基于樣例的交互式三維動畫的生成研究

摘要：計算機(jī)技術(shù)為動畫的發(fā)展提供了助力。計算機(jī)動畫綜合運(yùn)用了計算機(jī)的圖像處理技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理、藝術(shù)等其它學(xué)科的技術(shù)來形成生動的動畫畫面。但是目前采用的三維動畫的生成方式存在著一定的問題，例如需要較多的人力、巨大的工作量等。文章對一種新的現(xiàn)在受到較多關(guān)注的三維動畫生成模式，即基于樣例的交互式三維動畫生成方式進(jìn)行探析，大體闡述了三維動畫的發(fā)展歷程，提出了基于樣例的三維動畫的生成的優(yōu)勢和效果。

關(guān)鍵詞：交互式三維動畫；基于樣例；草圖；合成

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，動畫制作技術(shù)由原來的二維動畫發(fā)展為更加逼真的三維動畫。雖然三維動畫所帶來的視覺效果是一般動畫無法相比的，但是三維動畫的制作需要大量的軟件支持，這給動畫制作的初學(xué)者帶來了很大的困難。目前在技術(shù)上，三維動畫的制作可以采用多種方式，有基于草圖的三維動畫的生成，也有基于控制的三維動畫的生成和基于樣例的交互式三維動畫的生成。本文將介紹筆者對基于樣例的交互式三維動畫的生成研究。

一、三維動畫釋義

1.三維動畫的發(fā)展

三維動畫即3D動畫，是隨著計算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新興技術(shù)。三維動畫的制作離不開三維動畫軟件的支持。三維動畫最早的技術(shù)出現(xiàn)于美國的動畫制作公司，1995年至2005年是三維動畫的起步和初步發(fā)展時期。皮克斯公司在1995年制作的《玩具總動員》標(biāo)志著三維動畫的起步。2001到2003年是三維動畫迅速發(fā)展的時期。這一階段，各個動畫公司爭奪著三維動畫的市場。三維動畫從2004年步入了第三個發(fā)展階段，這是三維動畫的全盛階段，更多的動畫制作公司加入到了三維動畫制作的行列，三維動畫的制作技術(shù)也逐步的提高。

2.三維動畫制作流程

三維動畫在制作時，要根據(jù)劇本等的創(chuàng)意，手動繪制出合適的圖形結(jié)構(gòu)，然后在計算機(jī)中建立一個虛擬的世界，而三維動畫的技術(shù)員則在這個虛擬世界中進(jìn)行創(chuàng)作。設(shè)計師按照要表現(xiàn)的形象的形狀和尺寸在虛擬世界中建立模型和場景，再根據(jù)實際要求設(shè)定模型的運(yùn)動軌跡和其它的動畫參數(shù)，最后設(shè)置燈光和模型的材質(zhì)。完成一切步驟后由計算機(jī)進(jìn)行最后的運(yùn)算和畫面生成。

二、基于樣例的交互式三維動畫的生成

三維動畫起初的制作流程十分復(fù)雜，要經(jīng)過草圖的設(shè)計，虛擬場景的設(shè)置和場景中人物的動作設(shè)計等各個方面。這樣一個工作流程需要很多人分工才能完成，往往一部三維動畫需要耗費大量的人力、物力。傳統(tǒng)的三維動畫的制作中，人物的骨骼的運(yùn)動，需要采用反向動力學(xué)的原理，通過確立子骨骼的位置，然后利用反向推導(dǎo)出其父骨骼方位。但是這種技術(shù)也存在一定的問題。其設(shè)定的參數(shù)比較復(fù)雜，需要花費大量的時間和人力。本文提出一種基于樣例的交互式三維動畫生成方式，這種方式能大大縮短三維動畫的制作過程，也使得已經(jīng)完成的動作可以持續(xù)的使用。

基于樣例的動畫合成方法是從已經(jīng)存在的動畫入手，這種方式避免了重復(fù)的大量勞動，成為當(dāng)前計算機(jī)圖形研究的一個重點?；跇永膭赢嬌杉夹g(shù)，從基于草圖的三維動畫復(fù)制基礎(chǔ)上產(chǎn)生。在這種方法下，用戶可以在保留源動畫的風(fēng)格的情況下，隨意加入自己的創(chuàng)意。因為這種特點，該方法就具有了很大的通用性。

該生成方法完全是根據(jù)樣例來驅(qū)動新的目標(biāo)的。它不需要源網(wǎng)格和目標(biāo)網(wǎng)格具有相同的三面角片數(shù)和頂點書，也不需要有類似的拓?fù)湫畔ⅰ＿@種方法也適合源網(wǎng)格和目標(biāo)沒有明確對應(yīng)關(guān)系的情況。用戶只需要使用草圖工具在源對象和目標(biāo)對象之間設(shè)立一種類似的運(yùn)動狀態(tài)即可。通過原型系統(tǒng)上的交互工具，可以讓用戶在多個源動畫上指定復(fù)制區(qū)域，然后把這些動畫復(fù)制到目標(biāo)區(qū)域上。

該方法由以下幾個步驟組成：

1.確定需要的源動畫。確定了場景、人物等需要的源，源動畫可以是二維的，可以是三維的，也可以是Flash格式。然后使用線型草圖在源對象上選定需要的區(qū)域。選定合適的區(qū)域后，利用草圖建立源文件與目標(biāo)網(wǎng)格之間的對應(yīng)關(guān)系。

2.確定目標(biāo)區(qū)域需要控制的區(qū)域。在目標(biāo)區(qū)域上設(shè)置控制點，使用非閉合網(wǎng)絡(luò)均值坐標(biāo)，根據(jù)源動畫的風(fēng)格來變形目標(biāo)網(wǎng)格。

3.利用交互調(diào)整控制點的方法具體實施。通過優(yōu)化計算的方法，計算出對應(yīng)于各個樣例姿勢的權(quán)重，生成適合各個控制點的目標(biāo)的動作幀。在這一步中，可以通過調(diào)整目標(biāo)網(wǎng)格的參數(shù)來控制復(fù)制的結(jié)果，通過參數(shù)的設(shè)置來獲取最光滑的目標(biāo)網(wǎng)格，從而生成動畫動作的關(guān)鍵幀。

4.后期的美化處理。在復(fù)制完之后，新的逼真的三維動畫就生成了。為了更好的效果，需要對結(jié)果進(jìn)行一些調(diào)整美化。例如對燈光等的處理。

在基于樣例的交互式三維動畫的生成方式中，源動畫和目標(biāo)動畫可以是完全不同的，它們之間通過線型草圖進(jìn)行聯(lián)系。因此源動畫可以是多個，都與目標(biāo)網(wǎng)格之間進(jìn)行聯(lián)系，并產(chǎn)生全新的動畫，由此動畫創(chuàng)作人員可以在節(jié)省步驟的基礎(chǔ)上，自由的加入自己的創(chuàng)作理念。這種方式相比反向動力方式，具有不需要建立模型，利用現(xiàn)有資源進(jìn)行修改的優(yōu)點。該方法可以選取相似的源網(wǎng)格與目標(biāo)網(wǎng)格進(jìn)行操作。不足之處就是需要比較精確的算法來操作結(jié)果生成。

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（作者簡介：孫楊高（1984-），男， 重慶開縣人，學(xué)士，重慶信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院，研究方向：美術(shù)學(xué)、裝潢設(shè)計、三維動漫設(shè)計。）