（计算机科学与技术专业论文）古建动画自动生成中人物发型的动态生成.pdf

，j 。独创性声明y 17 8 7 8 21 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：淫盘擅日期：兰! f 2 ：笸：1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：霎遵 导师签名： li i；p也十 0，：、 “h、，矗lli_。 摘要 摘要 随着人工智能、计算机图形学和软硬件技术的高速发展，计算机动画已经广 泛应用于工程、科研、文娱等众多领域。中科院陆汝钤院士在9 0 年代提出了动画 自动生成技术( a u t o m a t i cg e n e r a t i o no fc o m p u t e ra m i m a t i o n ) ，结合了人工智能理 论与现代多媒体技术的全新动画制作过程。其目标是接收以受限自然语言描述的 故事脚本，使用多项人工智能技术对故事进行分析、理解，提取环境、情节、人 物等信息，并在知识库的协助下，将信息编码为底层图形脚本，实现动画的绘制。 虚拟人物造型设计是动画自动生成中的子问题，包括人物的衣服、发型以及 饰品的自动生成。基于语义理解的人物发型辅助生成系统，简称发型生成系统， 以动画自动生成技术为背景，根据用户对发型的受限自然语言定性描述，生成符 合用户描述的发型。 我们事先会建立一个发型规则库，包括发型描述库和发型属性库，两个规则 库相互关联。发型描述库内包括发型名和发型属性的信息，而发型属性库内则包 括生成特定发型所需的属性数据。系统首先根据发型名称搜索发型描述库，从中 读出此发型属性的定量描述，然后利用这些属性的描述查询发型属性库读出最终 的定量数据，再将这些定量数据写入特定的脚本文件，最后利用特定的三维动画 软件调用这个脚木文件，生成符合用户描述的发型。整个过程借助计算机的辅助 自动完成，相比传统的手工制作方法可以明显地提高制作三维人物发型的效率。 本文首先介绍了动画自动生成技术的相关背景及研究现状，接着讲述了动画 自动生成系统的设计和层次，然后详细的介绍了三维人物发型自动生成系统的设 计与实现，最后对系统进行了实验并分析了结果，可以看出系统基本满足了用户 需求，不过也存在一些不足，主要是此方法还不能够对发型样式本身进行大幅的 修改，文中对此进行了一些探索，总结了一些经验，供将来系统进行改进时借鉴。 关键词人工智能；动画自动生成；人物发型；规则 北京工业大学1 = 学硕七学位论文 i i a b s t m c t a b s t r a c t w i ma u t o m a t i cg e l l e r a t i o no fc o m p u t e ra i l i m a t i o n ，w 1 1 i c hi sp m p o s e db yp r o r u m a nl u ，i 1 1 t e g r a t e sa i r t i 丘c i a li n t e l l i g e n c ea n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g yi n t oan e w p r o c e s so f a l l i m a t i o ng e n e r a t i o n 1 1 1 es y s t 锄a c c 印t ss t o r ys 嘶邮d e s 嘶b e di nl i m i t e d n a n h ，a l l a l l g i l a g e ，a l l a l ) ，z e s ，l l i 】d e r s t a i l d s t h es t o a n dd i s t i um ei n f b 硼a t i o no f e i l _ v i r o n m e n t ，d r a m a s ，a c t o r s a 1 1 ds oo nb yu s i n gd i 行e 咖ta r t i 矗c i a l i n t e l l i g e n t t e c h l l o l o 舀e s ，a n df i n a l l y 饥c o d e sm ei n f o m a t i o ni n t om e i lg r o u n d 黟印1 1 i cs 谢p tw i m 弱s i s t a i l c eo fm ek n o w l e d g eb a s e n 1 蛆lc h a r a c t c rd e s i g i l i n gi sm e 吼i b p r o b l 锄i na u t o m a t i c 舀m e r a t i o ns y s t e mo f 鲫n p u t