（计算机软件与理论专业论文）古建筑动画计算机生成与榫卯模型动态生成技术的研究.pdf

摘要 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇量曼m! m 皇 - - 皇皇曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼量曼曼曼曼曼 摘要 目前动画技术已经深入渗透到众多领域。全过程计算机辅助动画自动生成是 一个结合人工智能与现代多媒体技术的崭新课题，由中科院陆汝钤院士在国际上 首次提出，并研制出原型系统天鹅。古建筑动画计算机辅助生成技术是一个 崭新的课题，对再现我国文化瑰宝有着重大意义。目前在古建领域，国内外动画 制作方面的工作很多，但从描述建筑结构的类自然语言开始，由计算机完成全过 程动画创作的研究还没有过。动画自动生成技术与古建筑领域相结合，发挥了其 快速、高效、教育意义强的优势。 本文首先从系统设计思想出发，对比原天鹅系统的流程，分析并确定了 新系统的整体结构。这包括划分系统的层次，规划系统的模块结构以及相关模块 的数据库和知识库，以及规范描述语言的设计。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。它是以一段类自然语 言描述的古建筑结构作为系统输入；依照古建筑形制的规则库，动态计算古建筑 各个部件大小及其榫卯的相应位置；然后依照形制及搭建顺序知识库推算古建筑 部件的建造顺序；从定性及定量两个方面对动画进行语言描述：最终辅以摄像机 规划等模块完成动画的新技术。其中，对于系统功能模块的划分以及模块及模块 间的接口的确定是本技术的难点：与此同时，古建筑领域不同于其他生活中的常 用领域，它包括很多专业术语以及一些历史习俗、背景等等，因此，本文着力于 合理的归纳整理古建知识规则，形成结构良好，功能性强的推理模块，最终实现 完整的古建筑动画自动生成系统。 古建筑规范描述语言是系统对用户输入建筑形式分析求精后分别在定性层 和定量层上的描述。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。本文在规范描述语言的设计中首先介绍了文件的载体x m l 和语言的格式规范x m ls c h e m a 。最后分别从定性和定量两方面对规范描述语言 进行详细的设计分析。 榫卯是中国传统木构架体系建筑中最普遍的功能结构，一座大型的宫殿式木 构建筑，要由成千上万个单件组合而成。这样多的木构件除了椽子、望板这类屋 面木基层构件外，其余几乎全是凭榫卵结合在一起的。木结构的形式和榫结合方 法是中国古代建筑的一个主要结构特点。本文通过动画自动生成技术，根据用户 输入的特定建筑形制参数，借由o n t o l o g y 本体知识库和模型库，逐步生成对榫 卯结构的定性描述、对榫卯部件的定量描述、以及动画脚本，最终根据动画脚本 通过三维空间的布尔运算技术生成满足需要的榫卯模型，对于展示榫卯的结构、 功能以及宣传中国古建筑艺术都有着重大的意义，其难点是榫卯规则的整理、 o n t o l o g y 本体知识库的设计、榫卯位置的计算以及模型布尔运算技术核心内容的 北京工业大学工学硕士学位论文 i 研究。本文实现了古建筑动画自动生成技术中的榫卯动态生成系统原型，解决上 述难点问题，为古建动画系统增添了亮点。 关键词古建筑动画自动生成；规范描述语言；榫卯；布尔运算 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 ec u r r e n ta n i m a t i o nt e c h n o l o g yh a sd e e p l yp e n e t r a t e di n t om a n yf i e l d s f m l l i r 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 ni sac o m b i n a t i o no fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ea n dm o d e mm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , f i r s ti s s u e db yt h er u q i a nl u ，a l l a c a d e m i c i a no fc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e si nt h ei n t e r n a t i o n a la r e n a 。