古建动画自动生成中的虚拟人动态变形

摘要

随着计算机技术的不断发展，计算机动画技术已经广泛应用于工程、科研、文娱等众多领域。中科院陆汝钤院士于上世纪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，其目标是将一个适当的故事，以受限自然语言的形式输入计算机，基于情节库、场景库、人物库、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，最终生成三维动画。全过程计算机辅助动画自动生成技术是一门跨领域的学科，它涉及了人工智能技术、计算机图形学和电影艺术。全过程计算机辅助动画自动生成技术从被提出到现在的数年间取得了长足的进步。
　　 人物形象设计是动画自动生成技术中的一个重要问题，使用者输入完备或者缺省的人物属性信息，输入内容可以包括定量信息与定性信息或者是两者的混合，经过定性层和定量层的依次处理，最终生成符合使用者描述的人物模型。利用生成的人物模型充实人物模型库，为动画自动生成系统提供了各式各样人物模型素材。
　　 本文研究的内容为虚拟人物动态变形问题，该问题是人物形象设计问题的子问题。它包括两个方面：1.外形规划问题，根据使用者输入的人物描述，生成符合用户描述的人物模型；2.蒙皮变形规划问题，按照人物模型与骨架的相互关系对模型进行处理，使生成的人物模型在加入动作后能够进行具有真实感的形变。
　　 外形规划问题在总体架构上需要规范描述语言的支持，在功能实现方面需要知识库的辅助。规范描述语言是系统对使用者输入的内容分析求精后得到的，它规定了系统内部模块的数据输出格式以及模块间进行通信和数据传输的标准。外形规划的目标是生成符合生理学及健康学标准的人物模型，这离不开相关领域知识的支撑，系统采用JESS（Java Expert System Shell，JAVA专家系统外壳）实现知识库系统。通过知识库的辅助，系统仅利用少量“原始”人物模型即可生成各式各样的人物模型。
　　 Smooth Skinning（平滑蒙皮）是现今动画制作中对角色进行变形操作的一种主流的方法，但是在实际使用中，Smooth Skinning会受到Collapsing ElbowEffect问题和Candy-Wrapper Effect问题的干扰。在蒙皮变形规划中，本文借鉴了Xiaosong Yang的文章《Stretch It-Realistic Smooth Skinning》，通过对SmoothSkinning唱方法的改进。解决上述两个问题，使三维人物模型的形变更具真实感，增强了动画的表现力。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 从传统动画到计算机动画

1.1.2 基于人工智能技术的计算机动画研究现状

1.1.3 动画自动生成技术的研究背景与研究意义

1.2 研究内容

1.3 研究内容中的主要问题及其研究现状

1.3.1 外形规划

1.3.2 蒙皮变形规划

1.4 文章结构

第2章 全过程计算机辅助动画自动生成技术

2.1 概述

2.2 操作流程

2.3 动画语言

2.4 系统层次结构

2.5 定性规划与定量规划

2.5.1 定性规划

2.5.2 定量规划

2.6 本章小结

第3章 虚拟人动态变形

3.1 虚拟人动态变形的研究目标及应用前景

3.2 虚拟人动态变形中的关键问题

3.3 总体流程描述

3.4 功能模块划分

3.5 本章小结

第4章 规范描述语言与知识库设计

4.1 规范描述语言

4.2 XML语言

4.2.1 XML语言简介

4.2.2 XML模式

4.2.3 XML语言的解析

4.2.4 XML映射

4.3 规范描述语言的设计与实现

4.3.1 定性规范语言描述设计

4.3.2 定量规范语言描述设计

4.4 知识库概述

4.5 JESS

4.5.1 什么是JESS

4.5.2 JESS的推理功能

4.5.3 JESS的性能

4.5.4 RETE算法

4.5.5 JESS基本语句

4.6 本章小结

第5章 外形规划

5.1 概述

5.2 人体测量参数

5.2.1 人体测量参数的选取

5.2.2 人体测量参数的划分

5.3“词典"

5.4 外形规划中的规范描述语言

5.4.1 定性层定义

5.4.2 定量层设计

5.5 功能实现

5.5.1 长度类人体测量参数的修改

5.5.2 围度类人体测量参数的修改

5.6 本章小结

第6章 蒙皮变形规划

6.1 概述

6.2 从SMOOTH SKINNING到STRETCH SMOOTH SKINNING

6.3 COLLAPSING ELBOW EFFECT问题的解决

6.3.1 原理

6.3.2 详细设计

6.4 CANDY-WRAPPER EFFECT 问题的解决

6.4.1 原理

6.4.2 详细设计

6.5 功能实现

6.6 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