（计算机科学与技术专业论文）古建动画自动生成中的虚拟人动态变形.pdf

ju：j 声明 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：童：】虢日期：呈2 1 垒：笸：二 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：主9 亘a 露舀 导师签名： 最终生成三维动画。全过程计算机辅助动画自动生成技术是一门跨领域的学科， 它涉及了人工智能技术、计算机图形学和电影艺术。全过程计算机辅助动画自 动生成技术从被提出到现在的数年间取得了长足的进步。 人物形象设计是动画自动生成技术中的一个重要问题，使用者输入完备或 者缺省的人物属性信息，输入内容可以包括定量信息与定性信息或者是两者的 混合，经过定性层和定量层的依次处理，最终生成符合使用者描述的人物模型。 利用生成的人物模型充实人物模型库，为动画自动生成系统提供了各式各样人 物模型素材。 本文研究的内容为虚拟人物动态变形问题，该问题是人物形象设计问题的 子问题。它包括两个方面：1 外形规划问题，根据使用者输入的人物描述，生 成符合用户描述的人物模型；2 蒙皮变形规划问题，按照人物模型与骨架的相 互关系对模型进行处理，使生成的人物模型在加入动作后能够进行具有真实感 的形变。 外形规划问题在总体架构上需要规范描述语言的支持，在功能实现方面需 要知识库的辅助。规范描述语言是系统对使用者输入的内容分析求精后得到的， 它规定了系统内部模块的数据输出格式以及模块间进行通信和数据传输的标 准。外形规划的目标是生成符合生理学及健康学标准的人物模型，这离不开相 关领域知识的支撑，系统采用j e s s ( j a v ae x p e r ts y s t e ms h e l l ，j a v a 专家系统 外壳) 实现知识库系统。通过知识库的辅助，系统仅利用少量“原始”人物模 型即可生成各式各样的人物模型。 s m o o t hs k i n n i n g ( 平滑蒙皮) 是现今动画制作中对角色进行变形操作的一 种主流的方法，但是在实际使用中，s m o o t hs k i n n i n g 会受到c o l l a p s i n ge l b o w e f f e c t 问题和c a n d y - w r a p p e re f f e c t 问题的干扰。在蒙皮变形规划中，本文借鉴了 x i a o s o n gy a n g 的文章( ( s t r e t c hi t r e a l i s t i cs m o o t hs k i n n i n g ) ) ，通过对s m o o t h 北京工业大学t 学硕士学位论文 s k i n n i n g 方法的改进。解决上述两个问题，使三维人物模型的形变更具真实感， 增强了动画的表现力。 关键词动画自动生成；人物形象设计；人物动态变形；人物模型生成；蒙皮 变形规划 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h e c o n t i n u o u s l yd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r t e c h n o l o g y , c o m p u t e r a n i m a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n g , s c i e n t i f i cr e s e a r c h , e n t e r t a i n m e n ta n do t h e rf i e l d s a c a d e m i c i a nl ur u q i a nf r o mc h i n e s ea c a d e m yo f s c i e n c e sf i r s tc l a i m e dt h ef u l l 一l i f e c y c l ec o m p u t e ra i d e da n i m a t i o ng e n e r a t i o n t e c h n o l o g yi n9 0 so fl a s tc e n t u r y , w h i c hi n j c o t sa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y a n dk n o w l e d g e b a s e dm e t h o d si n t ot h ef u l l l i f tc y c l eo fa n i m a t i o ng e n e r a t i o n t h e t e c h n o l o g yr e c e i v e sap r o p e rs t o r yw r i t t e nb yl i m i t e dn a t u r a ll a n g u a g e w i t ht h ea i d o f p l o tl i b r a r y ，s c e n el i b r a r y , c