w h oa l s o d e v e l o p e dap r o t o t y p es y s t e m ”s w a n ”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 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 yi san e wi s s u e ，a n dh a sg r e a ts i g n i f i c a n c eo nt h er e p r e s e n t a t i o n o fc h i n a sc u l t u r a lt r e a s u r e c u r r e n t l yi nt h ef i e l do fa n c i e n ta r c h i t e c t u r e t h e r ei sal o t o fw o r ka b o u ta n i m a t i o n ，h o w e v e r , t h e r eh a sn o ty e tb e e nt h er e s e a r c ho nt h ee n t i r e p r o c e s sf r o mt h ed e s c r i p t i o no fb u i l d i n gt h es t r u c t u r eb yn a t u r a ll a n g u a g et oc o m p l e t e t h ea n i m a t i o nb yc o m p u t e r t h ec o m b i n a t i o no fa u t o m a t i cg e n e r a t i o no fa n i m a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h ef i e l do fa n c i e n ta r c h i t e c t u r ee x e r t st h ea d v a n t a g e si n c l u d i n g h i g h - s p e e d ，e f f i c i e n c ya n ds t r o n ge d u c a t i o n a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rs t a r t i n gf r o mt h o u g h t so fs y s t e md e s i g n ，c o m p a r e s 、 ，i t l l t h eo r i g i n a l ”s w a n ”s y s t e mf l o w , a n a l y z e sa n di d e n t i f i e st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h e n e ws y s t e m si n c l u d e st h ed e l i n e a t i n go ft h es y s t e ml a y e r s ，p l a n n i n gm o d u l e s t r u c t u r ea n dr e l a t e dd a t a b a s ea n dk n o w l e d g eb a s e 。a sw e l la sd e s i g n i n gt h en o r m a t i v e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e 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 n t e c h n o l o g yi sas 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 n i nt h ef i e l do 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 i sn e wt e c h n o l o g yu s e st h en a t u r a l l a n g u a g ed e s c r i p t i o n o ft h ea n c i e n tb u i l d i n gs t r u c t u r ea st h e s y s t e mi n p u t ； d y n a m i c a l l yc a l c u l a t e st h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es i z eo fa n c i e n ta r c h i t e c t u r ea n d t h ec o r r e s p o n d i n gm o r t i s e dp o s i t i o n , a c c o r d i n gt ot h er u l eb a s eo ft h ea r c h i t e c t u r a l f o r m ；p r o j e c t sc o n s t r u c t i o ns e q u e n c eo ft h ea n c i e n tb u i l d i n gp a r t s ，a c c o r d i n gt ot h e a r c h i t