（控制科学与工程专业论文）基于xml的动画剧本描述及其应用研究.pdf

at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g i nc o n t r o ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g g r a d u a t es c h o o lo fn a t i o n a lu n i v e r s i t yo fd e f e n s e t e c h n o l o g y c h a n g s h a , h u n a n ，p r c h i n a ( j u n e ，2 0 1 0 ) 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：基王型坠鲍边亘剧奎描述丞基应周盟究 学位论文作者签名：二醢 日期： z o o 年岁月，尸日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：基王型垦鲍边画剧奎描述及甚廑用珏窀 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：劫力年j 月，? 日 日期：洲。年f 月7 7 日 表目录k 川 图目录i v 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论一1 1 1 研究背景和意义l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 叙事( 故事生成) 的国内外研究现状2 1 2 2 动画自动生成的国内外研究现状5 1 2 3 国内外已有的相关技术7 1 3 本文的主要工作9 1 4 论文的组织结构9 第二章动画剧本描述技术基础11 2 1 卡通动画制作流程l l 2 1 1 动画片的前期制作1l 2 1 2 动画片的中期制作1 4 2 1 3 动画片的后期制作1 6 2 1 4 计算机在动画制作中的辅助作用1 6 2 2 动画剧本描述通用方法17 2 2 1 动画剧本描述语言s d l a 1 7 2 2 2x y z a d l 语言1 9 2 2 3c a f 故事剧本和a d l 分镜头剧本。2 l 2 3 剧本描述方法分析2 3 2 4x m l 技术简介2 4 2 4 1x m l 的技术特点? 2 4 2 4 2x m l 的模式语言2 5 2 4 3x m l 的解析技术2 8 第三章规范化动画剧本设计3 0 3 1c s m l 语言设计3 0 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 3 1 1 结构文件设计标准3 0 3 1 2 结构文件设计方法“3 1 3 1 3 结构文件设计3 5 3 2c s m l 剧本的创建和处理。4 4 3 2 1c s m l 剧本的创建：4 4 3 2 2c s m l 剧本的处理4 4 3 3c s m l 的技术特点和适用性分析4 8 第四章规范化动画剧本应用示例5 0 4 1 需求分析5 0 4 1 1 设计目标5 0 4 1 2 功能需求。5 0 4 2 系统设计5 1 4 2 1 规范化动画剧本生成子系统5 2 4 2 2 素材库管理与检索子系统5 4 4 2 3 图文分镜生成子系统5 5 4 3 系统实现5 6 4 3 1 系统开发的环境要求5 6 4 3 2 系统的界面设计5 7 4 3 3 规范化动画剧本生成子系统的实现5 8 4 3 4 素材库管理与检索子系统的实现5 9 4 3 5 图文分镜生成子系统的实现6 0 第五章结束语6 2 5 1 本文的主要贡献6 2 5 2 进一步的工作展望6 2 致谢6 4 参考文献6 5 作者在学期间取得的学术成果6 9 第页 表目录 表3 1n o d e 接口中的主要方法4 6 表3 2 添加节点时调用的方法4 7 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 图目录 图2 1 角色造型图12 图2 2 角色比例图1 2 图2 3 配色设计图1 3 图2 4 场景设计图( 线稿、色稿) 1 3 图2 5 道具设计图( 线稿、色稿) l3 图2 6 分镜头台本示例1 4 图2 7 原画镜头截图1 5 图2 8 色彩烘托不同时段场景示例1 6 图2 9d t d 示例2 6 图2 10x m ls c h e m a 示例2 7 图2 1 1 应用程序通过解析器提供的a p i 得到x m l 数据2 8 图3 1 剧本结构图3 5 图3 2 剧本说明结构图3 6 图3 3 剧本内容结构图3 6 图3 4 分镜头结构图3 7 图3 5 剧本数据模型树3 7 图3 6d o ma p i 中表示x m l 文档各组成部分的接口继承关系图4 5 图4 1 交互式快速动画制作系统体系结构图5 l 图4 2 规范化动画剧本生成子系统体系结构图5 2 图4 3 剧本编辑模块工作流程图5 3 图4 4 素材标注模块功能结构图5 4 图4 5 素材检索子模块接口示意图5 4 图4 6 素材管理模块功能结构图。