（计算机科学与技术专业论文）古建动画自动生成中虚拟人关节动作规划.pdf

- 厂 卜 1 独创性声明 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：囊睥日期：塑业 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：星刍咩 导师签名 日期： 一 一 l i f - i 摘要 摘要 中科院陆汝钤院士于9 0 年代提出的全过程计算机辅助自动生成动画技术将 人工智能技术和基于知识的方法引入动画生成的全过程，其目标是有一个适当的 故事，以受限自然语言的形式输入计算机，基于情节库、场景库、动作库等知识 库，将动画制作的全过程依靠计算机自动完成，最终生成3 d 动画。应用这一技 术相继研发了第一版天鹅系统和基于先进的三维动画制作软、硬件的第二版 动画自动生成系统。 古建筑动画计算机辅助生成技术是动画自动生成技术在中国古建筑领域内 的一个具体应用。本课题组将已有的动画自动生成技术和中国古代建筑的专业知 识相结合，设计并实现了古典建筑建造过程的自动生成系统，生成古典建筑涵盖 了硬山、歇山、庑殿三大类。 虚拟人关节动作规划是古建动画自动生成系统中运动规划模块的一个子问 题，本文在研究m a y a 的新功能f b i k 系统的基础上，综合应用i k 方法和f k 方法， 通过对虚拟人关节动作的分析，对于不同种类的虚拟人关节动作采用不同的计算 方式，实现了多个复杂虚拟人关节动作。本文所述的虚拟人关节动作规划是古建 动画自动生成系统中第一次成功实现虚拟人关节动作规划，之前的动画自动生成 版本，由于当时技术水平的限制，未成功实现虚拟人关节动作规划。另外本文成 功自动实现了与物体相关类虚拟人关节动作规划，在原有系统中，该类动作是通 过手动制作实现的。 一般位置计算主要是指角色的位置计算，该模块是虚拟人关节动作规划模块 的前置模块，研究一个关节动作，首先需要知道角色是在三维场景中的什么位置 做这个动作，这个问题就是由一般位置计算模块来实现的。在原有系统的基础上， 本文引入包围盒概念，改进了定性程度描述词量化方法，扩大了目标位置的选择 范围，同时结合角色当前位置和动作描述确定目标位置，使计算结果更符合现实 世界的要求。 另外本文还研究了古建筑构件位置计算问题。本文在学习总结古建筑建造规 则的基础上，提出了计算机自动计算古建筑构件位置、旋转信息和部分构件尺寸 的方法。 关键词动画自动生成；关节动作规划；i k ；f k ；位置计算 北京工业大学工学硕十学位论文 i i 一1 、l f 。 l l i a n dg e n e r a t e sa3 da n i m a t i o nc a r t o o na so u t p u t t h ew h o l ep r o c e s si sh a n d l e db y c o m p u t e rw i t ht h es u p p o r to fk n o w l e d g eb a s e s a p p l y i n gt h i st e c h n o l o g y , s w a n s y s t e ma n da u t o m a t i ca n i m a t i o ng e n e r a t i o ns y s t e mb a s e do ns o m ep o w e r f u l3 d s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r es u c c e s s i v e l yd e v e l o p e d a n c i e n ta r c h i t e c t u r ec o m p u t e r - a i d e dg e n e r a t i o no fa n i m a t i o nt e c h n o l o g yi sa s p e c i f i ca p p l i c a t i o no fa u t o m a t i cg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo fa n i m a t i o ni nt h ef i e l do f a n c i e n tc h i n e s ea r c h i t e c t u r e o u rg r o u pc o m b i n e dt h ea i d e da n i m a t i o n g e n e r a t i o n t e c h n o l o g yw i t ht h ek n o w l e d g eo fc h i n e s ea n c i e n ta r c h i t e c t u r ea n dd e s i g nt h en e w s