e c t u r a lf o r ma n dt h ek n o w l e d g eb a s e ；d e s c r i b e st h ea n i m a t i o nf r o mb o t h q u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea s p e c t s ；u l t i m a t e l yc o m p l e t ea n i m a t i o nb yt h ec a m e r a p l a n n i n gm o d u l e s t h ed i v i s i o no ft h es y s t e mf u n c t i o nm o d u l e sa n di n t e r f a c ea m o n g m o d u l e sa r et h em o s td i 伍c u l tp o i n t so ft h et e c h n o l o g y m o r e o v e r , d i f f e r e n tf r o m o t h e rc o m m o nf i e l d s ，a n c i e n ta r c h i t e c t u r ei n c l u d e sal o to fp r o f c s s i o n a lt e r m sa s h i s t o r i c a lc u s t o m s ，b a c k g r o u n di n f o r m a t i o na n ds oo n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rf o c u s e s o nc o l l a t i n gt h ek n o w l e d g ea n dr u l e so fa n c i e n ta r c h i t e c t u r et of o r maw e l l - s t r u c t u r e d ， f u n c t i o n a la n ds t r o n gr e a s o n i n gm o d u l e ，a n du l t i m a t e l yt oe s t a b l i s hac o m p l e t e a u t o m a t i cg e n e r a t i o ns y s t e mo fa n c i e n ta r c h i t e c t u r e t h es t a n d a r d i z e d d e s c r i p t i o nl a n g u a g e i st h e q u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v e d e s c r i p t i o na f t e rt h es y s t e ma n a l y z e sa n dr e f i n e st h ea r c h i t e c t u r ef o r mi n p u tb yt h e u s e r s i ts e t st h es t a n d a r d so ft h ed a t ao u t p u tf o r m a to ft h ei n t e r n a lm o d u l e sa n dt h 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 na m o n gm o d u l e s sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h e d o c u m e n tc a r t i e r - x m la n dt h el a n g u a g ef o r m a t x m ls c h e m a , a n dt h e na n a l y z e st h e s t a n d a r d i z e dd e s c r i p t i o nl a n g u a g ei nd e t a i lf r o mt h e q u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v e m 北京工业大学工学硕士学位论文 a s p e c t sa n df i n a l l yi n t r o d u c e s t h em a p p i n gt h o u g h t so fx m la n di t ss t a n d a r d i z e d t e c h n i c a lo p e r a t i o n m o r t i s ea n dt e n o nj o i n ti st h em o s tc o m n l o nf u n c t i o n a ls t r u c t u r eo ft h e t r a