智能人體動(dòng)畫若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)備的應(yīng)用，高效、快捷的獲取真實(shí)感三維人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)已成為現(xiàn)實(shí)并被成功應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、視頻游戲、影視特技、運(yùn)動(dòng)仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)等眾多領(lǐng)域，且近年來(lái)已經(jīng)出現(xiàn)較大規(guī)模的商用/研究用人體運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)庫(kù)。隨著運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)獲取手段日趨成熟，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫研究人員的研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到如何對(duì)已有的三維人體運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理與重用上，并開始關(guān)注如何開發(fā)新的技術(shù)用于自動(dòng)化、智能化的三維人體動(dòng)畫創(chuàng)作。 本文的工作就是探索三維人體運(yùn)動(dòng)捕

2、獲數(shù)據(jù)的自動(dòng)化、智能化分析、處理與重用方法，并在此基礎(chǔ)之上研究三維人體動(dòng)畫創(chuàng)作的智能技術(shù)。本文提出了人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分割、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)抽象、基于關(guān)鍵幀的三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢索、風(fēng)格化人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)自動(dòng)編輯與生成、基于捕獲數(shù)據(jù)集與運(yùn)動(dòng)腳本的人體運(yùn)動(dòng)合成引擎、基于運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的人體動(dòng)畫自動(dòng)生成等技術(shù)。 為了將較長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)捕獲序列中所包含的不同類型運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分割開來(lái)，首先將原始空間中結(jié)構(gòu)復(fù)雜(在原始高維空間中，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)分布復(fù)雜，形成扭曲甚至折疊的高維流形

3、)的人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)非線性流形降維技術(shù)投影到結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的低維流形上，進(jìn)而采用聚類算法對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)分割。 為了對(duì)原始運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行抽象表示，提出骨骼夾角八元組特征表示方法，進(jìn)而提出一種改進(jìn)的分層曲線簡(jiǎn)化算法提取關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法不僅能夠?qū)υ歼\(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行壓縮和抽象表示，同時(shí)還能保持相似運(yùn)動(dòng)序列關(guān)鍵幀集合之間的一致性，并且在運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)壓縮、基于關(guān)鍵幀的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢索、合成等方面有著進(jìn)一步的應(yīng)用。 在三維人體運(yùn)

4、動(dòng)數(shù)據(jù)管理方面，提出一種基于關(guān)鍵幀的三維運(yùn)動(dòng)檢索技術(shù)，通過(guò)在運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)序列關(guān)鍵幀集合之間構(gòu)建距離矩陣對(duì)其進(jìn)行相似度比較，能夠?qū)崿F(xiàn)基于內(nèi)容的三維人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢索。該算法的特點(diǎn)在于計(jì)算簡(jiǎn)單、運(yùn)算效率高，不需要事先建立索引結(jié)構(gòu)，適用于增量式的三維人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)。 在三維人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)重用方面，提出一個(gè)自動(dòng)框架對(duì)風(fēng)格化人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、定量的生成與編輯。主成分分析理論(Principie Component Analysis，PCA)用

5、來(lái)將人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)映射到子空間，在最大程度保持原始數(shù)據(jù)特征的條件下降低了計(jì)算復(fù)雜度。風(fēng)格化運(yùn)動(dòng)生成與編輯算法在PCA子空間中得到應(yīng)用并產(chǎn)生出新的風(fēng)格化人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。為了解決實(shí)際人體運(yùn)動(dòng)存在多風(fēng)格融合的問(wèn)題，還提出一種新穎的方法用于多風(fēng)格人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的生成與編輯。 為了基于用戶指令高效、快速合成三維人體動(dòng)畫序列，本文提出一個(gè)基于運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)集的真實(shí)感三維人體運(yùn)動(dòng)合成引擎，通過(guò)定義標(biāo)準(zhǔn)XML格式的運(yùn)動(dòng)腳本，引擎能夠從運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)庫(kù)中獲

6、取相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)片斷合成最終的三維人體運(yùn)動(dòng)序列。在這個(gè)靈活的引擎框架下，用戶可以自己提供特定的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)集合并定義相關(guān)的運(yùn)動(dòng)元素表，實(shí)驗(yàn)表明該引擎架構(gòu)可以用于計(jì)算機(jī)游戲、動(dòng)畫制作系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用中。為了生成特定虛擬場(chǎng)景中的角色動(dòng)畫，提出了一個(gè)基于運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的人體動(dòng)畫自動(dòng)生成框架。給定一個(gè)虛擬場(chǎng)景，動(dòng)畫師手工指定角色運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)與終點(diǎn)，系統(tǒng)可以自動(dòng)或者交互式的為動(dòng)畫角色規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑和進(jìn)行行為選擇，將結(jié)果保存為運(yùn)動(dòng)腳本形式，然后基于