5 5 图4 7 图文分镜生成子系统接口示意图。5 6 图4 8 图文分镜生成子系统功能结构图。5 6 图4 9 系统登录界面5 7 图4 1 0 系统主界面5 8 图4 1 l 规范化动画剧本生成子系统界面图5 8 图4 1 2 动画素材标注5 9 图4 1 3 动画素材浏览。6 0 图4 1 4 导入台本和分镜头信息。6 0 图4 1 5 导出图文分镜6 l 第页 国防科学技术大学研究生院t 学硕+ 学位论文 图4 1 6 生成的图文分镜6 l 第v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，特别是信息技术的发展与应用，计算机辅助动画制作 因其具有广泛的现实需求，逐渐成为一个研究的热点。从目前的情况来看，计算 机对动画制作的辅助作用主要集中在动画制作的中期和后期，在动画的前期制作 过程中，计算机的辅助作用并不明显。另一方面，从查询到的国内外关于计算机 辅助动画制作的相关研究和技术来看，一个共同的特点便是将重点放在了计算机 辅助动画生成上，却很少考虑动画与素材库的紧密关联性以及素材库提供的相关 草图对动画创作的加速作用。 为了弥补以上研究的不足，本文提出了一种运用x m l 技术实现动画剧本规 范化描述的思想，尝试着利用规范化动画剧本强化计算机在前期动画制作中的辅 助作用，同时改善动画素材的管理水平和重复利用率，进而提高动画制作的自动 化水平。本文的主要研究工作包括以下几点： 设计了一个基于x m l 的动画剧本标记语言c s m l ，实现了动画剧本的 规范化描述。 通过对传统动画剧本进行分析、建模，提取出剧本中的基本要素，结合x m l 技术设计出一种规范化的剧本描述方法，同时给出了该方法的关键技术：用 s c h e m a 文件设定动画剧本的结构和约束条件，用d o m 技术实现对规范化动画 剧本的解析、利用。 基于规范化动画剧本建立起丰富的动画素材库以及灵活使用素材库的工 具。 相对于传统的以m i c r o s o f tw o r d 、w p s 等格式编辑的动画剧本，规范化动画 剧本增加了相关的剧本结构信息。这些结构信息将使得利用计算机系统对动画剧 本进行的各种处理变得更加简便和高效。利用这一特点，支持了动画素材的标注 以及高效的浏览、检索。 辅助了图文分镜的交互式生成，提高了动画生产的自动化水平。 通过对规范化动画剧本进行解析，提取出相关的分镜头文字信息，再将分镜 头文字信息与从素材库中检索出的相应图像素材结合，交互式地生成图文分镜。 实现了一个交互式快速动画制作系统。 将规范化动画剧本描述技术运用到一个实现了的交互式快速动画制作系统 中，辅助了动画素材的标注和图文分镜的交互式生成。 主题词：计算机辅助动画制作x m l 动画剧本标记语言( c s m l )规范化动 画剧本s c h e m ad o m 交互式快速动画制作系统 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t p a c t w i n lt h er a p i d d e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h e d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e r - a s s i s t e da n i m a t i o n ，b e c 孤l s eo fi t s w i d ea n dp r a c t i c a ln e e d s ，i sb e c o m i n gah o t s p o to fr e s e a r c hi n t e r e s t n o w ，c o m p u t e r s a r em a i n l yu s e di nt h em e d i u ma n dl a t eo fa n i m a t i o n ，b u tn o ti nt h ee a r l ys t a g e a n o t h e rr e a l f a c tw ef o u n da th o m