h a r a c t e rl i b r a r ya n da c t i o nl i b r a r y , t h ew h o l ep r o c e s s o fa n i m a t i o nc o u l db ea i d e db yc o m p u t e ra u t o m a t i c a l l y ，a n df i n a l l yg e n e r a t e st h e3 d a n i m a t i o na so u t p u t s t h ef u l l 一l i f ec y c l ec o m p u t e ra i d e da n i m a t i o ng e n e r a t i o n t e c h n o l o g yi s at r a n s d i s c i p l i n a r ys u b j e c t ，w h i c hi n v o l v e sa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ， c o m p u t e rg r a p h i c sa n df i l m s i n c et h ef u l l l i f ec y c l ec o m p u t e ra i d e da n i m a t i o n g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yw a s b r o u g h tf o r w a r d ，t h et e c h n o l o g yh a sm a d e c o n s i d e r a b l e p r o g r e s sd u r i n gt h e s ey e a r s c h a r a c t e rd e s i g n i n gi so n eo ft h ek e yi s s u e so ft h et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i c a l l y a n i m a t i o ng e n e r a t i o nt e c h n o l o g y u s e r se n t e rt h ec o m p l e t eo rd e f a u l td e s c r i p t i o n i n f o r m a t i o na b o u tt h ec h a r a c t e r , t h e d e s c r i p t i o n i n f o r m a t i o n m a yi n c l u d e q u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v ei n f o r m a t i o no ram i x t u r eo fb o t h a f t e rp r o c e s s e db y q u a l i t a t i v el a y e ra n dq u a n t i t a t i v e l a y e rs e q u e n t i a l l y , f i n a l l ym o d e l so fc h a r a c t e r s ， w h i c hc o u l db eu s e db yf u l l 一l i f e c y c l ec o m p u t e ra i d e da n i m a t i o ng e n e r a t i o n s y s t e m ，a r eg e n e r a t e d w i mt h o s em o d e l se n r i c h i n gt h el i b r a r yo fc h a r a c t e r s ，v a r i o u s k i n d so fc h a r a c t e rm o d e l sa r eo f f e r e df o rt h es y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed y n a m i cd e f o r m a t i o no ft h ev i r t u a lc h a r a c t e r s w h i c hi so n es u b p r o b l e mo fc h a r a c t e rd e s i g n i ti n c l u d e st w oi m p o r t a n tp a r t s ：1 s h a p ep l a n n i n gp r o b l e m ，a c c o r d i n gt o t h ed e s c r i p t i o nb a s e do nu s e r i n p u t ，t h e s y s t e mw i l lg e n e r a t ec h a r a c t e rm o d