y s t e mw h i c hc a l lg e n e r a t e dt h eb u i l d i n gp r o c e s s i n go fa n c i e n ta r c h i t e c t u r e o u r s y s t e mc a np r o d u c et h r e ed i f f e r e n tt y p e so fa n c i e n tc h i n e s ea r c h i t e c t u r e t h e ya r e w u d i a n ，y i n g s h a n , x i e s h a n v i r t u a lh u m a nj o i n tm o t i o np l a ni saq u e s t i o ni na u t o m a t i ca n i m a t i o ng e n e r a t i o n o fc h i n e s et r a d i t i o n a la r c h i t e c t u r e o nb a s i so fm a y a sf b i ks y s t e m ，t h ep a p e ru s e b o t hf ka n di k , d e s i g ns e v e r a ld i f f e r e n tm e t h o df o rd i f f e r e c tt y p eo f j o i n tm o t i o nb y a n a l y s i n gd i f f e r e n tt y p e sj o i n tm o t i o n t h es y s t e mc a r lc a l c u l a t es e v e r a lc o m p l e x e d j o i n tm o t i o n i ti st h ef i r s tt i m et h a tw ea c c o m p l i s hv i r t u a lh u m a nj o i n tm o t i o np l a ni n o u ra u t o m a t i ca n i m a t i o ng e r e r a t i o no fc h i e s et r a d i t i o n a la r c h i t e c t u r e t h el a s tv e r s i o n o fa u t o m a t i c a n i m a t i o ng e n e r a t i o no fc h i n e s et r a d i t i o n a la r c h i t e c t u r ed o n th a v e v i r t u a lh u m a nj o i n tm o t i o np l a nm o d u l e t h ep a p e rc a nc a l c u l a t et h ej o i n tm o t i o n w h i c hn e e dj o i n tm o v ew i t ho b j e c t sa u t o m a t i c l y i nt h el a s tv e r s i o n , t h i sk i n do f m o t i o ni sm a d eb ym a n u a lw o r k n o r m a l p o s t i o n c a l c u l a t i o nm e a n st h ec a l c u l a t i o no ft h er o o to ft h e c h a r a c t e r t h i sm o d u l ei st h ep r i o rm o d u l eo fv i r t u a lh u m a nj o i n tm o t i o np l a nm o d u l e f i r s t l y , w en e e dt ok n o ww h e r et h ec h a r a c t e r sd ot h em o t i o ni nt h e3 ds c e n et o c a l c u l a t ea j o i n tm o t i o n t h i si sr e s o l v e db yt h i sm o d u l e o n et h eb a s i so fl a s tv e r s i o n , t h ep a p e ru s et h ec o n c e p t i o no fb o u n d i n gb o x ，a n di m p r o v et h em e t h o do fc h a n g i