d i t i o n a lc h i n e s ew o o d e na r c h i t e c t u r e al a r g ep a l a c e s t y l ew o o d b u i l d i n gc o n s i s t s o ft h o u s a n d so fp i e c e sa n da l lo ft h e ma r ej o i n e dt o g e t h e rb yt h em o r t i s ea n dt e n o n j o i n t s w o o d e ns t r u c t u r ef o r ma n dt e n o nj o i n tm e t h o da r et w oo ft h em a i ns 饥c t u r a l f e a t u r e so ft h ec h i n e s ea n c i e n ta r c h i t e c t u r e t h r o u g ht h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o n t e c h n o l o g yo fa n i m a t i o n ，b a s e do nt h es p e c i f i cp a r a m e t e r so ft h ea r c h i t e c t u r ef o r m h l p u tb yt h eu s e r sa n dt h eo n t o l o g yk n o w l e d g ea n dd a t ab a s e ，t h i sp a p e r , g e n e r a t e s t h eq u a l i t a t i v ed e s c r i p t i o no fm o r t i s ea n dt e n o ns t r u c t u r e ，t h eq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o n o fm o r t i s ea n dt e n o np i e c e sa n da n i m a t i o ns c r i p t sa n df m a l l yg e n e r a t e st h em o r t i s e a n dt e n o nj o i n tm o d e l ，t h r o u g ht h eb o o l e a no p e r a t i o nt e c h n o l o g y i th a sg r e a t s i g n i f i c a n c eo fe x h i b i t i o nt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h em o r t i s ea n dt e n o nj o i n t sa s w e l l 勰t h ec h i n e s ea n c i e n ta r c h i t e c t u r e t h ed i f f i c u l tp o i n t sa r et h ec o l l a t i o no ft h e r u l e so ft h em o r t i s ea n dt e n o nj o i n t s ，t h ed e s i g no ft h eo n t o l o g yk n o w l e d g eb a s e ，t h e c o m p u t i n go f t h ep o s i t i o no ft h em o r t i s ea n dt e n o n jo i n t sa n dt h er e s e a r c ho nt h ec o r e c o n t e n to ft h eb o o l e a no p e r a t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rg e n e r a t e st h ep r o t o t y p eo ft h e m o r t i s ea n dt e n o ns y s t e mi nt h ea 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 ft h ea n c i e n t a r c h i t e c t u r ea n i m a t i o n , s o l v e sa l lt h ed i f f i c u l tp o i n t sa b o v ea n da d d san e w h i g h l i g h t t ot h ea n c i e n ta r c h i t e c t u r ea n i r n a t i o ns y s t e m k e y w o r d sa u t o m a t i cg e n e r a t i o no fa n c i e n ta r c h i t e c t u r ea n i m a t i o n ；s t a n d a r d i z e d d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ；m o r t i s ea n dt e n o nj o i n t ；b o o l e a no p e r a t i o n i v 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： 圣竺塑日期：塑! 