e ra l l i m a t i o n ，w l l i c hi n c l u d e sa m o m a t i cg e n e r a t i o no f t h ec h a r a c ：t d sc l o t h e s ， h a i r s t y l e sa n da c c e s s o r i e s t h ec h a r a c t e f s h a i ra u x i l i a 巧g 吼e m t i n gs y s t e m ，h a i r g e n e r a t i n gs y s t 锄f o rs h o n ，b a s e do ns e i i l a n t i cu n d e r s t 雠d i n gr e g a r d sa u t o m a t i c g e l l e r a t i o no fc o m p m e ra n i m a t i o na sb a c k g r o u n d ，锄dc o u l dg 瞰锄t et h er e q u i r e d h a i rf o ru s e ra u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h eh a i rq u a l i t 撕v ed e s 谢p t i o no ft h e r e s t r i c t e dn a t u r a ll a i l g u a g eb ym eu s e r w bw i l lc r e a t eal i b r a r yo fm eh a i rr u l e si na d v a l l c e ，i n c l u d i n gal i b r a 叫o ft h eh a i r d e s c f i p t i o na 1 1 dal i b r a 巧o f t h eh a i rp r o p e n i e s ，t h et w ol i b r a r i e sa r ei n t e r r e l a t e d t h e r e a r eh a i rn a m ea n dh a i rp r o p e r t i e si nt l l el i b r a r ) ，o fm eh a i rd e s c r i p t i o n ，a n dm e r ea r e s o m ea 仕r i b u t ed a t ar e q u i r e df o rg 肌e r a t i n gac u s t o m i z e dh a i ri nal i b r a d ，o ft h eh a i r p r o p e n i e s 1 1 1 eh a i rg e n e r a ! t i n gs y s t e i i l s e 锄m e st 1 1 el i b r a r yo fh a i rd e s c r i p t i o n a c c o r d i n g t om eh a i rn 锄et 0f i n dq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o no ft l l ep r o p e r t i e so fm i sh a i r ， 锄du s em e s ep r o p e n i e st 0s e a r c ht i l el i b r a 巧o fh a i rp r o p e n i e st o f i n do u tt l l e q u 锄t i t a t i v ed a t a t l l e nw r i t em e s ed a t at oas p e c i f i cs 函p tf i l e ，a t l el a s t ，t h i ss 嘶p t f i l ew i l lc a l l e db ya 缸e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gt 0 0 1t 0g e n e r a t eah a i rw h i c hm e e ：s m cu s d sd e s 嘶p t i o n s 1 1 1 ew h o l ep r o c e s sw i l lb ed o n e踟t o m a t i c a l l yw i t h c o n l p u t e r - a s s i s t e d ，s i 鲥f i c a i l t l yi m p r o v em ee m c i e n c y o fm ep r o