e l sc o n f o r mt ot h eu s e r sd e s c r i p t i o n ；2 s k i n d e f o r m a t i o np l a n n i n g ，t h es y s t e mc a nf i g u r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o d e la n di t s s k e l e t o n ，a n dd os o m ep r o c e s s i n gt oe n a b l et h ec h a r a c t e rm o d e lc a r r yo u tr e a l i s t i c d e f o r m a t i o na f t e rj o i n i n gm o v e m e n t s t h es h a p ep l a n n i n gn e e d st h es u p p o r to fs p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g ei n g e n e r a lf r a m e w o r ka n dt h ea i do fk n o w l e d g e b a s ei nf u n c t i o n a li m p l e m e n t a t i o n t h e i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 s p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，w h i c hi so b t a i n e da f t e rt h es y s t e ma n a l y z e sa n d r e f i n e st h eb s e ri n p u t ，p r o v i d e st h ed e f m i t i o no ft h eo u t p u tf o r m a t so fd a t ab e t w e e n m o d u l e so ft h es y s t e m ，a n di ta l s oc l a i m st h es t a n d a r d sf o ri n t e r - m o d u l e c o m m u n i c a t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o n 1 1 1 eg o a lo ft h es h a p ep l a n n i n gi st og e n e r a t e c h a r a c t e rm o d u l e st h a tc o n f o r mt op h y s i o l o g ya n dh e a l t hk n o w l e d g e ，i tn e e d st h e s u p p o r to ft h er e l e v a n td o m a i nk n o w l e d g e 1 1 1 es y s t e mu s e sj e s s ( j a v ae x p e r t s y s t e ms h e l l ) t ob u i l dk n o w l e d g eb a s e w i mt h ea s s i s t a n c eo fk n o w l e d g eb a s e ，t h e s y s t e mm a yg e n e r a t ev a r i o u sk i n d so fc h a r a c t e rm o d e l sb yu s i n go n l yas m a l l a m o u n to fc h a r a c t e rm o d e l sa sp r o t o t y p e s s m o o t hs k i n n i n gi st h em o s tp o p u l a rm e t h o df o rt h ed e f o r m a t i o no fc h a r a c t e r s i nn o w a d a y sa n i m a t i o ni n d u s t r y h o w e v e r , i ts u f f e r sf r o md e f e c t ss u c ha sc o l l a p s i n g e l b o we f f e c ta n dc a n d y - w r a p p e re f f e c t i ns k i nd e f o r m a t i o np l a n n i n g ，t h i sp a p e r d r a w so nx i a o s o n gy a n g s p a p e r - ”s t r e t c h i t - r e a l i s t i cs m o o t hs