基于样例交互式三维动画的生成研究

摘要：文章主要提出了一种基于样例交互式三维动画的生成方法。介绍了草图的绘制、交互式三维动画生成、交互式动画合成算法等相关问题，最后文章还对试验结果进行了分析，通过结果的分析，证明了该方案的可行性，在实践中值得进一步推广与应用。

关键词：样例交互式 三维动画 草图 ROI 动画合成

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）10-0120-01

1、引言

在三维动画的制作中，IK有着十分重要的地位和作用。传统的IK工作过程如下：首先建立骨骼结构，其次调整骨骼结构，最后一步是通过骨骼驱动模型。然而，传统的IK存在着明显的问题与不足，表现为定义关节结构比较复杂，参数的设置需要花费大量的时间。为了改变这种情况，文章在基于网格的逆向运动学的基础之上，运用不同对象已经有的动画样例姿势，从而实现了对目标对象动作空间的定义。

2、绘制草图并生成相应的ROI

为了确定源和目标的对应关系，在他们对象上需要生成很多个不同的ROI。而为了指定源和目标的ROI，通常使用标记点，但是该方法输入的工作量比较大，并且容易出现错误。因此，本文使用一对草图来分别指定源和目标的ROI。草图的表示方式是折线，草图的建立十分简单和直观，可以将草图分为在网格表面上的和在网格内部的两种不同类别。使用草图能够确定ROI，找出草图与网格顶点间的关系，并为接下来的工作做好准备。

3、源ROI映射到目标ROI

生产源ROI和目标ROI之后，就需要将源ROI映射到目标ROI。在进行映射的时候，主要的工作是将草图作为中介，并且，在源ROI上面所有的网格顶点，如果源草图发生变化，他们也将随之发生变化。因此，在完成这项工作，进行下一步工作之前，就有必要调整源ROI和目标ROI的方向。通过对方向的调整，如果源ROI发生变形的话，就能够有意义的传输到目标ROI。

4、利用仿射矩阵描述源动画变形

在实践中，常常需要描述源顶点的变形，为了对其进行全面的描述，运用3×3的仿射变换矩阵M，运用一个平移分量D，它们的作用是用来表示网格顶点变形。为了确定源网格顶点V的仿射变换矩阵，在操作中，必须找出V领域之内的相邻顶点。通过相应的赋值和计算，能够获得M和D，在实际中，往往只使用M。

5、交互式三维动画生成

（1）单个样例作用下目标ROI顶点的变形。当提取了源ROI顶点的变形信息之后，接下来的工作是，通过均值坐标，从而使之映射到目标ROI的顶点之上。均值坐标最初的目的是，将定义在网格顶点上的值，使之推广到网格顶点以外的区域。在实际工作中，当源ROI映射到目标ROI之后，我们能够将源网格各顶点的值推广到目标网格的顶点上，不要需要采取相应的措施。

（2）交互式动画合成算法。这种算法是，直接通过不同的源网格对象的样例姿势，进而达到交互的产生新对象的动画。为了让人们有更加形象直观的了解，我们将以马和骆驼为例，运用两个样本姿势，并且，对骆驼的右前腿进行控制。其操作方法如下，在马和骆驼的右前腿上面，通过输入一对草图，当草图输入完毕之后，并在这二者之间建立关联。然后，以两个马的不同样例姿势为例，并在它们的约束之下，生成各种姿势。此外，用户还可以对其进行交互控制，这样就可以生成各种不同的姿势。

6、实验结果与分析

（1）猫约束狼的例子。对于该种操作方法，为了验证计算方法的准确性和可靠性，使用了比较复杂的例子对其进行验证。验证的方法是使用有八个姿势的猫作为约束条件，以达到控制一只狼的目的。其具体的流程如下：选用六对草图，并在猫和狼之间建立关联。当这种对应关系建立好之后，为了方便操作，可以在目标网格狼上边设置一些控制点，这样一来，就能够达到生成交互式动画的目的。通过建立模型，进行操作，得出了相应控制点的结果，其中，每个图的第一个图为初始图，这时候形状没有发生任何改变，其余的图为操作结果，并且，对于不同的控制点，其操作结果往往不尽相同。

（2）骆驼和蛇约束狼的例子。为了对结果进行更加全面的分析，下面将通过两个对象来进行进一步的说明，运用的是骆驼和蛇约束狼的例子。其具体的方法如下，利用骆驼的四肢和躯干来控制狼的四肢和躯干，利用蛇的尾巴来控制狼的尾巴。为了达到更好的约束效果，骆驼和蛇的动作是固定搭配的。通过相应的操作和试验，得出了源网格和目标网格所需要的草图，草图一共有六对，都是通过相应的操作所得到的。它们之间的对应关系如下：骆驼右前腿对应狼的右前腿；骆驼右后腿对应狼的右后腿；骆驼左前腿对应狼的左前腿；骆驼左后腿对应狼的左后腿；骆驼躯干对应狼的躯干；蛇尾巴对应狼的尾巴。此外，还得出了从不同角度观察的同一个计算结果，以及计算结果的权重值。值得指出的是，在进行具体操作的时候，对于控制点，需要注意以下几个问题：控制点不得少于两个；一般来说，为了完成交互式操作，使用2-5个控制点即可，但是也需要保证控制点的数量适中，不能太多，太多反而最终影响了控制效果。对于控制点的布置，需要分散进行，这样能够得到比较理想的结果。此外，对于不同的控制点，应采用不同的操作方式，这样能够达到更好的效果。

7、结语

文章主要介绍了基于样例交互式三维动画的生成方法，其中比较突出的特点是样例模型和目标模型可以是不一样的，并且，可以采用多个不同的样例模型。本文的算法有着显著的优点，它既不需要建立复杂的IK模型，还可以直接重用现有的三维动画，这样就省去了很多不必要的麻烦。并且，该算法还可以在原来的基础上进行修改，大大的节约了时间。事实表明，本文介绍的技术是符合实际的，能够适用比较广泛的范围，今后在实践中值得进一步推广与应用。

参考文献

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