d u c t i o no f 廿1 r e e - d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r sh a i r sc o m p 撕n gw i t l lm et r a d i t i o n a l h a n d m a d e m e t l l o d s 7 n l i sp a p e ri n t r o d u c e st h e b a c k 黟o u n d a 1 1 dr e l a t e dr e s e a r c hi na u t o m a t i c g 胁e r a t i o no fc o i n p u t e ra n i m a t i o na tf i r s t ，m e nn a r r a t e sm ed e s i 印a n dl e v e li n a u t o m a t i cg e i l e r a t i o no fc o m p u t e ra n i m a t i o n ， t h e nd e s 嘶b e st h ed e s i 印a j l d i m p l 锄e 1 1 t a t i o ni n l ec h a r a c t e r sh a i ra u x i l i a 巧g e n e r a t i n gs y s t 锄，f i n a l l y ，w et a k e s o m ee x p “m e n t so ne a c h 如n c t i o n a lm o d u l eo fm es y s t e m ，蛆e r 觚a l y z i n gt h er e s u l t s ， i i i 北京工业大学t 学硕七学位论文 w el 【1 1 0 wt h a tm es y s t 锄c o u l db a s i c a l l ym e e tm eu s 引sd e m 趾d s ，h o w e v t h e s y s t 锄s t i l lh a ss o m ed i s a d v a l l t a g e sw h i c ha r et ob ei m p r o v e di n 如t u r ew o r k ，t h ek e y p r o b l e mi s t h a tw ec a n t c h a i l g et h eh a i rs h 印ei nt h i ss y s t e m ，t h e r ea r es o m e r e s e a r c h e si np 印a i l ds o m ee x p e r i e l l c es u 玎呦撕z e df o rr e | 研e l l c ei ni m p r o v i n gt h e s y s t e mi n 向t u r e k e y w o r d sa r t i f i c i a li n t e l l i g 啪c e ；a u t o m a t i cg e n e r a t i o no fc o m p u t e ra n i m a t i o n ；h a i r ； r u l e i v 目录 目录 摘要i a b s t l - a c t 。i i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 动画自动生成的研究背景一1 1 1 2 动画自动生成的研究意义2 1 1 3 三维动画人物的衣服、毛发、饰品设计3 1 2 研究现状4 1 2 1 计算机动画的历史及现状4 1 2 2 人工智能技术在计算机动画领域的应用4 1 2 3 三维人物形象设计的研究现状6 1 3 本课题的主要研究内容7 1 4 论文结构安排7 第2 章动画自动生成系统概述 2 1 动画自动生成系统的设计思想9 2 1 1 系统整体结构一9 2 1 2 系统的描述语言9 2 2 动画自动生成系统的层次及组成l o 2 2 1 自然语言及故事理解层1 1 2 2 2 定性规划层1 l 2 2 3 定量规划层1 2 2 2 4m 後文件生成及m e l 语言解释器1 4 2 3 本章小结1 4 第3 章三维人物发型自动生成系统设计与实现。 3 1 概j 签15 3 1 1 头发在人物造型中的作用1 5 3 1 2 三维发型设计研究现状1 6 3 2 发型描述语言l7 3 2 1 发型定性和定量描述语言1 7 3 3 系统设计分析1 8 3 3 1 功能需求1 8 3 3 2 发型的数据结构定义1 8 3 3 3 接口需求2 0 3 4 系统设计概要2 0 3 4 1 系统的基本结构2 0 3 4 2 发型规则库2 3 3 4 3 修改和自定义规则库2 6 v 北京t 业大学工学硕七学位论文 3 4 4 系统的可扩展性2 7 3 4 5 生成发型的m 赴後命令2 7 3 5 本章小结3 3 第4 章发型生成系统的实验结果及分析。