皇：! ： 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 呆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 子内容，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：j y 鼬导师签名：日期： 第1 章绪论 mnmmnmm_m 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 1 1 1 动画自动生成的研究背景与意义 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【l 2 1 ，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院士陆汝 钤在国际上提出的，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，其中有一些比较大的修正，有些局部模块的实现方法至今不 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相结合【4 5 1 ，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、采用了b u p c l p 系统解决布局规划问题、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 n c 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 舢】、 m o t i o n b 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 那一版有很大的提高。 现阶段，动画自动生成技术已经日趋成熟，逐步完整化规范化，其应用领域 也得到了扩展，在虚拟场景展示、简单故事重现方面都可以发挥其特长，沿着技 术工业化迈出坚实的一步。目前，中科院数学所所提出的动画自动生成技术在国 内外尚无先例。 1 1 2 古建领域应用动画自动生成技术的意义 据调查统计，我国现存各类古建筑及历史纪念建筑物多达8 万处以上，这不 仅是中华民族的宝贵遗产，也是世界建筑艺术的瑰宝和人类最优秀的文化遗产之 一，是不可再生的特殊资源，做好保护工作意义十分重大。伴随着信息技术的广 泛渗透，虚拟现实【1 1 1 3 】等技术开始在文物保护修复中发挥重要作用，在当前的古 建筑保护修复工作中，古建筑建造和修复过程的动画模拟发挥关键作用【1 4 15 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 本课题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。如何利用三维动画技术【1 6 ，l 7 】重现、解读、研究古建筑技术，把科学教学 和文化欣赏结合起来，把历史真实和虚幻演绎结合起来，这不仅对于高质量地完 成本课题是必要的，而且可以成为其它方面类似工作的范例，例如古的农业、水 利、畜牧、冶炼技术均可用此手段建立文化档案【l 8 ，1 9 】。 中国古建筑文化源远流长，其严谨的结构【2 0 1 、庞大的气势、精妙的榫卯口1 ，捌 一直是世人津津乐道的话题。而以现在主流的途径来看，古建筑的资料主要还是 以图片书籍两大类媒介为主，绝大多数都是文字和图片，数字化的程度很低。认 知科学和心理学的研究表明，人们在获取信息时，从图像获取的信息要大大超过 从文字获取的信息。一幅图像承载的信息量是一篇文字承载的信息量的许多倍。 动画像电影一样，集文字、图像、声音以及它们的运动变化于一身，其作用是其 他信息媒体不可替代的。但是动画又胜于电影，因为电影虽然有各种拍摄技巧， 而动画却有一般电影所没有的表达虚拟空间的优点，可以展现电影摄像机拍摄不 到和表现不出的情景，例如，各种时空虚拟变化的展示只有动画能够做到。现在 的人们已经远离古，单看文字说明难以理解古建筑工艺的精湛高深和宏伟场面， 单看画面也难以想象建筑过程的复杂困难和精巧技艺。利用动画再现古建筑技 术，对专业建筑师来说是一套生动的教学资料，对人民大众来说是一份供欣赏和 学习的动漫作品，对文物管理专家来说是保存和研究古建筑工艺全貌的有效手 段，对宣传部门来说是向国外宣传我国博大精深的古建筑文化的有力工具。 