n g q u a l i t a t i v ed e g r e ed e s c r i p t i o nt oq u a n t i t a t i v ed e g r e ed e s c r i p t i o n t h ep a p e ra l s o e x p a n d st h er a n g eo ft a r g e tp o s i t i o n t h ep a p e ra l s ot h i n k sa b o u tn o wp o s i t i o no f c h a r a c t e ra n dt h ed e s c r i p t i o no fm o t i o nt oc a l c u l a t et h et a r g e tp o s i t i o n a l lo f i m p r o v e m e n tm a k e st h ec a l c u l a t i o nr e s u l tb e t t e r i i i 北京t 业大学t 学硕士学位论文 i n a d d i t i o n ，t h ep a p e rd o e ss o m er e s e a r c ha b o u tp o s i t i o nc a l c u l a t i o nf o r c o m p o n e n t si nc h i n e s et r a d i t i o n a la r c h i t e c t u r e o nb a s eo fs t u d y i n gt h et r a d i t i o n a l a r c h i t e c t u r e sr u l e s ，t h ep a p e rp r o p o s e sam e t h o dw h i c hc a l lb eu s e dt oc a l c u l a t et h e c o m p o n e n t s p o s i t i o n , r o t a t i o ni n f o r m a t i o na n dt h es i z eo fs o m ec o m p o n e n t s k e y w o r d sa u t o m a t i ca n i m a t i o ng e n e r a t i o n ；j o i n ta c t i o np l a n ；i k ；f k ； p o s i t i o ne a l c u l a t i o n i v _ 、 一 i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i t 第1 章绪论1 1 1 研究背景及研究意义1 1 1 1 计算机动画的发展1 1 1 2 课题背景2 1 2 关节动作规划的研究现状3 1 3 本课题的主要研究内容5 1 4 本文结构5 第2 章运动规划的研究7 2 1 古建动画自动生成系统7 2 1 1 系统概述7 2 1 2 系统动画语言7 2 1 3 系统构成9 2 2 运动规划模块1 0 2 2 1 定量动作计算1 1 2 2 2 定量描述语言c a l 设计1 3 2 2 3 定量描述语言c a l 的特点1 4 。 2 3 本章小结：。1 5 第3 章虚拟人关节动作规划1 7 3 1 虚拟人关节动作规划方法介绍1 7 3 1 1 正向运动学1 7 3 1 2 反向运动学1 8 3 1 3m a y a 的f b i k 系统1 9 3 2 关节动作分类：2 1 3 3 虚拟人关节动作计算2 3 v 北京1 二业大学工学硕士学位论文 3 3 1 位移类关节动作计算2 6 3 3 2 抓握类关节动作计算3 3 3 3 3 与物体相关类关节动作计算3 4 3 3 4 旋转类关节动作计算3 5 3 3 5 多角色关节动作计算3 6 f 3 4 本章小结3 7 第4 章一般位置计算3 9 4 1 已有解决方案3 9 4 i 1 概述3 9 4 i 2 已有解决方案的缺点4 0 4 2 新的解决方案，4 1 4 2 i 基本设计4 1 4 2 2 新方案的优点4 7 4 3 本章小结4 7 第5 章古建构件位置计算4 9 5 1 研究范围4 9 5 2 整体思想4 9 5 3 构件名称5 l 5 4 位置计算规则设计5 1 5 4 1 关键点位置计算一5 1 5 4 2 构件面宽进深平面位置计算5 5 5 4 3 构件垂直方向位置计算5 5 、 5 4 4 有旋转角度的构件位置计算5 7 5 4 5 椽子的复制6 1 5 5 本章小结6 4 第6 章系统实现及实现结果6 5 6 1 古建构件位置计算模块6 5 6 1 ij e s s 语言6 5 6 1 2 模块划分6 6 v i 目录 6 1 3 运行结果6 6 6 1 4 