（模式识别与智能系统专业论文）实时交互的植物虚拟舞蹈动画.pdf

摘要 摘要 现代礼会，随着j 二作节奏的加快和i 作j k 力的增力，人们愈自i i 需要休闲7 j 娱乐，信息 娱乐、j k 也就成为计算机应川的再要发展疗i _ 。本课题就址利h 计算机动i 岫技术，结合了计 算机音乐、闭彤学租1 人工智能等学利，以角色的虚拟舞蹈展现音乐彤象，涉及到j ，音乐儿 素分析以别、角色模型的建讧和运动控制等可题。这项i ：作把科1 学和艺术拥结台，是音乐 可视化研究的个有鼯的尝试。 木史研究了模型基本辫蹈姿态的控制和合成，以及系统对r 音乐的表现力等j 、u 题，以 植物体为虚拟舞蹈角色最终实现了由用户指定脚本和系统闩动生成脚本的两人驱动舞蹈 动画，能肇本与音乐的节奏、风格、所表达的t 自感等因素j 保持一致，既能模拟螋经腆 的动作，也可以实现 通效果。本义的e 要工作和贡献包括： l 利用尢质量的质点一弹簧模掣实现了对系统1 t 摸型的交且控制，使姿态设i = r 和脚奉 编排的工作可视化，并柙i 保持骨架模型j b 状、从线弹簧到角弹簧的数掷 转换、关节 固定等方面进行了研究。 2 运用分层控制的方法完成了群体舞蹈动山模块，实现了队州的连续变换、移位、旋 转等，进一步增强了系统对于音乐的表现力式。另外还在双个体模型舞蹈功能中加 入r 基于弹簧模型的碰撞检测和碰掩反应。 3 提出了用马尔可夫链( m a r k o vc l l a i n ) 的数学模型实现随机脚木动面，并没计丁脚奉 片断库，实现了舞蹈动作片断间的兀缝连接，l 叮且辫蹈动俩能够符合商乐的风格和i 节奏，为f 一步系统的自动青乐舞蹈动俪做了有益尝试。 4 把上述三个功能模块融入到系统巾，其各控制功能均可以达到实时动i i j i i 的要 求，软件全部足在q ，和o p e l l g l 的丌发环境卜- 完成，叮以实现系统跨、 台运行 于w i i l ( 1 0 w h 和l i m l ) ( 卜。 关键词：綦于物理的模犁，j 括拟舞蹈，实时，交互，群体动画，随机动丽 第l 页 英文摘要 i n t e r a c t i v ev ；r t u a id a n c ；n ga n i m a t i o no fp l a n ti n r e a lt i m e a t l t l l o r ：c l l u n gc h e l l s u p e r v i s o r ：b a o g a n gh u a b s t r a c t i l lo u ri n o d e l i is o c i e t y ，p c o p l en e e dr e l a x i n ga n ( 1e n t e r t a j n m e n ti i l u c hn l o r e t h a nb e f o r eb e c a u s co ft h ei n c r e 蚪i n gw u r kp a c ea n dp r e s s u r e ，s oi n f o r m a t i o nc n t e r t a i n m c n lr e 8 e a r c hi sm o r ca l l dm o r ei m p o n a n ti nc o m p u t e ra p p l i c a t i o n6 e l d h e r e 、v cp r o p o s et ov i s u l i z cn m s i cw i t hc h a r a c t e rd a n c i n ga j l i m a t i o n t h i sp r o j e c t i sb 心e dc o m p u t e ra n i m a t i o nl e c h n i q l l e ，a n dr e l a t e st ot h es t u d yo rc o m p l l t e rm 1 1 一 s i c ，c o m p u t e rg r a p h i c sa n da r l i 丘c i a li n t e l l i g e n c e t h e r e 盯ea j s ot n a n yp r o b l e m st o f l l l n l ls u c has y s l e m ，i n c h l d i n gm u s i cf a c t o r sa n m y s i sa n dr e c o g n i t i o n ，c o i l s t r u c l i n g 恤ec h a r a c t e rn l o d e i ，a n dt h em u t i o nd y n a m i cc o n t r o lt h i sw o r k ，c o n l b i i l i n g s c i c n c ea n da r t s ，i sas i g n i 丘c a t i v ea t l ，e m p ti nt h er e s e a r c ho fn l u s i cv i