1 1 3 榫卯模型自动生成的研究背景与意义 榫卯是中国传统木构架体系建筑中最普遍的功能结构，一座大型的宫殿式木 构建筑，要由成千上万单件组合而成；一座小式的构造简单的古建筑，也要有数 以百计的木构件。这样多的木构件除了椽子、望板这类屋面木基层构件外，其余 几乎全是凭榫卯结合在一起的。木结构的形式和榫结合方法是中国古代建筑的一 个主要结构特点。 榫卯的功能，在于使千百件独立、松散的构件紧密结合为一个符合设计要求 和使用要求的，具有承受各种荷载能力的完整的结构体。榫卯在我国建筑及装修 家具等方面运用极为广泛，而且有着非常悠久的历史。从出土文物考证，早在春 秋战国时代，我们的祖先在木构榫卯应用方面，已经达到了非常成熟的地步。到 了唐宋时期，榫卯在建筑中的应用更加纯熟和讲究。宋李诫所著的营造法式 一书，对榫卯技术做了一定的记载。应该说这个时期是木构榫卯技术发展的巅峰 阶段。明清建筑的榫卯，较之唐宋时期，在构造上大大的简化了，但仍然保留了 它固有的功能。从现存实物考察，明清时期的建筑经历几百年，因各种外力作用 2 第1 覃绪论 皇曼曼曼! 曼曼曼曼鼍曼皇曼曼皇曼皇曼曼皇曼曼鼍量曼兽鼍曼兽m mn 篡l ! 鼍曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼皇皇曼曼曼皇皇曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇 和自身荷载而被破坏者甚少。百年之后功能依旧，充分显示了木构榫卯的可靠性。 木构榫卯种类很多，形状各异，这些种类和形状的构成，不仅与榫卯的功能 有直接关系，而且与木构件所处的位置、构件之间的组合角度、结合方式，以及 木构件的安装顺序和安装方法，均有直接关系。图1 - 1 是些典型的榫卯结构图： 图1 - 1 榫卯结构示意图 f i g u r e1 - 1m o r t i s ea n dt e n o nj o i n ts t r u c t u r ee x a m p l e 为了使更多的人能了解到中国的古建筑瑰宝，很多单位都大力促成古建筑资 料的电子化，使得古建筑的宣传与保护工作有了显著的提高。在展示上，三维的 建筑模型算是最直观的一种表现方法。通过三维软件的帮助，在空间中通过不同 角度来观察建筑的模型无疑对古建筑爱好者和仿古建筑设计的相关人员会有很 大的帮助。在现阶段，由于古建筑榫卯的复杂多样性，很多时候，在建筑模型的 展示中都忽略了这一点，很多情况下模型设计人员只是草草的用一个圆柱来表示 柱子，以一个长方体来表示枋，这样很多人完全无法了解到古建筑结构的核心部 分榫卯。就算是在有些精品动画中，部分建筑构件刻画了榫卯，那也都是模 型设计人员通过查阅资料以手工的方式对模型进行点线面刻画，费时费力的进行 建模：在建筑形式发生变化的时候，也无法快捷的对模型进行改变，只能重新进 行点线面刻画以达到新的榫卯接口的要求，这就阻碍了榫卯结构的重现与研究分 析。 榫卯的形制有很多，在不同时期的不同建筑形制中有其各自的规律性的地 方，这也体现了我国古建筑形制的严谨性，也为古建筑榫卯知识的归纳提供了一 个很好的前提条件。正因为榫卯手工制作模型相当耗费时间，而且不容易灵活变 通，复用性很差，因而考虑到了以一种自动的形式将建筑部件及其榫卯的模型展 示出来，将动画自动生成理论应用于古建筑榫卯这一专业领域，在知识库、模型 库的辅助下，依照不同建筑形制的相关要求，逐步生成榫卯定性描述、定量描述、 底层动画文件。 在模型生成上，由于每一类的榫卵结构的功能部件都是相类似的，仅仅实在 大小空间位置，所处于部件的具体位置有所差别，因而考虑到以功能部件的布尔 ( b o o l ) 运算来刻画模型。通过布尔运算以及知识库的支持，对一个空间位置 已经确定的特定古建筑三维模型进行榫卵刻画，可以大大降低美工人员制作古建 筑榫卯模型的时间，从而降低了成本，提高了古建筑模型的精细度，为传播古建 筑及榫卯知识起到了一定的推动作用。在整体上，采用了动画自动生成技术的思 想，通过以o n t o l o g y 本体构建的知识库以及由此得到的相应定性及定量脚本文 北京工业大学工学硕士学位论文 i 件，最终计算得到三维动画所用到的古建筑榫卯模型的脚本。 1 2 应用前景 当前，信息化已经广泛渗透到社会发展的方方面面和国民经济的各行各业， 而在古建筑的保护、宣传和教育领域的应用才刚刚开始。信息化是贯穿文化遗产 保护事业发展过程的重要组成部分，信息技术的推广应用将有利于促进实现文化 遗产资源数字化，促进文化遗产的信息加工、提取和科学研究，提高文化遗产保 护、利用和管理的科学水平。特别是在古建筑保护和修复领域加速数字化进程， 将信息化技术与现有古建筑的保护和修复手段相结合，可以开拓并丰富古建筑保 护和修复的手段和方法，提高保护修复的成功率、效率和技术水平；建立依托网 络的信息化古建筑保护新模式，也将大大促进古建筑文化遗产保护、宣传与教育 的普及化程度。 在古建筑保护、宣传与教育的信息化过程中，虚拟现实和互联网等技术的应 用将发挥重要的作用。本课题中虚拟现实技术应用的核心是利用计算机视觉和计 算机图形学技术来进行古建筑三维快速建模和动画模拟。随着计算机视觉和计算 机图形学技术的不断成熟和研究的不断深入，计算机虚拟仿真已经成为汽车发动 机制造、城市建设规划等领域中不可缺少的一个重要环节，被广泛应用到各行各 业。