k i n n i n g ”b y i m p r o v i n gs m o o t hs k i n n i n g ，t h e s et w od e f e c t sc a nb ee l i m i n a t e d ，s ot h a tt h e d e f o r m a t i o no ft h e3 dc h a r a c t e rm o d e lw o u l db em o r er e a l i s t i c ，a n dt h ee x p r e s s i o n o fa n i m a t i o nw o u l db ee n h a n c e d k e y w o r d s ：a u t o m a t i c a n i m m i o ng e n e r a t i o n ；c h a r a c t e rd e s i g n ；d y n a m i c d e f o r m a t i o no fc h a r a c t e r ；c h a r a c t e rm o d e lg e n e r a t i o n ；s k i n d e f o r m a t i o np l a n n i n g 目录 目录 摘要i a 】b s t 】5 t a ：t i l l 第1 章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 1 1 从传统动画到计算机动画1 1 1 2 基于人工智能技术的计算机动画研究现状2 1 1 3 动画自动生成技术的研究背景与研究意义3 1 2 研究内容4 1 3 研究内容中的主要问题及其研究现状4 1 3 1 外形规划4 1 3 2 蒙皮变形规划5 1 4 文章结构7 第2 章全过程计算机辅助动画自动生成技术9 2 1 概述9 2 2 操作流程9 2 3 动画语言1 1 2 4 系统层次结构1 2 2 5 定性规划与定量规划1 3 2 5 1 定性规划1 3 2 5 2 定量规划1 4 2 6 本章小结1 6 第3 章虚拟人动态变形。1 7 3 1 虚拟人动态变形的研究目标及应用前景1 7 3 2 虚拟人动态变形中的关键问题17 3 3 总体流程描述18 v 北京t 业大学 二学硕十学位论文 3 4 功能模块划分1 9 3 5 本章小结2 0 第4 章规范描述语言与知识库设计。2 l 4 1 规范描述语言2 1 4 2x m l 语言2 1 4 2 1x m l 语言简介2 1 4 2 2x m l 模式2 3 4 2 3x m l 语言的解析2 4 4 2 4x m l 映射2 5 4 3 规范描述语言的设计与实现2 8 4 3 1 定性规范语言描述设计2 8 4 3 2 定量规范语言描述设计2 9 4 4 知识库概述3l 4 ! ；j e s s ：；1 4 5 1 什么是j e s s 3 1 4 5 2j e s s 的推理功能31 4 5 3j e s s 的性能一3 2 4 5 4r e t e 算法3 2 4 5 5j e s s 基本语句3 4 4 6 本章小结3 6 第5 章外形规划3 7 5 1 概j 苤3 7 5 2 人体测量参数：3 7 5 2 1 人体测量参数的选取3 7 5 2 2 人体测量参数的划分3 8 5 3 “词典 一3 9 5 4 外形规划中的规范描述语言4 1 5 4 1 定性层定义4 1 5 4 2 定量层设计4 4 5 5 功能实现4 9 5 5 1 长度类人体测量参数的修改4 9 v t 目录 5 5 2 围度类人体测量参数的修改5 1 5 6 本章小结5 3 第6 章蒙皮变形规划5 5 6 1 概j 苤5 5 6 2 从s m o o t hs k i n n i n g 到s t r e t c hs m o o t hs i c i n n 玳6 5 5 6 3c o l l a p s i n ge l b o we f f e c t 问题的解决5 6 6 3 1 原理一5 6 6 3 2 详细设计5 6 6 4c a n d y - w r a p p e re f f e c t 问题的解决5 7 6 4 1 原理5 7 6 4 2 详细设计5 7 6 5 功能实现5 8 6 6 本章小结5 9 结论6 1 参考文献6 3 附录6 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文。7 5 驾【 射。7 7 v n 北京t 业大学t 学硕士学位论文 v i i i 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 1 1 1 从传统动画到计算机动画 1 9 0 0 年美国导演斯图亚特勃拉克顿( s t u a r tb l a c k t o n ) 制作了历史上第一 部动画片迷人的图画，开拓了动画这个视觉艺术的新领域。1 9 0 8 年被誉为 法国动画之父的爱米尔科尔( e m i l ec o h l ) 制作的动画片幻灯戏，并于1 9 0 8 年8 月1 7 日在巴黎首映，这是历史上第一部带有故事性的动画片，该动画片的 出现也为其后动画片的艺术表现形式指引了前进的方向。