s u a l i z a l i o n t h i st h c s i sf o c l l so nl h ec o n t r o la n db l c n d i n go ft h ed a n c i i l gp o s t u r e s ，a n d 妇ee x p r e s s i v ef o r c eo fo l l rs v s t e l i lt om l l s i c w ec l l o o s ep l a n t sa st h ec 1 1 a r a c t e r ， a n dn n a u yr e a l i z eas y s t e mw i t hl w ok i n d so fs c r i p l d r i v e nd a n c i n g l n i u l a t i o n ： s p e c i n e db yl l s e ra n da u t o n l a t i cp r o d u ( - c db yo u rs v s t e m a l lt h ed a n c i l l ga n i m a t i o nc a na c c o r dw i t ht h cf a c l o i so ft h es e l c c t e dm u s i cj n c l u d i n gl l l er h y t l m l ， h es t y i e ，a n dl h ef e e l i n g 0 l l rs y s t e n le 8 ns i m u l a 把b o t h 地ee a s s km o v c i i l e i l l a n dt h ec a r t o o nb c h a v i o r t h em a i nw o r ka n dc o n l r i b u t i o i l so rt h i st h e s i si n d u d e f o l l o w i n gi s s u e s ： 1r c ! m j z e 恤ei n t e r a c t i v ed e 8 i 目1o fp o s t u r e sf o rt h e 盯t i c u l a t e dd l a r a c l e rb y a p p l y i n gt l l es p r i i l gn l o d e lw i t h o u tm a s s w ea l s os o l v es o m cp r o b l e m si n t h i sc o n l r 0 1m o d u l ei n c l u d i n gt h ed a t ac 0 1 w e r s i o nf i o mt h el i n e a r8 p r i n g s t oa i l g u l a fs p r i n g s ，k e p p i l l gl h es h a p eo ft h es k e l e t o nm o d e la n ( i 矗x i n gt 1 1 e s e l e c t e dj o i n t s 2c o i i l p l c t et 1 1 eg r o l l pd a n c i i l ga n i m a t i o nm o d u l ew n ht h eh i b e r 龃c h yc 0 1 l t r o l l n e t h o d ，w l l i c hf l l r t h e ri m p m v e 山ep x p r e s s i v cf o r c eo fo l ”s y s t e m v 恬r e a l i z e l 1 1 ep a t t e n lt r a n s f 。r m 舢i o no f1 i l l l n i n l o d e l s ，a n dw ca l s o6 n i s ht h et w 【卜 1 n o ( 1 e l sd a 王l c i n ga n i m a “o nw i l hl h ec o l l i s i o d e l e c l i o na l l dr e s p o n s cb a s e d o ns p r i n gi l l o ( 1 e 1 3a c c o t i l l ) 1 i s i il h es t o c i l a s t i cs c r i p la n i m 砒i o nw i t l l i o m o g e n e o u sm a r k o v c l l = l i j l ，w 1 1 i c hh “p r c p a r a t i o nf o r0 l l r1 l e x l 、v o r ko fl n l c 一( i r i v e nd a n c i n g a l l i l i l a t i o l l w ed e s i g nt h cs c r i p tc