相关数据统计6 7 6 2 关节动作计算模块6 8 6 2 1m e l 语言解释器6 8 6 2 3 运行结果、7 0 6 3 本章小结7 5 结论7 7 参考文献7 9 攻读硕士学位期间所发表的学术论文8 l 致谢8 3 v 北京工业大学工学硕 ：学位论文 j 、 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及研究意义 1 1 1 计算机动画的发展 人们对三维计算机动画技术的探索始于上世界7 0 年代，通过计算机模拟三 维空间的实体，构造几何模型并赋予材质、纹理、颜色等特征，然后对模型赋予 运动、变形、位置、路径，将各种造型置于动画场景之中，并设置灯光、摄像机 的参数，最终生成一系列可动态播放的运动图像。在研究过程中，计算机造型、 真实感图形绘制、动画控制等动画技术得到了长足的进步，使三维动画具有非常 逼真的效果，关键帧动画法、基于物体的动画法等动画制作方法也应运而生。随 着计算机动画的迅速发展，三维计算机动画技术广泛应用于电影电视、广告制作、 科研、教学、建筑装潢、游戏制作等诸多领域。像功夫熊猫、机器人总动员 这样的三维动画影片，以及赤壁等战争片的宏大作战场面，都借助了三维计 算机动画技术给人们带来了异乎寻常的视觉感受。利用计算机辅助制作来提高动 画、电影的生产效率与质量已成为一种趋势。 目前，动画技术的成熟推动了动画软件的发展，国际上涌现了许多优秀的动 画制作软件，其中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 sw a v e f i r - o n t 、s o f t i m a g e 、s u m a t r a 。这些优秀的软件迅速 地应用了动画领域新的研究成果，如粒子系统、群体运动、变形技术、动力学模 型、关节运动等，使得软件具有强大的功能和各自的特色，并且不断推陈出新， 不断完善。随着o p e ng 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。 我国对于计算机动画的研究起步较晚，像大闹天宫这样的经典动画，都 是采用传统动画技巧手工绘制的。在1 9 9 0 年亚运会转播时，中央电视台首次采 用了通过三维计算机动画技术制作的节目片头。此后承担制作任务的中科院软件 所、北方工业大学c a d 中心、上海南方c a d 公司成为中国计算机动画研究的 先行者。1 9 9 2 年我国第一部完全用计算机编程技术实现的科教电影相似正 式放映。此后，科研机构、电视台制作中心、动画游戏制作公司等动画研究单位 日益增多，动画产量也有明显提高。2 0 0 0 年全国动画片产量为1 3 0 0 0 分钟，是 1 9 9 9 年6 5 0 0 分钟的一倍。2 0 0 3 年，我国的动漫产业年总收益超过电影行业。 然而当前国内的动画制作水平还不能满足国内市场的需求，缺少精品之作， 在动画的数量、质量和制作技艺上，都难以抗衡于日、美等国。此外，计算机动 画技术虽然能够在影视、动漫作品的后期制作上有效地提高生产效率和效果，但 并不能从本质上简化动画制作的工序，在动画制作的全过程中，人力资本占有绝 北京t 业大学工学硕士学位论文 对比重，动画师的技术、工作量和效率决定了作品的成败。因此，人们希望通过 计算机的辅助，结合智能的方法进行动画制作，以提高整体的效率。 1 1 2 课题背景 动画自动生成技术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。目前动画应用领域已覆盖动画故事片【旧，动画广告， 计算机游戏和计算机模拟等众多领域【3 】。这项技术最早是由中国科学院陆汝钤院 士提出的，利用计算机的辅助，全过程自动生成三维动画的技术路线，并研制了 一个动画自动生成原型系统天鹅。运用该系统制作的动画片三兄弟曾在 中央电视台播放。天鹅是一个初步的想法，需要在实践过程中逐步细化、深 化和修正，有些局部模块的实现方法不很理想，需要研究重新实现的新方案，另 外还有很多新的想法需要研究和实现。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，利用人工智能技术与动画自动生 成技术【4 5 j ，在原有工作基础上，重新研制了全过程计算机辅助动画自动生成系 统。在新系统中，融入了中文自然语言理解的最新科研成果、使用国际动画电影 业界最为流行的m a y a 动画设计软件作为底层动画软件，在动画制作过程中采用 了m o t i o nc a p t u r e 三维动作捕捉系统【6 ，7 1 、大型三维扫描仪【8 邶】、m o t i o nb u i l d e r 专业三维动画制作软件，这些条件都使得新系统具有了更为强大的智能运算能力 和图形表现力，在此技术路线下，完成了动画三兄弟的最新版本，无论是在 表现力上，还是在智能程度上，都比9 5 年在中央电视台播放的版本有了很大的 提高。 