ea n da b r o a di sr e s e a r c h e r sa n dt e c h n i c i a n s c o m m o n l yp u tt h e i rf o c u so nc o m p u t e ra n i m a t i o ng e n e r a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ， n e i t h e rt h ec l o s er e l e v a n c eb e t w e e na n i m a t i o na n dm a t e r i a ld a t a b a s e ，n o rt h es k e t c h e s ， w h i c hp r o v i d e db yt h em a t e r i a ld a t a b a s ea n dc o u l db ea na n i m a t i o na c c e l e r a n t ，a r e t a k e ns e r i o u s l yb ym o s tr e s e a r c h e r sa n dt e c h n i c i a n s t om a k eu pf o rt h er e s e a r c hl a c k s ，an e wi d e ao fs t a n d a r d i z i n gt h ec a r t o o n s c e n a r i ow i t hx m lt e c h n o l o g yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , w i t hw h i c hw ec a n s t r e n g t h e nt h e r o l eo fc o m p u t e r i nt h e e a r l ys t a g eo fa n i m a t i o n , i m p r o v et h e m a n a g e m e n ta n dr e u s ec o n d i t i o no fc a r t o o nm a t e r i a l a l lo ft h e s ew i l lu p g r a d et h e a u t o m a t i o nl e v e lo fa n i m a t i o n t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n sa r ed e s c r i b e da s f o l l o w s ： i td e s i g n e da nx m l b a s e dc a r t o o ns c e n a r i om a r k u pl a n g u a g e ，w h i c hc a l l e d c s m lf o rs h o r t ，s t a n d a r d i z e dt h ec a r t o o ns c e n a r i ow i t hc s m l t h r o u g ha n a l y s i sa n dm o d e l i n g , t h i sp a p e ra b s t r a c t st h ee s s e n t i a le l e m e n t so f c a r t o o ns c e n a r i o c o m b i n e dt h ef l a m ew i t hx m lt e c h n o l o g y , t h ea r t i c l eg o ta s t a n d a r d i z e dc a r t o o ns c e n a r i o t h ek e yt e c h n i q u e sa n dm e t h o d sf o rs t a n d a r d i z e d c a r t o o ns c e n a r i oh a v ea l s ob e e np r e s e n t e d ：u s i n gs c h e m af i l e st od e f i n et h es t r u c t u r e s a n dc o n s t r a i n so fc a r t o o ns c e n a r i o ，a n du s i n gd o mt e c h n o l o g yt oa n a l y s et h e