h i p sa n di i l a j n l ed a n c i n ga c t i o i lc h i p s 1 ) r o d u c e df r ( ) i i ll h es c r i p tc h i p ss t 、a i l l l e s s l yc o n n e c t c d ，a n 【1l l l es t o c h a s t i c d a n c i n ga n i i n a t i o i lc a na l s om a 止( 山l l l cs t y l ea n dr h y t l l mo ft l l c8 e l e c l e ( 1n 1 1 卜 s i c 第i i 页 萸支摘要 4a p p c i l 【lt h et 1 1 r e qi n o d l l l e st ot l l cs y s t e n l ，a l l da l lt l l e1 1 l ( ) d u l c sc a na c h i c v ct h p r e a l t i n l ea 1 1 i n l a t j 。nr c ( 1 u i r e l n e n lw h a t su l o r e ，t h es o f l 、v a i ei sd f c l 。p e d w i t hq t 砒1 d0 1 ) e t l g l ，8 0t h es y s t e n lc a no p e r a t eo nt l l o 【 p e r a l i o n8 y s t e mo f w j n d o w sa n ( 1l i u l i x 1 k e yw o r d s ： p 1 1 y s i c a l l y - b e ( im o d e l ，v i r l u a ld a n c e ，r e a i t l m e ! ，l n i e r a c t i v e ， g r o u pa n i m a l i o n ，s t o c h 蹦t i ca n i m a t i o l l 第1 i i 页 插图目录 l l 系统框图 插图目录 2 一l 挤压利拉伸【3 2 2 卡通效果的球【3 。 2 3 变形动画 2 4 音乐可视化的系统框图f 8 2 5 舞蹈记录语言b e n e s hn o t a t i o n 【1 2 】 3 1 弹性关节模型 6 0 3 2 l i l y 的弹性骨架 3 3 系统中的物理参数：惯性参数，阻尼系数， 4 一l 弹簧系统的能量， 4 2 质点一弹簧模型的联动 4 3 骨架中关节的移动， 4 4 在临近的2 、4 和6 个节点问设置弹簧 4 5 模型“h u m a n ”脚关节的拖动 4 6 基本姿态和组合姿态 ， 4 7 不司夸张程度的姿念 5 一l 可见性判断 5 2 层次细节( l o d l ， 5 3v e r t e xs h a d e r 二f i l p i x c a ls h a d e r 4 6 5 4g p u 的效果f 4 5 1 ， 5 5v e r t e xs l a d e r 中的i n s t a i l c i n g 4 4 1 5 6 碰撞检测和碰撞反应 ， 5 7 群体动画的层次控制 5 8 队列变换 5 9 从圆形到水平线的队列变换 5 一1 0 模型问的移位， 6 1i l m m 在人名处理中的应用 6 2 固定脚本与随机脚本 7 1 交互设计的姿态r o s cb o w 7 2r o s e 的恰恰舞 7 3l i l y 和i 沁s e 的配合 7 4 l i l y 存风巾的摇曳， 第v i 页 刚性参数 3 6 7 8 】l 1 2 】5 1 6 1 9 盟拢筋差i 吼弘弘如鲫如 躺躯 副矾驼弛 表格目录 表格目录 第，i i 页 独创性声明 本人声明所递交的论文是我个人在导师指导下进行的研 究上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。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地说明并表示了谢意。 签名：皇堑避日期： o o s 6 f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院自动化研究所有关保留、使用 学位论文的规定，即：中国科学院自动化研究所有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；可以公布论文的 全部或部分内容，可以采川影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 签名：缝啦导师签名：堑盘垒i 虱日期：! ! ! ! ：! ：i 耍时交互的植物虚拟舞蹈动画 第_ 章绪论 传统的卜通片以其生动的角色，有趣的故市，多样的主题和奇妙的画越吸 引了一代又一代人。但从】9 9 6 年之后，随着狮子下( t h ei 。