在已有动画自动生成系统的基础上，从2 0 0 7 年起，本课题组以信息技术在 古建筑保护、修复、宣传和教育中应用为立足点，针对我国古建筑保护修复技术 及传统工艺发展过程中急需解决的难点、热点和瓶颈问题，开展古建筑三维快速 建模、古建筑建造和修复场景动画自动辅助生成等内容的研究。 目前在中国古建筑的动画领域，主要都是根据古建筑的三维空间图纸，进行 模型建模，然后借助三维工具的辅助，手工完成模型的动画效果，基本没有涉及 到直接从古建筑形制的类自然语言描述【1 , , , 2 1 n 古建筑搭建动画自动生成这方面 的技术研究【1 3 】，可以做参考目前只有中科院陆老师的全过程动画自动生成技术。 可以说，本课题是全过程计算机辅助动画自动生成技术在特定领域的应用，在细 节上有所简化而在专业深度上有所增加，通过不同建筑形制来研究建筑部件的核 算规律、古建筑的搭建顺序，同时保证系统的通用性、严谨性、高效性三大要求， 来满足特定领域的需要。 该课题将已有的动画自动生成技术和中国古代建筑的专业知识相结合，已经 设计并实现了单个古典建筑建筑过程的自动生成系统，生成古典建筑涵盖了硬山、 歇山、庑殿三大类，在以后的工作中，本课题组还将研究其它更复杂形制的古建 第1 章绪论 筑自动生成，还将整合人物动作自动生成系统与单个古建建筑过程自动生成系统， 实现一个更完整的动画自动生成系统。 1 2 关节动作规划的研究现状 虽然计算机动画在广告、娱乐、教育、科学计算可视化和仿真等领域占据的 角色越来越重要，人体和动物动画的许多问题仍未得到很好的解决。人体具有 2 0 0 个以上的自由度和非常复杂的运动，人的形状不规划，人体关节动画是计算 机动画中非相当富有挑战性的课题之一。 正向或逆向运动学是设置关节动作的有效方法，通过对关节旋转角设置关键 帧，得到相关各个肢体的位置，这种方法一般称为正向运动学方法。d e n a v i t 和 h a r t e n b e r g 最早提出了一种通过相对坐标系来描述各个关节位置的矩阵描述方法， 并被从事关节动画的研究者广泛应用。对于一个具有多年经验的专家级动画师， 能够用正向运动学方法生成非常逼真的运动，但对于普通动画师来说，通过设置 各个关节的关键帧来产生逼真的动作是非常困难的。一种实用的解决方法是通过 实时输入设备记录真人各关节的空间运动数据。由于生成的运动基本上是真人运 动的复制品，因而效果非常逼真，且能生成许多复杂的动作。w i t k i n 通过混合运 动参数曲线来编辑捕获的动画，从而使建立可重用的动作库成为可能【1 4 】。但这 种方法终究缺乏灵活性，逆运动学方法在一定程度上减轻了正运动学方法的繁琐 工作，用户通过指定末端关节的位置，计算机自动计算出各中间关节的位置。 g i r a r d 提出一种用逆运动学方法生成关节运动的方法【1 5 , 1 6 】。在他们的方法中，用 户指定脚的世界坐标系位置，然后用伪逆j a c o b i a n 矩阵求解从脚到臀部关节的旋 转角，该方法是生成逼真关节运动的最好方法之一。b a d l e r 等人的方法允许对关 节多重约束，当所有的约束不能同时满足时则按约束的重要性排序，并采用迭代 法求解逆运动学方程【1 刀。把运动学和动力学相结合允许动画师以适合他的方式 思考问题。i s a a c s 等人提出的动力学运动学系统具有与以前不同的3 个特色【1 8 】。 ( 1 ) 把传统的关键帧系统嵌入到动力学分析中作为运动学约束；( 2 ) 能够定义行为 函数以对周围的环境起反应；( 3 ) 用逆动力学来决定产生特定运动的力。i s a a c s 把 运动学和动力学约束显式表达出来，然后求解这些方程，遗憾的是，这种方法的 计算量极大。 与运动学相比，动力学方法能生成更复杂和逼真的运动，并且需指定的参数 相对较少，但动力学方法的计算量相当大，且很难控制。动力学的一种方法为 g i b b s a p p e l l 矩阵方法，由于它的通用性，该方法有较大的吸引力 1 9 2 0 。与 l a g r a n g i a n 法类似，该方法采用作用于某一自由度的广义力的概念，并且只需考 虑运动的实际自由度。因此，使关节自由度减少的关节约束并不需用单独的方程 列出。遗憾的是，使用该方法产生的矩阵并不稀疏，而且求解加速度的计算量出 北京工业大学工学硕上学位论文 奇的大，因而g i b b s a p p e l l 方法渐渐被人们所抛弃。基于e u l e r 动力学方程， a r m s t r o n g 提出的递归方法避免了矩阵的建立过程【2 1 1 ，该方法的复杂度与自由度 的呈线性关系，速度快而且稳定。 动力学方法中另一重要的问题是运动的控制，若没有有效的控制手段，用户 就必须提供如力和力矩这样的控制指令，而这几乎是不太可能的，因而有必要提 供高层的控制和协调手段。能够满足上述要求的一种方法是预处理方法，该方法 把所需的约束和控制转化成适当的力和力矩，然后包括到动力学方程中【1 9 加】，另 一种方法将约束以方程的形式给出。