s t a n d a r d i z e dc a r t o o ns c e n a r i o b a s e dw i t hs t a n d a r d i z e dc a r t o o ns c e n a r i o ，t h i sp a p e rb u i l d e dad a t a b a s e ，i n w h i c ht h e r ea r ep l e n t yo fc a r t o o nm a t e r i a l n 垃d a t a b a s eo w n se f f e c t i v et o o l s ，w i t h w h i c hw ec a nm a k eu s eo f m a t e r i a li nt h ed a t a b a s e r e l a t i v et ot h et r a d i t i o n a lc a r t o o ns c e n a r i o ，w h i c hi sg e n e r a l l ye d i t e dw i t h c o l l l r l l o nw r i t i n gs o f t w a r e ，s u c ha sm i c r o s o f tw o r da n dw p s ，t h es t a n d a r d i z e d c a r t o o ns c e n a r i oh a si t sp a r t i c u l a ra d v a n t a g e ：a d d e d 、析t l ls t r u c t u r ei n f o r m a t i o n , t h e s t a n d a r d i z e dc a r t o o ns c e n a r i oa l l o w sa ne a s i e ra n dm o 代e f f e c t i v ep r o c e s s i n gb y c o m p u t e r t l l i sh a sb e e nu s e dt oa c h i e v em a t e r i a la n n o t a t i o n , e f f i c i e n tb r o w s i n ga n d r e t r i e v a l 第i i 页 t h es y s t e m ，i nw h i c ht h es t a n d a r d i z e dc a r t o o ns c e n a r i ot e c h n o l o g yh a sb e e n u s e d ，a c h i e v e dt h ep u r p o s e so fm a t e r i a la n n o t a t i o na n ds t o r y b o a r di n t e r a c t i v e g e n e r a t i o n k e yw o r d s ：c o m p u t e r - a s s i s t e da n i m a t i o nx m l c a r t o o ns c e n a r i om a r k u p l a n g u a g e ( c s m l ) s t a n d a r d i z e dc a r t o o ns c e n a r i o s c h e m ad o m i n t e r a c t i v ef a s tc a r t o o nm a k i n gs y s t e m 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 百1 研究背景和意义 动画是将静态的图像、图形及图画等按一定时间顺序显示，从而形成连续的 动态画面的艺术。实现由静止到动态，主要是靠人眼的视觉残留效应。利用人的 这种视觉生理特性可制作出具有高度想象力和表现力的动画片。 动画的应用十分广泛，在影视作品制作、科学研究、视觉模拟、电子游戏、 工业设计、教学训练、军事仿真、过程控制、平面绘画、建筑设计等领域都扮演 着重要的角色。特别是在娱乐、教育领域，动画有着巨大的市场潜力。资料显示， 目前国内1 3 亿人口中，3 6 7 亿青少年构成了动漫及其衍生产品的庞大消费市场。 每年的销售额，儿童食品3 5 0 亿元、玩具2 0 0 亿元、儿童服装9 0 0 亿元、儿童音 像制品和各类儿童出版物1 0 0 亿元以上。与此同时，政府也提出了经过5 年至1 0 年时间，动漫产业至少要占g d p 的1 。