3 5 4 1 系统操作流程及发型生成测试3 5 4 1 1 基于用户定性描述的发型生成3 5 4 1 2 定性描述发型生成实验结果分析3 8 4 2 修改和添加规则测试3 8 4 2 1 修改规则测试3 8 4 2 2 修改规则实验结果分析4 1 4 2 3 添加属性测试4 1 4 2 4 添加属性实验结果分析4 1 4 3 本章小结4 2 结论 参考文献 攻读硕士学位期间发表的学术论文 致谢 v l 5 1 第l 章绪论 1 1 研究背景及意义 第l 章绪论 1 1 1 动画自动生成的研究背景 随着人们生活水平的提高以及科技的飞速发展，人们对视觉产品的要求越来 越高，传统的二维动画产品已经不能满足人们的要求，三维动画产品越来越多的 受到人们的欢迎，计算机技术也越来越多的应用于三维动画领域，许多三维动画 影视作品，比如飞屋环游记、功夫熊猫，还有优秀的国产片秦时明月 等都使用了计算机动画技术，这些作品代表了近年来国内外三维计算机动画技术 的最高水平。 随着计算机图形学技术的发展，特别是三维建模技术的发展，三维动画具有 了非常逼真的视觉效果。另外高速图形处理器g p u 及超级图形工作站等图形处 理硬件的快速发展和3 dm a x 、m a 、後等这些动画制作软件的产生，使得三维 动画的制作变得越来越方便，效果越来越生动逼真。当今三维计算机动画技术应 用领域已经涵盖了影视、广告、游戏以及虚拟现实模拟等众多领域，尽管计算机 辅助动画已经取得了长足的发展，但是很多大量重复耗时的工作仍然是由动画制 作人员亲自完成，生产效率也受到了很大的影响。 为了进一步提高动画的制作效率，中科院陆汝钤院士在9 0 年代提出了全过 程计算机辅助动画自动生成技术【l 2 】，它是将电影艺术、人工智能技术和图形学 技术引入动画生成的全过程，以底层图形学技术为支撑，在上层运用人工智能技 术以及电影艺术实现的一个全新的领域。 应用全过程计算机辅助动画自动生成技术的第一版动画系统天鹅【l j 已在 1 9 9 5 年实现，运用该系统制作的动画片三兄弟曾在中央电视台播放。但天 鹅系统仍然存在缺陷和不足，因此陆汝钤院士于2 0 0 3 年筹建了北京工业大学 动画自动生成项目组，在原有的基础上重新设计了全过程动画自动生成系统。系 统分为定性和定量两层，定性层给出动画的抽象描述，输出动画定性描述语言， 特点是可读、方便修改，可以人工干涉生成动画片。而定量层则给出动画的具体 信息，输出动画定量描述语言，特点是包含了动画的全部定量信息，可读性不强， 只适应于系统开发人员对最后的动画进行修改。这一技术的应用，可以大大缩短 动画制作周期、减少成本，在动画片、网络、游戏等领域都有很大的应用潜力。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 1 1 2 动画自动生成的研究意义 动画是一种综合艺术门类，是工业社会人类寻求精神解脱的产物，它集合了 绘画、漫画、电影、数字媒体、摄影、音乐、文学等众多艺术门类于一身的艺术 表现形式。世界上第一部动画片是由j 斯图亚特勃拉克顿创作的迷人的图 画，创作于1 9 0 0 年，距今已有1 l o 年的历史。动画的出现极大的丰富了人们的 业余生活，其极具创新性的表现形式、深浅适中的故事内涵，适合了不同年龄层 段的观众。虽然在这一百多年中动画片的制作方法日新月异，制作水平也空前提 高，但是很多现代动画片的制作工艺仍然纷繁复杂，劳动强度大，制作周期长， 传统的动画制作方法大致要经过一下的过程：先由经验丰富，技术高超的画面制 作者画出动画片中的所有关键画面，然后由一些助手或辅助者画出位于两张关键 画面之间的其它连续画面，这些画面必须符合动画时间，以确保动画播放时画面 变化自然流畅。以上都是铅笔图稿，为了初步测定动画中的造型和动作，可以将 这些画好的图片输入动画测试平台进行测试，这个过程叫做铅笔图稿测试。一旦 测试通过，那么将铅笔图稿手工的描在透明片上，透明片需要良好的透明度，或 者用照相制版的办法印在透明片上，然后给每个在透明片上的画面图上各种所需 颜料，这个过程需要非常的精确，制作者需要非凡的耐心，稍有不慎就可能毁掉 整张透明片。在这之后会进行严格的动作质量检测，只有通过检测之后，才能在 动画摄制台上进行拍摄。在拍摄之前往往要指定一个摄制表，这是由导演编制的 拍摄进度、层次和时间的规划表。动画摄影师把动画系列通过拍摄依次记录在胶 片上。最后再对胶片进行编辑、剪接、对内、配音、加字募等后期制作工序。由 此可见，传统的动画制作过程是一个非常复杂而费时的过程，比如我国的5 2 集 动画连续剧西游记就绘制了1 0 0 多万张原画、近2 万张背景，共耗纸3 0 吨、 耗时整整5 年。 