如果约束方程的个数与未知数的个数相等， 也即系统是全约束的，则可用一般的稀疏矩阵法快速求解，但如果系统是欠约束 的，则情形就比较复杂，因为有无穷多的解。例如，给定手的到达目标，就有使 手到达所要求位置的许多关节构造方法，w i t k i n 提出了一种使某种目标函数极小 的附加约束方法瞄】，并用共轭梯度法求解。在上述例子中，目标函数可选为运 动的总动能。 在基于目标的运动控制方面，较早的有z e l t e r 的工作【2 3 1 ，在他的面向任务的 系统中，能实现诸如行走和跳跃这样的人体动作，但他在计算关节旋转角时，采 用的是对运动学和测试数据插值的方法，因而不能实现如改变速度，改变步长这 样的运动控制。b r u d e r l i n 提出了一个人体走路动画的混合方法，该方法结合了基 于目标的和动力学两种运动控制技术【2 4 1 。他们把运动周期的知识结合到一个层 次的控制过程中，所需要的运动可以很方便地在顶层以一个任务的方式指定，然 后把任务分解成底层的小任务用动力学模型去求解。在b o u l i c 提出的具有实时 运动学个性的人体行走模型中【2 5 1 ，行走模型来源于实验数据，并分为2 级来控 制，第1 级产生运动的整体时空参数，第2 级由参数化的轨迹生成人体关节的空 间位置，他们的运动学方法同样包含了人体行走的动力学特征 指定关节的运动，使它能以符合物理规律真实的方式达到给定的目标( 如投 一个篮球到篮框中) 是动画师的目标之一，w i t l d n 等人所提出的时空约束是生成 角色动画的一种新方法阱】。在时空约束方法中，动画师指定角色必须做什么， 怎样运动，角色的物理结构，角色为完成运动可利用的物理资源，基于这些描述， 加上牛顿定律，构成一个约束的最优化问题，求解该约束问题得到一个符合物理 规律的运动，时空约束得到的是一个非线性约束变分问题，通常该问题没有一个 唯一解，一个解决方法是用三次b 样条基函数的线性组合来减少可能的轨迹数， 并用约束优化来求解b 样条的系数，但这类非线性优化问题的一般解是未知的。 c o h e n 提出采用符号和数值混合技术来进行交互控制【2 6 】。在该系统中，用户能干 涉迭代数值优化过程并能指导优化过程使它收敛到可接受的解，但是随着关节数 和任务复杂度的增加，其计算量仍然很大，“u 等人提出用小波基来表示广义自 由度对时间的函数【2 7 】，该方法的优点在于能自动地只要需要的地方增加运动细 第1 章绪论 量曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! ! 曼曼曼! ! ! ! 曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! ! ! ! ! 曼皇! ! ! 曼! ! 曼! 曼曼曼曼! ! 皇! ! 曼! 曼! ! ! ! 曼苎曼曼曼! ! 曼! ! 曼鼍曼曼曼曼 节，从而使离散变量的数目减少到最小，求解的收敛速度更快。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题的研究内容主要是动作规划模块定量计算部分，包括定量描述语言 c a l 的设计，位置计算和关节动作规划三个主要问分。其中位置计算又分为两 个子模块，一个是古建筑构件的位置计算，另一部分是三维场景中角色位置计算。 运动规划是实现人物及物体动画生成的关键模块，其任务就是处理动画中人 物和物体全部动作信息。该模块的输入为情节a d l ，输出为动作c a l 。情节a d l 是指通过运动的范围、程度、方式来描述动作，为这定性描述。动作c a l 包含 最终生成三维动画所需要的全部动作定量信息，为定量描述。动画的定量描述 c a l 包含了最终生成三维动画需要的所有数据信息，包括场景、模型、骨架、 动作等，其中动作部分将作为运动规划模块的输出格式使用，除了运动的信息外， c a l 还包含了对角色( 场景、模型、骨架的定量描述) ，最主要的是他们的i d 、 名称、尺寸、静态物体的位置、方向等等属性。该模块将动作的定性描述转化为 定量的数值信息，由定性层和定量层两部分组成。 位置计算分为一般位置计算问题和特殊位位置计算问题。一般位置计算包括 r o o t 位置计算和中心点位置计算，r o o t 位置计算主要用于骨架类动作，中心 点位置计算主要用于物体动作，但二者的计算方法相同。特殊位置计算是指古建 自动生成系统中古建筑各构件目标位置的计算问题。这里的目标位置是指整个建 筑搭好后，各个构件中心点的三维坐标值。它之所以比较特殊，是因为按照法式 ( 中国古典建筑所遵循的建筑规则) ，每个构件的位置会因建筑形制的不同而不 同，所以研究该问题需要大量古建知识的支撑。 关节动作规划作为运动规划的一个子问题，是本课题的研究重点。