1 9 2 8 年沃尔特迪士 尼( w a l td i s n e y ) 电影制片厂开始制作大众喜欢的卡通片，我们现在家喻户晓 的米老鼠( m i c k e ym o u s e ) 、唐老鸭( d o n a l dd u c k ) 、白雪公主( s n o ww h i t e ) 都是这一时期的卡通形象。【1 1 动画从其诞生至今已经走过了1 0 0 多年的历史，并在这1 0 0 年间凭借其新 颖的表现形式、丰富的表现力、简单易懂的故事情节，满足了各年龄段的观众 的观赏需求。但是传统的动画的制作工艺相当繁复，而且劳动强度大，也正因 如此，传统动画的制作周期普遍较长。从传统动画效果产生的原理及早期动画 片的制作流程上看，我们不难发现，即使在动画中相邻两帧之间的差别很小， 每帧的画面也必须通过人力手工绘得，也正是因为这些简单重复但又贯穿始终 的劳动使得动画片的制作工序非常复杂，效率低且耗时长。按电影每秒2 4 帧画 面的格式，时长1 分钟的动画片需要绘制1 4 4 0 张图画。美国迪士尼公司在1 9 3 7 年创作了的时长8 3 分钟的大型动画片白雪公主和七个小矮人，总计绘制了 2 亿余张草图，这样的工作量是常人难以想象的。 随着计算机的出现以及图形学技术的发展，计算机动画【2 】应运而生。借助 于当前成熟的动画制作软件及运动捕捉、群体动画、行为动画、基于物理的动 画等先进的动画技术，计算机动画在后期生成动画上大大提高了动画的制作效 率【3 】。计算机动画是指通过使用绘制程序生成一系列景物画面，其中当前帧画面 是对前一帧的部分修改【4 】。同其他许多交叉学科一样，计算机动画跨越了计算 机与艺术两大学科，其出现与发展过程都凝结了众多艺术家与工程师的大量心 血。根据不同的制作原理，计算机动画通常分为两类：计算机辅助动画( c o m p u t e r a s s i s t e da n 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 ) 【5 1 。前者属于二 北京工业大学t 学硕士学位论文 维动画，主要用计算机辅助传统的卡通动画片制作；后者属于三维动画。 计算机动画技术在近十几年得到了突飞猛进的发展，已被成功而又广泛地 应用于可视化科学计算、特种技术培训、教育、军事、模拟、虚拟现实等领域。 般说来，计算机动画技术分为关键帧动画、变形物体的动画、过程动画、关 节动画【6 ，7 】和人体动耐8 】及基于物理的动画等。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、动画中的图像渲染、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。 基于人工智能的计算机辅助动画研究如何将人工智能技术应用于计算机动画， 从而提高动画制作的自动化程度和智能性，其在动画片、广告、游戏、电影等 众多领域将具有非常广泛的应用前景。 1 1 2 基于人工智能技术的计算机动画研究现状 作为二十一世纪三大尖端技术( 基因工程、纳米科学、人工智能) 之一， 人工智能在近三十年的时间内获得了飞速的发展，在很多学科领域都获得了广 泛应用，并取得了丰硕的成果。这就使得在日益兴起的计算机动画领域中，人 们自然不会忘记人工智能这项能够带来革命性变化的技术。而正是由于人工智 能技术的融入，计算机动画的研究有了长足的进步，可体现在以下几个方面： ( 1 ) 自然语言到计算机动画的生成 研究主要是以自然语言指令和其他任务规范说明为驱动，由计算机解释并 产生虚拟角色a g e n t 动画。其具体步骤包括：自然语言故事的理解、动画角色 a g e n t 的生成、动画环境的构建、角色a g e n t 动作的模拟。基于该技术的语言、 动画和虚拟现实的系统有很多。微软研制开发的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，采用拟人化的对话机制，角 色说话时还有动作相配合；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；美国宾州 大学研究的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 ) 【9 ，l o 】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。 ( 2 ) 交互式故事系统 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， 2 第1 章绪论 而后者的行为时间相关性太差，难于成为故事。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。 ( 3 ) 知识驱动的计算机动画生成 此技术较自然语言驱动来说有着强大的知识作支撑。其特点在于可根据知 识库和实际生成的动画不断调整改进并丰富知识，以达到最佳的动画效果。有 研究已应用此技术在人体跑步的动画制作# t n , 1 2 , 1 s 】。在该研究中，知识被分为 若干类：跑步动作参数之间关系的实验知识，人体运动轨迹计算的物理知识， 及跑步时肢体协调性的知识等。