古建动画自动生成中虚拟人关节动作规划

摘要

中科院陆汝钤院士于90年代提出的全过程计算机辅助自动生成动画技术将人工智能技术和基于知识的方法引入动画生成的全过程，其目标是有一个适当的故事，以受限自然语言的形式输入计算机，基于情节库、场景库、动作库等知识库，将动画制作的全过程依靠计算机自动完成，最终生成3D动画。应用这一技术相继研发了第一版《天鹅》系统和基于先进的三维动画制作软、硬件的第二版动画自动生成系统。
　　 古建筑动画计算机辅助生成技术是动画自动生成技术在中国古建筑领域内的一个具体应用。本课题组将已有的动画自动生成技术和中国古代建筑的专业知识相结合，设计并实现了古典建筑建造过程的自动生成系统，生成古典建筑涵盖了硬山、歇山、庑殿三大类。
　　 虚拟人关节动作规划是古建动画自动生成系统中运动规划模块的一个子问题，本文在研究MAYA的新功能FBIK系统的基础上，综合应用IK方法和FK方法，通过对虚拟人关节动作的分析，对于不同种类的虚拟人关节动作采用不同的计算方式，实现了多个复杂虚拟人关节动作。本文所述的虚拟人关节动作规划是古建动画自动生成系统中第一次成功实现虚拟人关节动作规划，之前的动画自动生成版本，由于当时技术水平的限制，未成功实现虚拟人关节动作规划。另外本文成功自动实现了与物体相关类虚拟人关节动作规划，在原有系统中，该类动作是通过手动制作实现的。
　　 一般位置计算主要是指角色的位置计算，该模块是虚拟人关节动作规划模块的前置模块，研究一个关节动作，首先需要知道角色是在三维场景中的什么位置做这个动作，这个问题就是由一般位置计算模块来实现的。在原有系统的基础上，本文引入包围盒概念，改进了定性程度描述词量化方法，扩大了目标位置的选择范围，同时结合角色当前位置和动作描述确定目标位置，使计算结果更符合现实世界的要求。
　　 另外本文还研究了古建筑构件位置计算问题。本文在学习总结古建筑建造规则的基础上，提出了计算机自动计算古建筑构件位置、旋转信息和部分构件尺寸的方法。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.1.1 计算机动画的发展

1.1.2 课题背景

1.2 关节动作规划的研究现状

1.3 本课题的主要研究内容

1.4 本文结构

第2章 运动规划的研究

2.1 古建动画自动生成系统

2.1.1 系统概述

2.1.2 系统动画语言

2.1.3 系统构成

2.2 运动规划模块

2.2.1 定量动作计算

2.2.2 定量描述语言CAL设计

2.2.3 定量描述语言CAL的特点

2.3 本章小结

第3章 虚拟人关节动作规划

3.1 虚拟人关节动作规划方法介绍

3.1.1 正向运动学

3.1.2 反向运动学

3.1.3 MAYA的FBIK系统

3.2 关节动作分类

3.3 虚拟人关节动作计算

3.3.1 位移类关节动作计算

3.3.2 抓握类关节动作计算

3.3.3 与物体相关类关节动作计算

3.3.4 旋转类关节动作计算

3.3.5 多角色关节动作计算

3.4 本章小结

第4章 一般位置计算

4.1 已有解决方案

4.1.1 概述

4.1.2 已有解决方案的缺点

4.2 新的解决方案

4.2.1 基本设计

4.2.2 新方案的优点

4.3 本章小结

第5章 古建构件位置计算

5.1 研究范围

5.2 整体思想

5.3 构件名称

5.4 位置计算规则设计

5.4.1关键点位置计算

5.4.2 构件面宽进深平面位置计算

5.4.3 构件垂直方向位置计算

5.4.4 有旋转角度的构件位置计算

5.4.5 椽子的复制

5.5 本章小结

第6章 系统实现及实现结果

6.1 古建构件位置计算模块

6.1.1 JESS语言

6.1.2 模块划分

6.1.3 运行结果

6.1.4 相关数据统计

6.2 关节动作计算模块

6.2.1 MEL语言解释器

6.2.3 运行结果

6.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致 谢