笔者在研 究m a y a 软件f k 系统和系统的基础上，采用f k 和i k 相结合的方法，实现 了多类关节动作。 ， 1 4 本文结构 第1 章：绪论。介绍了动画自动生成及古建筑动画技术的研究现状和意义， 并详细阐述了在古建筑领域内部应用动画自动生成技术的意义，最后介绍了本课 题的研究内容； 第2 章：古建动画自动生成系统及其子模块运动规划模块的介绍。从系统的 设计思想及其原型、系统的层次结构、系统的模块划分、系统的描述语言、等几 个方面详细介绍了古建动画自动生成系统的设计细节； 第3 章：虚拟人关节动作规划。对于不同种类的动作，笔者采用了不同的实 现方法，在这章一一加以阐述； 北京t 业大学工学硕士学位论文 第4 章：一般位置计算。介绍了三维场景中角色位置计算的设计方法，笔者 在原有系统的基础上的做了诸多扩展使位置计算的结果更贴近现实世界； 第5 章：古建构件位置计算。首先介绍了古建构件位置计算的设计思想，其 次分别介绍了普通构件的计算方法及特殊构件的计算方法； 第6 章：系统实现及实现结果。本章介绍了古建构件位置计算和关节动作规 划模块的实现细节，以及实现结果，并对实现结果进行了简要分析； 结论：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： 第2 章运动规划的研究 第2 章运动规划的研究 2 1 古建动画自动生成系统 2 1 1 系统概述 全过程动画自动生成技术【7 】将受限自然语言书写的故事作为输入，生成一个 3 d 动画片作为输出，整个自动生成的过程以知识库为支持，这个过程是一个自 顶向下逐步求精的过程。本项目组的动画自动生成系统，以受限自然语言为输入， 通过系统模块处理后逐层细化，生成各层的动画信息表达。图2 1 展示了新版动 画自动生成系统的处理流程，系统分为4 个层次，由1 3 个系统模块组成，全程 有8 个知识库对动画自动生成进行支持。 2 1 2 系统动画语言， 动画自动生成系统的模块是通过动画语言进行通信的，即系统将动画语言作 为模块的输入和输出。动画自动生成的全过程共使用到5 种动画语言： ( 1 ) 受限自然语言 计算机系统无法完整表达和理解自然语言，因此将语言限制在某几个特殊的 领域，如童话故事、古建筑形制描述等，分析总结出一组语法规则，称为受限自 然语言。它是自然语言的一个子集。 ( 2 ) g f 2 语言 故事理解后具有深层次含义故事信息的动画语言。以格框架树的形式表示分 析结果，定义为格框架树结构g f 2 ，包括角色、物体、环境和动作四个部分的说 明信息序列。 ( 3 ) a d l 语言 动画定性描述语言，在定性的层面上对动画进行描述和控制，属于高级动画 控制语言。用户在具备必须的领域知识后，可直接对a d l 动画描述进行设计和 修改。a d l 以定性语言描述动画情节，包括场景、角色、动作、摄像机等多方 面信息。它不仅可以作为计算机自动生成定性动画剧本的目标语言，还可以作为 编程语言供动画导演编写分场景剧本之用。 ( 4 ) c a l 语言 动画定量描述语言，以定量信息的形式精确地描述和控制动画，属于低级动 画控制语言。用户很难直接提供c a l 进行动画控制，因为数据量庞大，数据信 息不宜修改，若出现错误会直接影响动画效果。c a l 的内容包括模型信息、运 动曲线、环境定位、摄像机定位等动画中的全部定量信息。 ( 5 ) m a y a 文件格式 m a y a 是一款强大的、被广泛使用的三维动画制作软件，也是新版动画自动 北京工业大学t 学硕上学位论文 图2 1 动画自动生成系统整体结构图 f i g u r e2 - 1t h e f r a m e w o r ko fa 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 ns y s t e m 8 一 第2 章运动规划的研究 生成系统的底层动画制作平台。m a y a 的文件格式有两种，m a ( m a y a a s c i i ) 是以 a s c i i 码表示的m a y a 文件，而m b ( m a y ab i n a r y ) 是以二进制编码表示的m a y a 文件。由于m a 文件对程序员来说可读、可写、可修改，因此采用m a 作为动 画自动生成系统的最终动画输出文件格式。 这5 种语言中，g f 2 、a d l 、c a l 语言都采用x m ls c h e m e 【2 8 】定义其语言规范， 并以x m l 2 9 】文件作为动画语言的载体。x m l 是一种标记性语言，具有树形结构， 易于被应用程序加载和解析，被广泛地作为数据交换的公共语言。 2 1 3 系统构成 从层次划分上看，系统由4 个层次构成，包括故事理解层、定性层、定量层、 动画生成层，各层次间都是以动画语言作为数据交互的媒介，下面对各层的内容 进行简要地介绍。 ( 1 ) 故事理解层 故事理解层包括自然语言理解和故事理解两大模块，受限自然语言描述的动 画故事脚本是该层的输入。