这意味着我国动漫产业未来至少具有1 0 0 0 亿元产值的巨大发展空间。而且在政策上，国家鼓励国内动漫企业的发展，在政 策上对国内企业进行扶持。 无论是作为国内最大的动漫产业基地之一的湖南，还是著名的迪斯尼，凡是 “一拍一 大制作的二维卡通动画主要是靠人工来完成的，制作过程耗时耗力。 一部放映十分钟，且内容只有一些线条的简单动画通常也需要好几个人用半年以 上时间绘制约1 5 0 0 0 幅画面。我国制作的5 2 集动画连续剧西游记绘制了1 0 0 万张原画、近2 万张背景，共耗纸3 0 吨，耗时整整5 年。 由计算机辅助生成的动画可以节省大量的资源，但是由于目前人工智能研究 水平的限制，使得生产出来的动漫作品在创作性和艺术性方面还无法达到理想的 效果，计算机交互方式的限制也对动画师的创作过程带来一定的干扰和障碍。 本论文的课题来源于国家8 6 3 项目( 项目编号：2 0 0 9 a a 0 1 2 3 3 5 ) 。项目的主 要目的就是突破可实用化的半自动化动画制作技术，利用计算机的高效信息组织 处理能力和日益强大的图形处理能力，为动画工作者营造出一个“沉浸式 的创 作环境，提高创作人员的工作效率，而不是取代人的创造性工作。通过对素材的 合理组织和高效检索，解决由动画故事到电子分镜头剧本画面的高效制作过程， 提高素材的重复利用率，缩短导演和原画创作师之间的沟通距离和效率，降低台 本师和原画创作师从零开始的创作工作难度，提高创作效率。项目研究所开发的 技术充分考虑了动画与素材库的紧密关联性，以及素材库提供的相关草图对动画 创作的加速作用，这有别于其它计算机辅助动画生成技术，具有鲜明的特色。 本文提出的动画剧本规范化描述方法作为半自动化快速动画制作的一个关键 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 技术，其主要作用是辅助编剧从动画故事中创作出规范化的动画剧本，再进一步 辅助导演得到适合动画创作的分镜头剧本画面。 1 2 国内外研究现状 利用计算机自动生成动画是由传统的卡通动画技术发展起来的。在传统卡通 动画的制作过程中，导演首先要将剧本分成一个个分镜头，然后由高级动画师确 定各分镜头的角色造型，并绘制出一些关键时刻各角色的造型。最后，由助理动 画师根据这些关键形状绘制出从一个关键形状到下一个关键形状的自然过渡，并 完成填色及合成工作。最后，依次拍摄这一帧帧连续画面，就得到了一段动画片 段。 1 9 6 4 年，贝尔实验室的k k n o w l t o n 首次尝试采用计算机技术来解决上述问题， 从而宣告了计算机辅助动画制作时代的丌始。早期的动画制作系统主要以二维卡 通动画设计为主。其出发点是利用形状插值和区域自动填色来完成全部或部分助 理动画师的工作，从而提高卡通动画制作的效率。 2 0 世纪7 0 年代后期，随着计算机图形学和硬件技术的发展，计算机造型技术 和真实感图形绘制技术得到了长足的进步，出现了与卡通动画有质的区别的三维 计算机动画。自8 0 年代初开始，市场上先后推出了多个三维动画软件，这些计算 机动画系统以友好的界面提供给用户一系列生成各种动画和视觉效果的手段与工 具，用户可组合使用这些工具来生成所需的各种运动和效果。9 0 年代的动画系统 已能制作出许多以假乱真的影视特技，观众已难以区分哪些是计算机动画生成的 画面，哪些是模型制作的结果。 目前，计算机动画已经发展成一个多种学科和技术的综合领域，它以计算机 图形学，特别是实体造型和真实感显示技术( 消隐、光照模型、表面质感等) 为 基础，涉及到图像处理技术、运动控制原理、视频技术、艺术甚至于视觉心理学、 生物学、机器人学、人工智能等领域，它以其自身的特点而逐渐成为- - f - j 独立的 学科。 自动化动画生成的技术路线，是从一个自然语言描述的故事，以规范的形式 输入计算机后，直到最终生成动画，每一步都是在计算机辅助下完成的。一部好 动画的产生 和动画生成 自动生成两 1 2 1 叙事 故事， 国防科学技术大学研究生院t 学硕+ 学位论文 就对它进行不断的讨论和研究，到了2 0 世纪6 0 年代，逐渐发展成为一门独立的 学科叙事学( n a r r a t o l o g y ) 5 3 】。 故事自动生成作为叙事智能领域的一个重要研究分支，结合了众多学科已有 的研究成果。从2 0 世纪7 0 年代j a m e sr m e e h a n 提出的第一个较为完善的文本故 事生成系统t a l e s p i n 5 4 出现至今的三十多年时间里，众多研究机构和研究人员在 该领域进行了大量的研究和实践。 2 0 世纪9 0 年代初，m a r cd a v i s 和m i c h a e lt r a v e r s 在麻省理工学院( m i t ) 的 媒体实验室组织了一个学生阅读小组【5 5 】，探讨文学理论和人工智能交叉领域的一 些问题。