目前国外已将虚拟还原与计算机辅助仿真技术大量用于重要的古代建筑遗 址、考古遗迹的保护，如古罗马元老院、埃及金字塔等的三维虚拟还原和重建。 国内也逐步开始将相关技术应用到传统的文物保护、宣传和教育工作中，但目前 主要的应用方向是文物的数字化和虚拟漫游。而国内外在文物的计算机仿真修复 和动画模拟领域的研究应用才刚刚起步。 在文化遗产的保护、宣传和教育中，虚拟动画展示技术可以创建更有效的宣 传和沟通途径。虚拟动画技术的快速发展，在很大程度上改变了人们的交流和工 作方式。而在文化遗产领域，自动生成动画技术仍缺乏有效的应用。利用本技术， 有利于促进传统文化资源的全社会共享，将终端布置在不同地区，如古建景点的 展示室、博物馆的数字厅等等，可以使不同地区，特别是经济相对落后地区的群 众，在文化遗产知识的获取上享有平等的权利，对于弘扬先进文化，建立学习型 社会，促进社会全面进步和人的全面发展，增强民族凝聚力，构建和谐社会提供 强大的精神动力和智力支持。 4 第1 章绪论 1 3 研究现状 1 3 1 人工智能技术在计算机动画生产中的应用现状 随着计算机图形学的发展，计算机动画制作出现了新的手段，即三维动画。 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。但是，三维动画的制作成本也成了众 多动画制作厂商不得不考虑的一个因素，就算是在动画技术最先进的几个国家 里，动画的成本也达到了惊人的5 0 0 0 2 0 0 0 0 美元分钟。 基于人工智能的动画是计算机动画技术中的一个分支，研究如何利用人工智 能技术提高动画制作的自动化程度和智能性，国际上的研究包括自然语言指令驱 动的动画、知识驱动的人体跑步动作的动画生成、模拟人类对话的动画生成、交 互式故事系统等。 ( 1 ) 自然语言指令驱动动画 这类系统的典范如美国滨州大学研究的a n i m n l ( a n i m a t i o nf r o mn a t u r a l l a n g u a g ei n s t r u c t i o n s ) ，美国海军研究室的n a u t i l u s 项目等。他们的共同之处就 是主要研究如何由自然语言指令及相应规范来驱动虚拟人模型完成动画模拟任 务【2 3 1 。n a u t i l u s 项目主要是通过口头指令模拟三维虚拟场景中的相应运动；而 a n i m n l 的系统则更为完整，包括从自然语言语法语义分析，经过规则推理，最 终完成虚拟人动画的全过程【2 4 , 2 5 】。 ( 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【2 纯引。通 过整理跑步的实验知识、人体运动的物理知识、人体协调性等相关知识，总结相 应规则，方便用户交互式的得到所需要的人体跑步动画，武汉理工大学在虚拟人 体跑步动画领域研究的比较深入。 ( 3 ) 模拟人类对话动画生成 该技术主要就是通过整理人类生活对话常识，通过规则驱动虚拟人，使得虚 拟角色可以与真实人在语音及行为上互动。如微软研制开发的p e r s o n a 项目。 ( 4 ) 交互式故事系统 真正的交互式系统与一般交互式系统有所不同，后者存在交互性能较差或者 行为相关性差的问题。而真正交互系统是通过用户作为故事主角，通过一系列初 始情节，经系统分析产生动作序列来驱动角色运动【2 9 ，3 0 l 。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 2 动画自动生成技术的研究现状 所谓动画自动生成，就是根据用户的需要，分析其输入的故事，经过计算机 辅助分析计算产生动画文件的过程。动画自动生成的过程中对故事进行理解、设 计故事情节是重要的步骤。根据用户要求，通过某种算法，生成特定内容的故事 系统，是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。 第一个比较完整成熟的故事生成系统是由詹姆斯米翰( j a m e sr m e e h a n ) 在耶鲁( y a l e ) 大学开发的t a l e s p i l l 系统1 3 1 1 。t a l e s p i n o z a 生成类似伊索寓言的 文本故事。t a l e s p i n 中包含一些由用户事先给定的故事角色，每个角色有自己的 目标和对其他角色的态度。在生成故事的过程中，每个角色不断尝试可以达到自 身目标的操作，并对故事世界中的变化做出反应，通过推理和规划生成故事。 像这样的探索还有很多，从自然语言到动画自动生成，交互式的故事系统， 异或是知识驱动的动画自动生成技术都显示了前人在动画自动生成方面的努力。 而中科院院士陆汝钤在国际上首次提出了全过程计算机辅助动画自动生成技术 路线，并自主研制开发了一个动画自动生成原型系统天鹅，并曾在中央电视 台播放以该技术研究的动画片三兄弟。但是必须看到，天鹅只是一个初 步的想法，虽然系统取得了很大的成功，但其在整体结构，内部模块、知识库等 诸多方面都存在着很多的问题，许多智能算法至今仍不理想，需要在实践过程中 不断的修改，细化，重新研究。 