随着计算机技术的产生和发展，计算机技术越来越多的被应用于动画制作领 域，并由此诞生了计算机动画( c 0 m p u t e r “m a t i o n ) ，一个全新的研究领域。计 算机动画是将计算机图形学技术应用于动画制作领域，借助计算机程序或者动画 制作软件生成一系列动画画面【3 j 。计算机动画将计算机技术与动画艺术结合到一 起，从一开始便受到人们的高度关注。随着计算机动画的研究和发展，根据其不 同的制作原理，被分为了以下两类：计算机辅助动画( c o m p u t e r a s s i s t e d a i l i m a t i o n ) 和基于造型的动画( m o d e l e da n i m a t i o n ) 【引。前者采用二维动画制作 技术，主要是将计算机技术用于辅助卡通动画片的制作，后者采用三维动画制作 技术，首先在三维空间中创建几何模型，随后通过关键帧或约束技术将动作信息 赋予几何模型生成动画，采用此技术制作出来的作品比前者有更加完美的表现 力。计算机辅助动画的产生，不仅减轻动画制作的难度，而且提高了动画制作的 效率，同时其逼真的动画效果也在视觉上给予我们极大的震撼与享受【5 】。如今， 2 第1 章绪论 一些优秀的国内外作品，如国产的秦时明月和国外的飞屋环游记、花木 兰等影视作品都采用了计算机动画技术。在迪斯尼的动画大片花木兰中， 一场匈奴大军厮杀的戏仅用了5 张手绘士兵的图，电脑就变化出三、四千个不同 表情士兵作战的模样。花木兰人物设计总监表示，这部影片如果用传统的手 绘方式来完成，以动画制片小组的人力，完成整部影片的时间可能由5 年延长至 2 0 年，而且要拍摄出片中千军万马奔腾厮杀的场面，是基本不可能的。近年来， 随着计算机动画技术的迅速发展，它的应用领域日益扩大，带来的社会效益和经 济效益也不断增长。 当今三维计算机动画技术应用领域已经涵盖了电影业、电视片头和广告、科 学计算和工业设计、模拟、教育和娱乐以及虚拟现实与3 dw e b 等众多领域。动 画自动生成技术【i 2 】是人工智能与现代多媒体技术完美结合的产物，属于信息领 域、数字内容软件产品。动画应用领域己覆盖动画故事片，动画广告，计算机游 戏和计算机模拟等众多领域。目前计算机辅助动画技术只在少数环节有所进展， 主要成果集中于图形表现的层次，距离全过程自动生成还相差很远。大量重复而 耗时的工作仍然需要动画设计人员亲自完成。这大大影响了动画工业产业的生产 效率，并很难满足信息时代大众对动画娱乐产品的迫切需求。而全过程计算机辅 助动画自动生成系统融入人工智能的前沿技术，极大的减少了动画制作成本、缩 短了动画制作周期。 全过程计算机辅助动画自动生成是一个崭新的课题，目前国内外计算机辅助 动画制作方面的工作很多，但从自然语言书写的故事开始，由计算机完成全过程 动画创作的研究还没有过。作为一个崭新的课题，其在理论与应用两方面都具有 十分重要的意义。首先，从科研角度来看，它是人工智能技术重要的试金石。近 年来，人工智能技术在许多领域都得到了应用，如人机对战，专家系统等。动画 自动生成是人工智能技术的一个新的试验场，是人工智能技术在电影学、图形学 中新的应用，同时也有助于相关学科的发展。其次，从动漫产业发展来看，动画 自动生成技术可以帮助制作人员全面提高工作效率，从而缩短动画片的生产周 期，达到降低整体制作成本的目的。 1 1 3 三维动画人物的衣服、毛发、饰品设计 三维动画中的人物形象设计通常包括衣服、毛发和饰品的设计，只有在这些 物品的搭配下，三维人物形象才更加逼真，更具表现力。动画的剧本源自使用自 然语言描述的故事，故事是一种记叙式的文体，记叙文具有六大要素，即时间、 地点、人物，事件的起因、经过和结果。人物是故事的重要要素之一，任何故事 都离不开人物，当然也有以人格化的动物( 如动画片狮子王中的动物角色) 或者人格化的物品( 如汽车总动员中的汽车角色) 为主角的动画故事，人物 北京t 业大学t 学硕士学位论文 作为故事中事件的承载者，见证者，也是表现者，是动画中需要着重变现一个重 要方面。故事中的人物形象是否鲜活，是由人物的外在形象以及人物的行为表现 ( 也就是动作) 所决定的，因此，作为人物表现的一个重要方面，动画自动生成 系统中的人物形象设计问题也因此被提出。 1 2 研究现状 1 2 1 计算机动画的历史及现状 计算机动画从出现至今已有三十多年历史，其中经历了从二维到三维，从线 框图到逼真感图像，从逐帧动画到实时动画的发展过程【6 】。 早期的动画系统主要是使用编程语言或交互的方式。