该小组叫做叙事智能( n a r r a t i v ei n t e l l i g e n c e ) 小组，叙事智能这一概念由 此产生。 b r i a nt p 认为一段文本具有叙事性的四个特征，分别为： ( 1 ) 时间序列，叙事性必须具有一个明显的开始、中间和结束，时间是其中 一个核心的组织设计： ( 2 ) 焦点演员，叙事性总是关于某人或是某件事，有主角甚至对手，角色可 以不用名字来确认，但是提供与叙事中事件关联的思路； ( 3 ) 可以确认的叙事性的语气，即由谁在讲述该故事； ( 4 ) 可规范的或可评价的参考框架，叙事性带有某种含义以及文化价值，即 可以评判出其中的某种倾向性，如谁对谁错等。 目前的故事自动生成方面的研究主要包括两大类：故事呈现( s t o r y t e l l i n g ) 和 故事生成。故事呈现类，包括麻省理工学院的k i d s r o o m 5 6 】、m a r y l a n d 大学的 s t o r y r o o m 5 7 】、以及麻省理工学院的s a g e ( s t o r y t e l l e ra g e n tg e n e r a t i o n e n v i r o n m e n t ，故事讲述人主体生成环境) 系统 5 8 】、m a r y l a n d 大学的p e t s ( p e r s o n a l e l e c t r o n i ct e l l e ro f s t o r i e s ，个人化电子故事讲述者) 系统 5 9 】、i n t e l l i g e n ta g e n ta n d s y n t h e c t i cc h a r a c t e r sg r o u p ( 智能主体和角色合成组) 的p a p o u s 系统以及中科院的 “天鹅”系统【4 】，都是主要侧重在故事表现上，以多媒体的形式表达，而忽略了 故事内容的自动生成，这类系统的故事情节大多由用户“拼装 ，系统除进行故 事录入过程外，在讲述过程中，一般不能感受用户刺激，无法对用户行为做出反 映，局限于故事的机械陈述。而故事生成类，则侧重于根据用户要求，通过某种 算法，生成特定内容的故事，这是一类真正意义上的故事自动生成方法。故事情 节生成时，多采用主体交互、脚本描述或两者结合的方式。这类方法重视故事内 容的生成，所生成的故事情节存在一定的不确定性，故事内容相对丰富；多数系 统都比较重视自治的智能主体作用，有些系统侧重于对作家创作故事的方法或故 事本身的语法结构进行建模。这类方法的具体系统包括著名的耶鲁大学的 t a l e s p i n 系统、哥伦比亚大学的u n i v e r s e 系统、卡内基梅隆大学的o z 系统和 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 f a c a d e 系统、斯坦福的v i r t u a lt h e a t e r ( 虚拟剧院) 项目、荷兰特文特( t w e n t e ) 大学托依纳( t h e u n e ) 等开发的v i r t u a ls t o r y t e l l e r ( 虚拟故事大王) 系统、英国提 赛德( t e e s s i d e ) 大学马克卡瓦兹( m a r cc a v a z z a ) 领导开发的i n t e r a c t i v es t o r y t e l l i n g ( i s ，交互式讲故事) 系统、加利福尼亚大学的m i n s t r e l 系统以及中科院计算 所所研究的p n a i ( ap l a t f o r mf o rn a r r a t i v ea n da n i m a t i o ni n t e l l i g e n c e ) 系统等等。 k i m i k o 的s t r o y m a t 系统可以记录和回放人类讲述的叙事性故事，该系统是针 对儿童教育领域的；m a t e a s 的s a g e ( s t o r y t e l l i n ga g e n t g e n e r a t i o ne n v i r o n m e n t ) 允 许用户创建自己的交互式故事。 b r e t ta d a m s 提出了一种家庭视频制作的方法，把整个过程分成三个必要的步 骤，( 1 ) 生成情节串连图板，( 2 ) 根据情节串连图板用摄像机对相关的内容进 行拍摄，( 3 ) 把记录下的胶片根据故事板生成最终的视频电影。