实验表明，在这种基于知识控制机制的支持下， 用户可以交互式地调整参数以得到满意的人体跑步动画效果。 1 1 3 动画自动生成技术的研究背景与研究意义 计算机动画的相关技术日趋成熟的同时也推动了动画软件的发展，近年来 国际上也涌现出许多优秀的动画制作软件，影响较大的有美国的3 d m a x 、m a y a 、 l i g h t w a v e ，法国的t d i e x p l o r e ，加拿大的a l i a s lw a v e f r o n t 、s o f t ：i m a g e 、s u m a t r a 。 随着这些优秀的动画制作软件迅速被应用于动画领域新的研究成果，如粒子系 统、变形技术、动力学模型、关节运动等，使得动画软件的功能日趋强大且各 具特色，并不断推陈出新，不断完善。伴随着o p e n g l 图形标准的普及和计算 机硬件性价比的提高，商用动画软件公司纷纷推出微机版本，进一步推动了计 算机动画的应用和发展。 尽管计算机辅助动画的出现简化了动画的制作过程，但是，完成一部动画 片仍然是一项复杂、繁琐的工作。目前，计算机辅助动画只能在某些步骤上部 分简化制作人员的工作，并不能从本质上简化动画片的制作工序。 为了进一步提高动画片的制作效率，中国科学院数学与系统科学研究院的 陆汝钤院士首次提出了全过程计算机辅助动画片自动生成，简称动画自动生成 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 n i m a t i o n ) 【1 4 】。它是人工智能理论与 现代多媒体技术相结合的全新动画制作过程。基于这个思想，陆院士研制动画 自动生成原型系统天鹅。随着天鹅系统的不断改进，新的想法的不断提 出，作为北京工业大学的双聘院士，陆汝钤院士筹建了北京工业大学计算机辅 助动画实验室，在原有工作基础上，研制了全过程计算机辅助动画自动生成系 统。这个新系统接收以受限自然语言描述的故事脚本作为输入，通过自然语言 处理，将受限自然语言转化为容易被计算机理解的格框架形式的语言【1 5 , 1 6 】；然 北京工业大学工学硕士学位论文 后对各框架形式的故事描述进行故事内容理解【1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 1 ；将理解出的结果保存 在知识库中；随后，各个模块在知识库的协助下进行从定性分析到定量计算的 处理，最终将定量数据转化为动画文件作为系统的输出。 1 2 研究内容 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，是动画中需要着重表现的一个重要方面。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。 具体的来说，人物形象设计包括以下几方面的问题：外形规划、蒙皮变形 规划、毛发规划、服装规划以及附属物品规划等。在本文中涉及到是其中的外 形规划和动态变形规划。 1 3 研究内容中的主要问题及其研究现状 1 3 1 外形规划 ( 1 ) 主要问题 “世界上没有两片完全相同的树叶”，人也是如此，现实生活中的人物形象 是各式各样的，有男有女，高矮胖瘦也不尽相同，因此在人物形象设计中的人 物外形规划过程中，需要设定多个属性用以确定一个人物模型的所有特质，如 年龄、身高、体重、体型等。对一个人外形的表示是基于多属性共同作用，多 维数据共同约束的，其中的关联需要从健康学、营养学以及解剖学等相关领域 知识中进行总结和积累。 ( 2 ) 研究现状 外形规划问题，目前国内外的研究被广泛用于三维虚拟试衣技术。美国 m yv m u a lm o d e l 公司开发了名为m y v m u a lm o d e l 的虚拟试衣系统，使用者通 过输入自己的身高、体重、肤色以及头发的颜色等数据，该系统能够按使用者 4 第1 章绪论 的输入的体态特征自动地生成出虚拟的“三维模特”。并展现在显示屏上，使用 者可以使用该“三维模特”试穿自己希望试穿的衣物，察看试穿的效果。 德国的弗劳恩霍夫学会的研究人员联合其他科研组织共同开发了一款名为 “网上试衣间的虚拟试衣系统，该系统不仅可以帮助顾客试穿新衣是否合体， 更可以观看在不同场合、不同灯光下服装的效果，帮助顾客挑选到满意的衣服， 顾客在进行虚拟试衣之前，需要先通过手持式的三维扫描仪对自身形体进行扫 描，获得的人体测量数据会被传至“网上试衣间 系统中，生成顾客的虚拟三 维映像，这样顾客就可以根据销售商提供的服装目录选取心仪的衣物进行试穿， 并可以通过对三维映像进行简单操作，摆出举手弯腰等动作，通过电脑屏幕察 看衣服是否合身。顾客可以调控光线等参数进一步观看服装的整体效果，该试 衣系统已经开始在网上试验运行，该系统的不足之处在于采用的图像信息输入 设备是手持式的三维扫描仪，采集数据的速度较慢，且为非实时系统，设备本 身的成本也较高。 日本东芝公司历时十余年开发的d r e s s i n gs i m 系统已可在网站建立参数化 的3 d 人体模型，较真实地展示服穿着时的效果。加拿大的p a ds y s t e m 能从平 纸样显示三维样品，快速简易的实现了二维模型和三维模型的互相转换。 