動畫自動生成系統(tǒng)中運動規(guī)劃及其路徑規(guī)劃的研究與實現(xiàn).pdf

1、隨著人工智能、計算機圖形學和軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展，計算機動畫已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程、科研、文娛等眾多領(lǐng)域。中科院陸汝鈐院士于90年代提出的全過程計算機輔助自動生成動畫技術(shù)將人工智能技術(shù)和基于知識的方法引入動畫生成的全過程，其目標是有一個適當?shù)墓适?，以受限自然語言的形式輸入計算機，基于情節(jié)庫、場景庫、動作庫等知識庫，將動畫制作的全過程依靠計算機自動完成，最終生成3D動畫。應(yīng)用這一技術(shù)相繼研發(fā)了第一版《天鵝》系統(tǒng)和基于先進的三維動畫制作軟、硬件

2、的新版動畫自動生成系統(tǒng)。 運動規(guī)劃是動畫自動生成系統(tǒng)中的核心模塊之一，它首先在定性層生成定性的動作描述序列，然后將定性描述通過定量層的動作計算轉(zhuǎn)化為動畫的定量描述，并在轉(zhuǎn)換過程中處理一系列子問題。運動規(guī)劃是底層動畫實現(xiàn)的關(guān)鍵，所有的運動數(shù)據(jù)信息都要通過該模塊生成。路徑規(guī)劃是運動規(guī)劃定量層的一個重要的子問題，它的任務(wù)是在已知的動畫三維空間中尋找一條由起始點到目標點的無碰撞路徑。通過分類可以將動畫中的路徑規(guī)劃問題細分，并使用智能的方

3、法來得到合理的、真實的角色路徑。本文詳細描述了動畫自動生成系統(tǒng)中的運動規(guī)劃模塊及其路徑規(guī)劃子模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。 在運動規(guī)劃部分，本文著重論述了系統(tǒng)中間語言的設(shè)計，其中動作定性描述語言以《天鵝》系統(tǒng)的定性規(guī)范語言為基礎(chǔ)，通過綜合分析多類動作，提取共同的關(guān)鍵屬性和參數(shù)作為定性描述屬性。動作定量描述語言肩負著向動畫文件轉(zhuǎn)換的任務(wù)，采用以角色為單位的關(guān)鍵幀序列進行結(jié)構(gòu)化描述。對于動作庫，本文通過三維動作捕捉技術(shù)(Motion Captu

4、re)對人體運動數(shù)據(jù)進行采集，生成動作的BVH格式文件后再轉(zhuǎn)化到動作庫中。運動規(guī)劃的定量層——動作計算模塊負責將動作的定性描述轉(zhuǎn)化為定量描述，本文設(shè)計并實現(xiàn)了這一轉(zhuǎn)化的完整流程。 在動作計算中，動作庫中的運動數(shù)據(jù)是利用動作捕捉系統(tǒng)采集生成的BVH格式數(shù)據(jù)，而最終動畫是在Maya軟件中展示的，但Maya并不支持BVH旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的解讀，而是使用Euler角來表達旋轉(zhuǎn)信息，這就產(chǎn)生了一個運動數(shù)據(jù)跨平臺轉(zhuǎn)換問題。本文提出了一種算法來實現(xiàn)B

5、VH運動數(shù)據(jù)在Maya中的轉(zhuǎn)換，首先針對人體骨架的單個關(guān)節(jié)，利用矩陣等價的方法建立起B(yǎng)VH旋轉(zhuǎn)與Euler旋轉(zhuǎn)的關(guān)系，以求解對應(yīng)的Euler角，然后將這一方法應(yīng)用于整個骨架來實現(xiàn)動作的轉(zhuǎn)換。 在三維路徑規(guī)劃部分，本文設(shè)計了地形建模算法和障礙物建模算法分別對動畫場景的三維空間進行劃分，并以八叉樹結(jié)構(gòu)進行保存，由于地形和障礙物模型的物理表達形式差別很大，建模后可對兩者進行統(tǒng)一的表達。八叉樹不易表達場景的相鄰結(jié)點，本文設(shè)計了鄰域查找算