p e r s e u s 1 0 - i - _ 程给出了一个个性化的新闻视频组织和访问方法，旨在通过对用户兴趣的挖掘提 供更加个性化的新闻服务。 目前，在自动故事生成方面，所采用的方法主要分为以下两种 6 0 】： ( 1 ) 人物中心论( c h a r a c t e r - c e n t r i c ) 。 对故事角色的行为和心理( 主要包括信念、期望、意图等) 进行建模。角色 在虚拟的故事世界中，为了达到某些给定的目标，对于身处的环境会做出反应， 而角色的行为最终构成了故事。如t a l e s p i n 、奥茨、i n t e r a c t i v es t o r y t e l l i n g 等系统。 ( 2 ) 作家中心论( a u t h o r - c e n t r i c ) 。 对人类作家的创作过程或故事情节结构进行建模，定义故事情节片段，由导 演的意图决定故事角色的行为以及故事的最终结果，可以用于生成类似题材或内 容的故事。也有研究者把这种模型称为故事中一凸, ( s t o r y - c e n t r i c ) 模型。如u n i v e r s e 、 m i n s t r e l 等系统。 国内在叙事性表现方面的研究较少，还处于摸索的阶段，但随着c n l p ( 中文 自然语言处理) 的发展，叙事性表现也逐渐成为多媒体信息技术领域里面一个研 究发展方向。 在上述故事系统中，虽然有些采用了用户交互的方式，但这仅仅是用来处理 故事生成中的不确定性，或用来刺激系统做出反应。但是，对于故事自动生成系 统，故事创作的最终目标不应仅仅是为了塑造一些可信的人物和连贯的情节，更 重要的是将作者的创作意图通过故事传达给读者。此外，目前的故事生成系统在 所生成的故事内容上通常具有较强的限制，往往限于某一特定类型或领域的故事， 而且故事长度也比较短。从故事的呈现形式来讲，虽然目前一部分故事生成系统 已经可以把故事内容通过动画的形式呈现给观众( 如i n t e r a c t i v es t o r y t e l f i n g 、v i r t u a l t h e a t e r p r o j e c t 、v i r t u a ls t o r y t e l l e r 等) ，但其内容通常也需要事先限定，动画形式 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕+ 学位论文 非常简单，如场景简单、数量少、并且需要事先根据故事情节手工定义。再者， 已有的这些故事系统从结构上来讲，并不能很好地把故事内容生成和动画表现两 个阶段衔接在一起，导致很多系统在动画表现方面显得比较呆板生硬，缺少必要 的灵活性。 1 2 2 动画自动生成的国内外研究现状 计算机动画的研究课题包括动画硬件和软件、计算机辅助动画、绘画系统、 动作控制、关键帧动画、图形模拟、基于力学的动画、合成角色、动画中的图像 r e n d e r 、动画语言和系统、动画者界面、电影实例研究、路径规划、三维医学图像、 分子图形学、飞行模拟器、语音合成、视频动画、应用于计算机动画的传统动画 技术、科学可视化中的动画、工程中的动画、基于人工智能的动画、动画中的机 器人学方法、特殊效果、实时动画、录像录音技术、场景制作、故事图板生成、 数字化音乐和声音、等等。下面是对若干类基于人工智能的动画技术及其研究现 状进行综述。 ( 1 ) 自然语言指令驱动的动画 自然语言指令驱动的动画技术研究如何由自然语言指令和其它高级任务规范 说明来产生虚拟人类a g e n t 完成任务的动画模拟。下面我们介绍若干个有关语言、 动画和虚拟现实的系统。 a ) u l y s s e 是个使用户可以用自然语言在虚拟现实环境中漫游浏览的a g e n t ， 它主要包括一个语法分析器、语义模块、语言到虚拟实体的映射器、几何推理器 等，u l y s s e 使用规划规则来构造动画，并能和语音识别系统交互。 b ) 微软的p e r s o n a 项目致力于产生能够和用户进行自然语音对话的拟人格化 的动画角色，该项目基于微软开发的一个独立于谈话者的连续语音识别系统和一 个覆盖面广的英语理解系统，p e r s o n a 采用拟人化的对话机制，角色说话时还有动 作相配合。 c ) 美国海军研究室致力于研究面向浸入式虚拟现实环境的自然语言和语音理 解界面n a u t i l u s 项目，通过使用口头命令，用户可以在模拟的三维环境中漫游、移 动或隐藏虚拟物体、控制模拟回放等，一个包含有关虚拟世界和物体信息的知识 库支持了这些功能的实现。 