作为北京工业大学的双聘院士，陆汝钤院士早已认识到了动画自动生成技术 路线中存在的这些问题，并筹建了北京工业大学计算机辅助动画实验室。目的在 于，在原有工作基础上，重新研制开发全过程计算机辅助动画自动生成系统。新 系统将完善系统的结构，明确系统的层次，规划系统的模块，细分数据库知识库。 此外，在新系统中，还将融入中文自然语言理解的最新科研成果来实现故事理解； 采用b p u c l p 约束逻辑程序设计系统解决布局规划问题；使用国际动画电影 业界内最为流行的m a y a 动画设计软件和m o t i o nb u i l d e r 专业三维动画制作软 件作为底层动画软件，在动画制作过程中采用m o t i o nc a p t u r e 三维动作捕捉系 统、大型三维扫描仪等先进设备，完成逼真的动画制作过程。这些条件都使新系 统将具有更为强大的智能运算能力和图形表现力。通过采用新的软硬件技术，动 画自动生成又上了一个新台阶，无论是中间语言的通用性合理性还是最终动画的 效果，都有了不小的飞跃，激励着后来者继续解决其中的重点难点问题。 目前，动画自动生成技术的核心是按照自顶向下、逐步求精的理念，将一段 常规的自然语言故事描述文字，经过逐步的转化最终生成出能够被动画引擎所识 别的动画脚本。整个过程包括定性层和定量层两大部分。定性的部分主要包括了 动画场景的相关信息，包括人物、环境、动作、灯光、摄像机拍摄手法等等的性 6 第1 章绪论 质描述，这部分内容主要是在知识库推理的基础上得到的一些定性的描述信息； 而定量部分是将定性部分具体化，参数化，变成一种计算机可以识别的量化数据 信息格式，以便转化为最终的动画脚本以适应各个动画开发引擎，最终生成动画 片。随着动画自动生成技术的成熟，其应用领域逐步扩展，如手机动画、建筑动 画等等，该技术还有很广阔的发展空间。 1 3 3 古建筑领域动画技术应用的研究现状 目前，在中国古建筑动画领域，也已经开展了一系列的研究工作，在宫殿建 筑、古建筑斗拱方面都有了比较深入的探讨。像东南大学建筑学院研究生的研究 成果演绎唐宋建筑系列就是以计算机动画技术为主，虚拟中国古唐宋经典建 筑，包括建筑的主体结构的部件级搭建过程，经典斗拱的部件级搭建过程；日本 凸版印刷株式会社为故宫制作的三维虚拟故宫重建天子的殿堂，是以v r m l 技术制作的，以通过遥控器，从任何方位、全视角地欣赏故宫中的稀世珍品。“数 字故宫 是先用计算机构建出故宫三维模型，再用数字相机采集故宫实物景观， 并按图索骥将它们“粘贴 在模型上进行合成的数字作品。类似这样的研究还有 不少，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，这些都是主要依据3 dm a x 、v r m l 等动画 及虚拟现实软件来开发完成，底层动画技术已经相对较为成熟。 但上层方面，由于国际上这方面的研究多偏于实际应用领域( 如3 d 虚拟现 实漫游或3 d 模型重构等) ，所以基本没有涉及到直接从古建筑形制的类自然语 言描述 3 2 , 3 3 至1 1 古建筑搭建动画自动生成这方面的技术研究【3 4 】，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。 古建筑榫卯是我国古代建筑艺术中的重要组成部分，是古建筑专业人才必须 大加学习与研究的古建精髓。尽管目前我国古建筑界已经意识到了古建筑知识传 播的重要性，其形式仍然很受限制，手段主要集中在书籍资料、视频资料、三维 建模、文本数据图片资料等等。资料的电子化程度比较低。榫卯又因其复杂的结 构而在虚拟建模中很难被重现。只有在部分电子出版物中，有榫卯的细节展示， 而这些展示大多数都是对于斗拱榫卯的展示，而对古建筑木构架结构本身的榫卯 刻画却少之又少。因此，合理的总结古建筑榫卯的相关结构知识，将其规则化、 数字化是各家古建筑单位都在研究的内容。领域内也出版了一些相应的读物，系 统的介绍了这些榫卯，而电子化的过程还有待探索。 7 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的研究内容分为四个大方面：+ 系统模块规划、古建动画规范描述语言 的设计、古建筑动画知识库以及古建筑榫卯模型自动刻画实现。 作为动画自动生成系统在特定领域的实现，古建筑动画自动生成系统模块规 划主要是研究古建筑动画计算机辅助系统的整体框架结构，通过对需求的分析， 将系统划为各个模块，以满足自上而下的计算机辅助动画生成。具体内容包括模 块的划分、模块的功能定义、模块的接口设计、模块的实现方式。这个部分是整 个项目的核j 心问题，以陆院士全过程计算机辅助动画自动生成技术为基础，将其 进行移植，分析原有模块在新系统中的合理性，同时考虑到加入新的模块来满足 建筑动画系统专业化的需要。 各模块在完成各自任务，实现各自功能的同时，需要为下层模块提供必要的 信息作为模块的输入。模块间的信息传递需要通过一套统一的接口来进行，即定 性规范描述语言和定量规范描述语言，这是本文主要研究的内容之一。良好描述 语言设计是保证系统结构清晰的关键所在，对系统流程的控制和内容的扩充起着 至关重要的作用。 系统中会用到各种古建筑领域的专业知识，因而知识库的归纳整理要