瑞士的m a r i l a b 实验室是专门从事3 d 服装效果仿真与动画的研究小组，它 的研究范围从人脸识别、3 d 动态人体模型到动态3 d 着装效果仿真甚至于虚拟 环境中的人体着装动画。 1 3 2 蒙皮变形规划 ( 1 ) 主要问题 随着动画技术的发展蒙皮变形问题已经成为广受关注的研究课题。在蒙皮 变形规划中主要针图1 1 中的两个问题。 图1 - 1 c o l l a p s i n g e l b o w e f f e c t ( 左) 和c a n d y - w r a p p e r e f f e c t ( 右) f i g u r e1 1 c o l l a p s i n ge l b o we f f e c t ( 1 e f t ) a n dc a n d y - w r a p p e re f f e c t ( f i g h t ) 5 北京 _ 业大学工学硕士学位论文 c o l l a p s i n ge l b o we f f e c t ( 图1 1 ，左) 出现的原因是3 d 软件在蒙皮操作中 对模型网格顶点权重值计算方法存在问题，一般3 d 软件会把设定权重值的工 作交予动作制作人员，让他们进行操作，这是一个繁琐的工作，需要大量的动 画模型制作经验和感官上的敏感。 首先介绍一下什么叫做模型网格顶点的权重值，蒙皮的形状是被与其相关 联的骨骼中的关节所影响的，蒙皮随骨骼运动而变化，没一个关节点对蒙皮上 u v 曲面网格上的所有顶点皆具有一个影响因子，这个影响因子的就是所谓权重 值，这个权重值的取值在o 1 之间，在蒙皮上的每一个节点对应所有的关节点 的权重值总和为1 。 c a n d y - w r a p p e re f f e c t ( 图1 1 ，右) 是蒙皮操作中产生的一个问题，在关 节进行扭转的时候，模型在关节部位会出现向内塌陷的现象，就如同被拧紧的 糖纸一般，该问题也因此而得名，其主要原因是关节扭转的角度的计算是与形 变相关联的，是在模型进行骨骼蒙皮操作的过程中因为软件实现而产生的。 ( 2 ) 研究现状 目前在处理蒙皮变形问题方面有两种占主导地位的技术，一种是基于解剖 学的方法，另一种是子空间变形方法( s u b s p a c ed e f o r m a t i o n ) 【2 1 1 ，也称s s d 方法。 在基于解剖学的方法中，通常要考虑很多解剖学元素的物理属性( p h y s i c a l p r o p e r t i e s ) f 2 3 】，例如肌肉以及其它一些皮下组织，骨骼运动时，蒙皮会依照肌 肉和皮下组织的变形而产生具有真实感的变形【2 2 】。在这方面w i m e l m s 【2 4 ，s h e e p e r s 2 5 1 和n e d e l 2 6 】等人已经做了大量的研究工作。基于解剖学的方法 能够产生非常好的真实感，然而由于其使用过于复杂而且不够直观，因此在动 画产业中往往不采用第一种方法，而使用第二种方法【2 2 】。 第二种方法有很多不同的称呼，除了上述两个，有些文献中称之为s k e l e t o n d r i v e nm e t h o d ( 骨骼驱动法) ，l e w i s 【2 7 的文章中称之为s k e l e t o ns u b s p a c e d e f o r m a t i o n ( 骨骼子空间变形法) ，而在一些软件包，例如m a y a 中，该方法 则被成为s m o o t hs k i n n i n g ( 平滑蒙皮算法，平滑蒙皮算法通过使几个关节影响 相同的可影响物体点而提供平滑的、有关节连接的变形效果) 。该方法并不涉及 解剖学领域知识知识。c a t m u l l 2 8 】最早提出s k e l e t o nd r i v e n ( 骨骼驱动) 这项技 术。随后等人 2 9 】提出了另一种骨骼驱动动画技术，在该方案中模型皮肤的变形 基于特定关节的运动。随后的研究把目标放在提高真实感和减少繁重的手动干 涉。其中的一个研究方向被称为基于实例的蒙皮技术，该技术使用大量的手工 建模和实测模型的实例。w a n g 和p h i l l i p s 3 0 提出了l e a s ts q u a r e sm u l t i w e i g h t 技 术，用以计算模型的变形矩阵中的元素的权重值。a l l e n 等人【3 l 】也提供了基于 实例的蒙皮技术的新方案。基于实例的蒙皮技术相较于解剖学方法具有计算速 6 第1 章绪论 度快和对特殊动作的可控性更佳等优点，但该技术依赖于对大量已有模型的分 析，这是一个需要耗费大量精力和时间的过程。 在目前的骨骼蒙皮过程中，骨骼和蒙皮的过程是严格的线性关系。然而在 一些骨骼蒙皮中存在的问题( 如c o l l a p s i n ge l b o we f i e c t ( 图1 1 ，左) 和 c a n d y w r a p p e re f f e c t ( 图1 1 ，右) ) 的研究指出线性关系在精确描述蒙皮变形 方面具有局限性，因为上述的问题具有非线性特质。k a v a n 3 2 】通过对非线性问 题的探索，提出了s p h e r i c a lb l e n d