、部動畫中包含了大約7200幀。卡通動畫的每一幀畫面中通常包含有多個卡通角色，每一個卡通角色有著相應(yīng)的動作姿勢。在傳統(tǒng)卡通動畫制作流程中，這些卡通角色動作姿勢都是通過動畫師手繪創(chuàng)作完成的。顯然，即使創(chuàng)作一部短片，動畫師們也需要付出大量的工作。而制作一部高質(zhì)量的卡通動畫長片，更是需要大量的人力以及資金的投入。
　　 本文針對傳統(tǒng)卡通動畫制作中角色動作姿勢創(chuàng)作工作量大的問題，提出了計算機輔助卡通角色姿勢編輯與插值方法，力求為動畫師們提

3、供高效的創(chuàng)作工具。在本文中，我們提出了兩類計算機輔助方法：一類是卡通角色操作。利用這類方法，用戶只需要簡單地拖動鼠標(biāo)，即可以設(shè)計出所需的卡通角色動作姿勢；另一類是卡通角色關(guān)鍵姿勢內(nèi)插，這類方法可以自動建立卡通角色關(guān)鍵動作姿勢之間的特征對應(yīng)關(guān)系，插值生成相鄰關(guān)鍵姿勢之間的光滑過渡姿勢。本文的結(jié)構(gòu)如下：
　　 在第一章緒論部分，我們首先對卡通動畫的歷史以及傳統(tǒng)制作流程進(jìn)行了簡要介紹，回顧了計算機輔助卡通動畫制作技術(shù)的興起及發(fā)展過程。

4、介紹了計算機輔助卡通動畫制作的幾個代表性技術(shù)與軟件，分析了它們的基本原理以及各自的優(yōu)勢與不足。在此基礎(chǔ)上，指出了高效的計算機輔助卡通角色動作姿勢生成研究工作的意義、前景以及難點。
　　 在第二章中，我們介紹并分析了與計算機輔助卡通角色姿勢編輯和插值相關(guān)的研究工作。針對與卡通角色姿勢編輯相關(guān)的方法：自由變形方法、骨架驅(qū)動方法、基于物理的方法以及基于微分域的網(wǎng)格曲面編輯方法，我們詳細(xì)介紹了各類方法的基本原理并得出了它們各自的特點與不

5、足。另外，對于卡通角色姿勢插值中涉及到的兩個基本問題：特征對應(yīng)和路徑插值，我們詳細(xì)介紹了相關(guān)解決方法，并綜合分析了這些方法各自的優(yōu)勢與不足。基于對各種方法的分析并結(jié)合我們的研究目標(biāo)，提出了我們研究工作的技術(shù)路線。
　　 在第三章中，我們提出了一系列卡通角色操作方法，這些方法為計算機輔助卡通角色動作姿勢創(chuàng)作提供了高效、靈活的工具。本著由簡單到復(fù)雜的原則，本章的具體內(nèi)容包括：
　　 ●首先，針對由簡單多邊形表示的卡通角色，提

6、出了一個硬度可調(diào)的卡通角色操作方法。該方法通過“單擊并拖動(Click-and-Drag)”的方式，使得用戶只需簡單地拖動鼠標(biāo)就能夠產(chǎn)生各種角色姿勢。在該方法中，我們建立了特定的變形能量函數(shù)以盡量避免角色在操作過程中發(fā)生扭曲，從而得到了擬物理的、具有視覺真實感的角色姿勢效果。另外，該方法還允許用戶調(diào)整角色的整體和局部硬度，以模擬卡通角色在不同材質(zhì)或者異質(zhì)材料屬性下的變形效果。并且，通過利用快速求和算法(Fast summation)，該

7、方法能夠讓用戶實時地交互編輯角色姿勢。
　　 ●其次，針對使用上述操作方法得到的結(jié)果可能與卡通角色的幾何拓?fù)洳灰恢碌膯栴}，提出了一種考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的卡通角色操作方法。該方法保留了上述方法的主要優(yōu)點：整體和局部硬度可調(diào)以及實時交互，并有效地避免了上述方法可能產(chǎn)生的不自然的角色操作結(jié)果。另外，該方法還可以推廣至操作其它二維對象，如曲線和條棍圖(Stick Figure)。
　　 ●最后，針對由相互分離、連接或者覆蓋的多條封閉或

8、開曲線所描述的復(fù)雜卡通
　　 角色，提出了一種由“廣義偽骨架”驅(qū)動的角色操作方法。該方法通過優(yōu)化由剛性能量、協(xié)調(diào)能量以及位置約束能量組合而成的能量方程，實現(xiàn)“廣義偽骨架”的約束變形，進(jìn)而驅(qū)動卡通角色的形狀發(fā)生變化。操作過程中，該方法不僅保留了卡通角色的特征細(xì)節(jié)，而且協(xié)調(diào)了角色上不同特征之間的變形位置，最終得到了自然的角色姿勢效果。利用該操作方法，用戶同樣可以通過簡單的“單擊并拖動”方式為具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的卡通角色設(shè)計出所需的動作

9、姿勢。
　　 在第四章中，我們提出了卡通角色關(guān)鍵姿勢插值方法。這些方法與二維形狀插值技術(shù)密切相關(guān)，它們?yōu)榭ㄍń巧珓幼髯藙莸闹虚g幀提供了自動生成工具。本章具體內(nèi)容如下：
　　 ●本文首先提出了一個平面多邊形特征對應(yīng)算法，它能夠高效且魯棒地自動完成兩個多邊形之間的特征匹配。以此為基礎(chǔ)，我們可以半自動地建立具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的兩個關(guān)鍵姿勢之間的特征對應(yīng)。
　　 ●特征對應(yīng)關(guān)系建立之后，我們提出了一個快速的兩級層次路徑插值