这一时期比较有代表性 的系统主要有【4 】：m i t 的r o n a l db a e c k e r 开发的g e n e s y s 系统( 1 9 6 9 年) 、 c i c ( c o m p u t e ri m a g ec o 印o r a t i o n ) 开发的模拟动画系统s c s a n i m a g e ( 1 9 7 1 年) 、美国宾夕法尼亚大学开发的第一个基于造型的系统a n n 噍a t o r ( 1 9 7 1 年) 。 这些系统都是二维动画系统。 1 9 7 1 年加拿大n r c ( t h en a t i o n 2 l lr e s e a r c hc o 吼c i lo f c a n a d a ) 研究机构提出 了“关键帧动画”技术，这一技术是利用给出的两幅关键帧，由计算机自动差值计 算中间帧的方法完成动画制作【4 1 。三维动画系统的研究始于7 0 年代初【4 1 。1 9 7 1 年，c a 彻u n 在美国犹他大学开发了m o p 三维计算机动画系统。1 9 7 5 年，美 国俄亥俄州立大学的计算机图形学研究小组研究出a n i m a 系统，该系统提供了 裁剪、透视投形、曲线光滑的明暗处理等功能。 三维动画的出现把动画制作上升到了传统动画不可达到的高度。在传统的动 画制作中，一些难以再现的物体运动通过三维动画展现的惟妙惟肖。随着先进造 型技术以及计算机图形学技术的飞速发展，用计算机生成的三维动画片更是具有 二维动画片无法比拟的优越性，并且，三维动画片形象地模拟出现实世界物体运 动的规律，解决了传统动画中运动表现的问题。 1 2 2 人工智能技术在计算机动画领域的应用 随着计算机硬件和图形学的发展，计算机动画从起初的二维时代进入了三维 时代，制作流程发生了根本性的变化，给人工智能技术的融入带来了更多机会， 越来越多融合了人工智能技术的计算机动画系统进入人们的视野。基于人工智能 的动画研究如何将人工智能技术用于计算机动画，从而提高动画制作的自动化程 度和智能性。这一方面的研究成果很多，大致可分为以下几类： 1 )自然语言指令驱动的动画：该方法主要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【1 1 。基于该技术的 4 第l 章绪论 语言、动画和虚拟现实的系统有很多，如： 曲微软研制开发的p e r s o n a 项目，该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，采用拟人化的对话机制，角色说话时还有动作相 配合。 b ) u l y s s e 是一个使用户可以用自然语言在虚拟现实环境中漫游浏览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。u l y s s e 的研 制者目前的工作是研究如何从语言文本来生成场景。 美国海军研究室的n a u t i l u s 项目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，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。 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，他们的觚m n l ( a n i m a t i o n 矗o m n a t u r a ll a n g u a g ei i l s t m c t i o n s ) 项目【7 9 】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 作的演化；碰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 i n n l 提供了各种知识库以支持各部分的功能。 2 ) 知识驱动的人体跑步动作的动画生成：该技术是通过人类跑步的知识来 生成各种实时人体跑步动作的动画【l 叫2 1 。该系统中的知识分为若干类：关于跑步 动作参数之间关系的实验知识，用于计算人体运动轨迹的物理知识，关于跑步时 肢干协调性的知识等等。在这种基于知识的控制机制的支持下，用户可以交互式 地调整高层参数以实时地得到满意的跑步动作效果。 3 )自然语言故事到计算机动画的翻译：m u l t 凡【1 3 】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 i 脉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 2 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。 4 1 基于角色情绪和动作的自动背景音乐生成：计算机动画中有关背景音乐 和音响效果自动生成方面的研究比较少，文献【1 4 】论述了一个为已经制作好的动画 自动配乐的原型系统，其输入是每个场景的音乐参数和动作参数。