d ) 美国宾州大学对基于指令的动画生成技术已经进行了十多年的研究，研制 成功了许多系统，他们的a n i m n l ( a n i m a t i o nf r o mn a t u r a ll a n g u a g ei n s t r u c t i o n s ) 项目的目标是生成真实的动画来表现人执行自然语言指令所说明的任务的过程， 它的功能流程一般说来包括自然语言语法分析、语义分析、规划推理、规划、模 拟和人物动画；a n i m n l 支持对指令的语义和语用理解，以及这种理解随着动作的 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 演化，a n i m n l 所生成的动画不仅包括人的一般肢体动作，还有人的面部表情、手 势、和语音合成；a n i m n l 提供了各种知识库以支持各部分的功能。 ( 2 ) 模拟人类对话的动画形象 美国m i t 媒体实验室的手势和叙事语言小组一直在研究和构造用于对话的逼 真的动画形象，基于对人类语言、认知和社交能力的深层理解，他们的动画形象 能够模拟人类和用户对话，包括语音、语调、手势、面部表情、头部运动、眼神 等。他们的系统的主要特点包括多模式输入和多模式输出、实时、命题性和交互 性信息的理解与合成及具有诸如转折等对话能力。系统的静念知识库、动态对话 知识库、规划模型和对话模型等支持了这些功能的实现。他们已经研制了若干能 和人对话的动画角色，例如a v a t a r s ，g a n d a l f , r e a 等。 ( 3 ) 事件描述到角色语音和面部表情的自动生成 b y m e 系统以r o b o c u p 模拟器的输出为输入，基于角色的个性、情感状态和 比赛情形来产生角色富有感染力的言语和面部表情，b y m e 的输入是关于一场模拟 足球比赛的当前状态和最近动作的一系列相关事件描述，每一个事件描述都被预 赋一个相关值，事实上b y r n e 的动画和语音自动生成是基于比赛分析和事件相关 性计算都已完成的假定的，这大大减少了它的处理复杂性。b y m e 的主要子系统包 括情感生成、情感行为生成、文本和语音标记生成、表情标记生成等，它基于一 组情感结构生成规则、评球员角色的个性、组合规则等。b y r n e 的一个重要特点 是它大量使用了有关语音合成、面部表情和自然语言语义语用处理和生成等的各 种系统标准。 ( 4 ) 交互式故事系统 面向兼顾交互性和情节控制的目标，描述了一个支持交互式情节的动态产生、 管理和冲突解决的计算框架，它让用户充当故事的主角来确定当前的行为，同时 根据角色的说明、关系、目标等来控制角色的行为。该框架的核心模块是一个情 节管理器，它的输入是一系列初始情节条件，输出是角色动作序列，该系统目前 已在网上发布运行 ( 5 ) 自然语言故事到计算机动画的翻译 m u l t r a n 是一个从自然语言( 日文) 写的故事到计算机动画的翻译器，其主要 步骤包括：从故事篇章中推导出脚本、角色动作生成、动画环境构造和虚拟摄像 机定位。m u l t r a n 的特点在于：中间表达由事件和事件间的约束组成；能够生 成一个动画脚本，它是时间估算的一个最优解；调度执行的过程中角色可以估算 自己动作的时间。m u l t r a n 的研制者期望他们的工作可以支持自然语言处理中 的对话理解和篇章的二义性排除。 ( 6 ) 全过程计算机辅助动画生成 第6 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 国内计算机动画以中科院计算所的“天鹅 系统为代表。将人工智能技术和 基于知识的方法引进动画生成的全过程，提出的全过程计算机辅助动画制作。它 的目标是只要有了一个适当的故事，以受限自然语言的形式把它输入计算机里， 直到最终生成动画，每一步都是在计算机辅助下完成的。天鹅系统的功能主 要包括：中文自然语言理解，上下文无关常识性处理，上下文有关常识性处理， 故事情节的可表达性处理，故事情节的展开和生成，故事情节的完整化处理，故 事中心思想分析，分场景剧本生成，场景规划( 包括角色、道具、布景等在内的 空间规划) ，路径规划( 包括二维和三维路径规划) ，角色关节动作规划，摄像 机规划，动画定量描述剧本生成，动画生成，动画元素库及库管理，语言库及库 管理，设计库及库管理，声音元素库及库管理，动画连续演示，总控及用户界面 等等。 在上述系统的一系列计算机动画研究中，计算机更多的在动画制作中起到辅 助作用，代替传统动画中重复性强、劳动量大的部分工作，计算机代替不了人的 创造性劳动，这是计算机很难弥补的缺点。计算机不能根据剧本自动生成关键帧， 并且对生成关键帧之间复杂的中间帧，仍需要动画制作人员的参与才能完成。 1 2 3 国内外已有的相关