首先使用词法分析、语法分析、语义分析等技术进行 基于常识的自然语言理解，而后使用浅方法和深方法进行故事理解，得到包括故 事主题、角色、人物特征、故事发展线索等梗概和备用信息，最终生成格框架语 言g f 2 作为输出。这一过程需要词典、句法库的支持。 ( 2 ) 定性层 定性规划层对输入的g f 2 语言进行解析和扩展，生成具体的故事情节和角 色信息，进一步细化出场景、角色形象、角色动作和摄像机信息，并以定性的方 式进行描述。首先情节规划模块在情节库的支持下对g f 2 描述的故事大纲进行 情节展开，并通过基本人物规划模块获得故事中动画角色信息。然后定性场景规 划进行场景划分和各场景特征的定性信息描述，对于每一个场景，分别进行定性 的人物、动作、摄像机规划，以生成关于人物形象、角色动作、摄像手法的定性 表达，最终生成定性故事描述语言a d l 。整个过程有情节知识库、人物知识库、 场景规则库、动作规则库和摄像知识库的支持。 - ( 3 ) 定量层 定量计算层以a d l 为输入，最终目标是将所有定性信息量化成数据信息。 首先a d l 通过定量场景规划及其布局规划，生成场景空间中的地形以及物体的 位置和方向。布局规划以北京工业大学研制的约束逻辑程序设计系统b p u c l p 为基础，将布局规划问题抽象为有穷论域内的约束满足问题【3 们。接着定量人物 规划实现角色模型信息生成。在场景、模型的定量信息基础上，定量运动规划模 块根据动作a d l 做定量计算，包括运动时间、动作帧序列、路径、方向的信息。 其中路径规划是定量运动规划的一个子模块，负责在三维场景空间中规划一条由 起点到终点的避障路径。最后定量摄像规划在已量化信息的基础上完成摄像机的 北京t 业大掌t 掌帧士学位论文 数值计算，最终生成完整的动画定量描述。在定量层中，每个模块的计算结果都 是c a l 的一部分，并且为下一模块计算提供必要的数据支持。各模块都有相应 的知识库支持，包括布局规则库：模型库、动作库、摄像知识库。 ( 4 ) 动画生成层 7 c a l 作为定量层的输出，包含了生成动画片所需的全部量化信息，但c a l 语言是动画自动生成系统的内部语言，并不能被动画底层平台m a y a 所识别。动 画生成层将c a l 通过动画生成模块解释为m a y a 的m a 文件格式，该文件可以 直接在m a y a 中显示。通过分析m a 格式，提取c a l 中的相关信息进行加工， 自动生成最终的动画文件。 2 2 运动规划模块 在动画自动生成系统中，运动规划占有十分重要的地位，其目标是按照场景 规划得到的动作信息对每个角色的动作进行定性描述，生成动作的a d l 语言， 进一步通过定量计算生成角色动作的定量信息，最终生成动作定量描述语言 c a l 。 运动规划由定性运动规划和定量运动规划两部分组成。定性运动规划也叫动 作规划，它将已经展开的故事情节信息生成动画场景中的动作定性描述序列，每 个动作的定性描述包含了一系列属性及其参数。在动画自动生成系统中，动作规 划负责将场景中的人物动作以定性语言规范进行描述，而在古建系统中，动作规 划直接负责生成建筑搭建过程的动作描述，因此在设计动作属性描述时，我们对 人物动作和物体动作进行了综合考虑。运动规划模块的整体结构图如图2 2 所示 情节a d l， f 上 动作规划 ， 云；0 ( f a d l 0 动作计算 上 j 勘烽c 池j 定性层 ， ，： 定量层 图2 - 2 运动规划模块整体结构图 f i g u r e2 - 2t h es t r u c t u r eo f m o v e m e n tp l a nm o d u l e 定量运动规划也称为动作计算，主要任务是将动作的定性描述转化为定量描 述，包括角色的运动帧信息、运动时间( 帧) 、位置、方向等数值信息，这一转 第2 覃运动规划的研究 化过程需要动作库的支持。对于人物动画，除了基本信息的转化，动作计算还涉 及了动画领域的一些具体技术问题，如路径规划、关节规划、运动数据跨平台转 换、计算两个动作之间串行组合的平滑过渡、计算两个动作的并行组合等。这些 问题对自动生成的动画效果起到了至关重要的作用，本文将对关节规划这个子问 题进行重点研究。 2 2 1 定量动作计算 定量动作计算是整个运动规划系统的核心内容，是实现动作由定性层转化为 定量层的计算模块，其输入为细粒度a d l 的动作描述部分，输出为c a l 的动作 部分，其主要内容是实现单个动作计算。单个动作计算过程如图2 3 所示 图2 - 3 单个动作计算流程图 f i g u r e2 - 3t h ec a l c u l a t i o no fs i n g l ea c t i o n 因为针对不同种类的动作，要采用不同的计算方法，所以首先要对动作进行 分类。首先按照动作所参与的角色数目，本系统所研究的动作可以分为单角色动 作和多角色动作，多角色动作需要拆分为多个单角色动作处