音乐参数包括 情绪类型和音乐主题，情绪类型是指场景中主要角色的诸如高兴、伤心、生气、 困倦等的情绪及其程度。该系统中背景音乐的节拍、旋律、伴奏等主要是根据角 色情绪所产生的。背景音乐的和弦级数的生成是基于协调规则的，这里的协调规 s 北京工业大学工学硕l ：学位论文 则是根据1 7 到1 9 世纪古典音乐最常使用的和弦而总结出来的，而动作的音响 效果是根据动作的特性和强烈程度来确定的【。 5 ) 交互式故事系统：一般交互式故事或游戏系统有故事图和模拟世界两种 类型，前者的交互性太差，而后者的行为时间相关性太差，难于成为故事【l 】。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，详细的描述可参见文献【l 孓1 丌。 6 ) 交互式故事图板生成：故事图板( s t o r y b o a r d ) 【1 8 1 9 】是指电影、动画片、电 视节目或商业广告等的情节串连图板，主要用于设计镜头效果和指导拍摄。现行 的故事图板生成系统一般都是交互式的，由用户利用系统所提供的功能操作和库 逐个图进行画面设计，每个图可以附加标题和脚本文字说明。以s t o 啪。莉q u i c k 为例，它是为导演、作家、制片人、摄影师、电视录像制作人所设计的用于前期 可视化的实用软件，在制作每幅画面时用户可进行的操作主要包括：从系统所提 供的库中调入角色、选择角色的动作和方向、放大或缩小角色、添加背景图或图 像、从系统所提供的库中调入道具和各种图示符号、添加文字说明等等； s t o 啪o a r dq l l i c k 的目标是简单易学，便于用户对有关镜头的想法进行快速可视 化和交流。还有的交互式故事图板生成软件可以为画面附加声音效果、把画面输 出到视频设备掣2 0 2 1 1 。 1 2 3 三维人物形象设计的研究现状 三维人物形象的目标就是需要对三维人物进行发型、衣服、饰品方面的规划 目前主要还是利用一些流行的三维动画制作软件，比如m m 後，进行手动制作。 目前比较流行的衣服制作方法是使用一些插件，如n c l o t h ，由用户手动制作。 n c l o m 是运行于m m 後上专门制作布料的插件，它有以下的特点：1 、它可由 m 越缇中任何建模后的多边形网格生成，这样可以非常方便的创建任何质地，任 何款式的衣服模板。2 、由它创建的衣料属性可以通过m m 佚进行交互式修改。 3 、衣服布料可以是僵硬的，柔软的或者为用户希望的紧身或宽松的布料，衣料 还可以被弯曲、伸展、修建、凹陷甚至撕毁。4 、n c l o t i l 用户能够以逼真的衣料 间相互作用和碰撞效果创建多个衣料的模拟和融合如披风搭配夹克或衬衫 下配短裤。 而目前针对三维人物发型的制作也是使用一些头发插件，比如m m 後中的 h a j r 插件手动制作头发，这种方法非常费时费力，而且效率低下，也可以从一个 已有的发型上进行修改，这样可以对已有的发型进行利用，比第一种要高效一些， 6 第1 苹绪论 但是这种方法也有局限性，它的原始发型无法自动根据用户的需求进行修改，如 果与用户所需发型有很大差别，用户还是需要做大量的工作，不论那种方法都需 要用户对制作头发和相应建模工具有很深的了解。至于饰物的创建主要还是和其 它模型创建相同，需要先建模然后再在模型上贴图。 1 3 本课题的主要研究内容 动画自动生成系统总的思路是借助人工智能的方法，将自然语言的故事转化 为三维图形软件中的动画模型，再通过渲染即成为平时我们所说的动画片。这是 一个自顶向下、逐步细化的过程。本课题对系统中重要模块一三维人物的发型、 衣服、饰品进行研究，实现了人物发型的自动生成，并对衣服和饰品的自动生成 进行了一些研究。 1 4 论文结构安排 全文共分为以下四个部分，主要结构和内容如下； 第1 章：绪论。介绍了动画自动生成的研究现状和研究意义，并阐述了人物 形象设计的提出及研究意义。最后介绍了本课题的研究内容； 第2 章。动画自动生成系统概述。整体描述了动画自动生成的系统框架、流 程以及各个模块的作用； 第3 章：介绍了三维人物发型自动生成系统的框架以及各个功能模块的划分， 并介绍了规则库的设计与实现。 第4 章：对系统进行了测试与实验，并对结果进行了分析。 结论部分对全文工作进行小结，并对本文工作中存在的一些不足提出了可能 的改进思路和对今后工作的展望。 7 ， 氛l 北京工业大学工学硕十学位论文 8 第2 章动画自动生成系统概述 第2 章动画自动生成系统概述 2 1 动画自动生成系统的设计思想 2 1 1 系统整体结构 中科院数学所陆汝钤院士提出的动画自动生成技术，是将人工智能与知识推 理引进到计算机动画制作领域，构建帮助制作人员提高动画制作效率，简化动画 制作难度的系统。在上世纪9 0 年代陆汝钤院士根据此技术研制了天鹅系统， 并且仅使用两周时间就生产了动画片三兄弟，已被中央电视台大风车节目播 放，从而证明了动画自动生成系统的可行性。 尽管天鹅系统初步实现了动画自动生成技术，但是它还有一些不足之处。 陆院士指出：“有些局部模块的实现方法至今不很理想，其中有相当一部分是准 备重新实现的新方案，【1 1 。在陆院士的指导下，北京工业大学人工智能实验室采 用最新的技术，对系统进行了局部的修改和完善，同时引入计算机图形学方面的 最新研究成果，将先进的三维激光扫描仪，三维动作捕捉仪，三维动画软件特效 渲染等技术应用到系统中。并利用新版的天鹅系统制作了新版的三兄弟 动画。这一版无论是在动画人物的自然程度还是动画的视觉效果都有了很大的飞 跃。 动画自动生成技术的目标是将用户使用受限自然语言描述的故事自动转化 为一部动画片，这总体上是一个逐步细化的过程，可以根据细化的规则，将整个 过程划分为五个阶段： ( 1 ) 接受用户的受限自然语言描述的故事作为输入，根据规则将其转化为我 们已定义的语义表达g f l 语言； ( 2 ) 依据一定规则理解用户输入，确定角色和形象，加入必要的故事信息生 成g f 2 语言； ( 3 ) 进行定性规划，主要包括：情节规划、场景规划、人物规划、摄像机规 ， 划，生成a d l 定性描述语言； ( 4 ) 进行定量规划，主要包括：布局规划、动作规划、路径规划、光色规划、 摄像机定量规划，并最终生成c a l 定量描述语言； ( 5 ) 根据c a l 内的定量数据进行解释，生成3 d 软件m a y a 的动画格式的 文件( m a 文件或者m e l 文件) 。 2 1 2 系统的描述语言 系统在每一个阶段都有独立的语言定义，可以用来完成不同阶段间的信息传 9 北京工业大学工学硕十学位论文 递工作。这五个阶段对应的五种语言定义分别是： 1 ) 受限自然语言：它是自然语言的一个子集，将用来描述所需生成的故事作为 系统的输入，其书写规则受限于自然语言单句理解子系统的处理范围，以便于被 系统分析、理解和处理； 2 ) g f 语言( 包括g f l 、g f 2 ，g o l d e i lf o r e s t ) 1 2 】：g f 语言是深层语义表示语言， 它有两种类型：g f l 和g f 2 。g f l 语言是自然语言理解处理之后的结果。它由四 部分组成：角色说明序列( r o l e “s t ) 、物体说明序列( o b j e c tl i s t ) 、环境说明序列 ( e n v i r o n m e n tl i s t ) 和动作说明序列( a c t i o nl i s t ) 。g f 2 语言是故事理解后的输出语 言，其格式与g f l 基本相同，仅是通过故事理解后，增添了额外的故事相关信 息； 3 ) a d l 语言【z 】：a d l 语言是详细的定性描述语言，类似于动画片中的剧本描 述。它是定性规划后的输出结果，它以幕为单元分解故事信息，将定性规划部分 中的各个模块的信息进行汇总。与g f 语言相比，a d l 语言更具有层次性比较容 易理解和修改，不过因为a d l 语言仅是定性处理后的信息，所以其所含信息只 是定性描述层面上的，并不涉及量化信息。 4 ) c a l 语言【2 j ：c a l 语言是动画中的详细定量描述语言，它直接与底层的实现 相关。它是定量规划结果的汇总。a d l 语言经过系统各个定量模块的处理，将 其中出现的所有定性描述信息均转化为具体的定量数据。相比a d l 语言，c a l 语言基本不可读，由于与底层实现相关，所以不能够随便修改。 5 ) 具体的动画语言：c a l 语言只是包含了制作动画片所需的定量信息，但与具 体的驱动动画的语言无关，因此还不能够驱动计算机的动画制作软件产生动画。 但是c a l 语言的内容包含了当今主流的3 d 动画制作中所需要的定量信息，所 以可以将其转化为我们使用的特定的3 d 制作软件所需要的文件格式。例如若以 m a y a 动画制作软件为工具，则具体的动画语言就是m a 文件和m e l 文件 m 越缇定义的面向字符的动画文件，若以观看实时3 d 场景为目标，则具体 的动画语言就是w i 也文件虚拟现实标记语言文件。 l 【2 2 乃j 是一种标记性语言，结构简单，意义明确，并且可以通过格式文件 来进行验证，因此我们选用它作为各种文件的载体，代替了天鹅系统中的无 格式文本。从g f ，到a d l ，再到c a l ，其所有信息全是写在x m l 文件之中的， 所不同的是各语言的结构，可以由指定的s c h e i l l a 【2 4 ，2 5 1 来定义其结构。此外，树 型结构的x m l 便于用户的理解，这也为中间语言的修改提供了方便，因此选取 l 语言替代无格式文本对提高系统效率非常有用。 2 2 动画自动生成系统的层次及组成 1 0 限的自然语言，经过按一定规则的分词、语法分析、语义分析等处理后，可以讲 故事转化