i c mk i n g ) 、 玩 具总动员( t 0 ys t o l y ) 等由计算机参与或完全支撑的动画片的上映，人们在惊 呼传统卡通片怎么了? 其实一个由计算机辅助设计的电影新时代已经丌始了。 本文就利用汁算机动画技术，在川虚拟舞蹈展现音乐形象，把艺术性与娱乐性 结合等方面做了一些尝试。 1 1 研究背景及意义 讨算机技术的发展使许多以前无法想象的事变成了现实，也同样使计饽机 图形学和计算机动画技术有了惊人的发展。例如在动画片狮子下( t l - el i o n k i n g ) 中，那气势磅礴的无数群码介腾的镜头，这种效果的制作对于：维传统 动画而言足不可想象的。人们已经认识到传统动画片在娱乐性上足无法与利 月j 计鲜机制作的动画稆竞争的。尤其是自1 9 年的玩具总动员2 ( t ( ) ys l o r y 2 1 后，全部由计算机动画技术制作的电影已经成为好莱坞最赚钱的电影类型。 与此同n 寸，网络游戏已经和网卜金融、网l ：教育一起成为网络q k 三大赢利且利 润丰厚的领域，全球电脐f 游戏行、p 已成为与电影、i u 视、音乐等并驾齐驱的最 为亟婴的娱乐产、世2 。这一切部说明了信息娱乐业在当今社会的ii 人发展潜 ，3 ， 计算= 机的j 。泛应用电给占乐的创作和分析带来了冲击。在计算机爵乐方 面，人们已绎不满足j 二仅仅利j h 计算机完成青乐的插放，编辑，录制等1 ：作， 开始探索计算机音乐的识别技术，卉乐的可视化，占乐信息的f 1 动展爪等领 域，并取得了很入的成效，如w i l l 【1 0 w sm “ap l a v p r 引w - 1 1 a m 川l 的可讥化捕 件。仉这些1 ：作人多集q ，征利用富自+ 表现j 的可视化彤缘米展现音乐的特征， 而用物体的运动彳为，如舞蹈术艉示占乐的还不多。应该注意到恰当的l 乐埔 强，舞蹈的归奏感，而合适的舞蹈也有助j 二表达音乐的内涵。“音乐是舞蹈的 灵魂，舞蹈是音乐的国j 声。”而利用讣算机自动或辅助实现音乐椰舞蹈的结合 第1 页 第一章结论 有着重要意义。 但技术的进步不足生活，当我1 j 流连于山川湖泊的美景时，无处不感受到 植物生命的丰富多彩。我们会发现每一片叶子郁不同，每一支花儿都绚丽。也 许大家还记得拟人化的小狮子s i t n ba ，怪物s h r e k ，而我们在这里以卡通植物的 作为舞者。植物体有其自身的特点，如可以艺术地生长，可以在不同部位有夸 张地变形，可以有不同植物器官的自l 合等这些效果都是用人体或其他角色所 不能或卅i 适合达到的。 本课题就研究了以植物的虚拟舞蹈动画来表现音乐形象，让音乐的欣赏者 就可以自己设计植物体的舞蹈动作，不再“被动”地去接受，也可以“主动” 表达自己对乐曲的理解，和自己真实的个人感情。最终完成能够实现音乐驱动 的角色自动动画，不仪能配合音乐的节拍，也能符合乐曲情感，能够以丰富多 彩、连贯流畅的舞蹈展示哥乐形象。这在音乐可视化领域是一个有益的尝试。 实现这个系统的难点主要有3 个： 音乐要素的分析和识别，尤其是音乐要素的识别，到目前还没有非常有效 的方法。 虚拟舞蹈对与音乐的表现力。 音乐特征和虚拟舞蹈之间的映射关系。 针对以上问题，本文就是在实验室已完成工作的基础上，对系统的继续发 展。工作土要集中在舞蹈动画中，进一步研究了角色模型的建立、姿态设计的 控制和系统对旨乐的表现力，f ：完成了随机自动舞蹈。为将来占乐特征的输入 留下了接门，为音乐驱动的动画做好了准备。在此过程中，我们强调了系统的 动态性、实时性、交互性、娱乐性，小系统是一个科学和艺术的结合。 1 2 本文组织结构 本文在原有系统脚本控制的基础上，增加了交互控制、群体控制和随机控 制，系统框图如l ，l 。我们先利用角弹簧利线弹簧建立了弹性骨架模型，在片j 户 选定乐曲年l 】脚木后，自动读取用户选择的脚本或由系统自动生成的脚本完成 姿态转换神l 群体控制，生成的舞蹈动画逼真平滑，富有表现力。 第2 页 实时交互的植物虚拟舞蹈动画 图1 一l 系统框罔 本文的章节安排如下： 第一章绪论：介绍了i 十算机动丽与爵乐结合的意义，以及本文的组织结构。 第二章研究现状概述：总体介绍了计算机动画，特别是基于物理的动厕方法 以及动画与音乐的结合等技术，i ：把这些j 二作与本文的系统逃行了比较。 第三章基j 二物理模型运动控制：介绍了弹性关节和弹性骨架的建市，对姿态 转换的动力学求解和对模型的简化。 第四章模型的交互控制：详细介绍了用无质量的质点一弹簧模型实现交互控 制设计舞蹈姿态，以及此功能模块与系统的融合等问题。 第五章群体舞蹈动丽：详细介绍了j h 过程控制的办法完成群体舞蹈动画，并 介绍了群体动丽r 一群体建模，碰撞检测，快速绘制等方面的研究。 第六章随机舞蹈动i i i i ：详细介绍了运川马尔可夫链的数学知识实现随机脚- 奉 动画和其。p 的一些设计问题，研究意义等。 第七章系统实现：把f ：述二个功能模块融入到系统q ，其评控制功能均能实 现实时的动画， 筇八章结论和展皇 ：总结伞文f ：作，刘系统的完善提出j 可能的t 作力向。 第3 页 第二章研究现状概述 第二章研究现状概述 本文主要研究对象是：植物体的陪通舞蹈动画及其对音乐的表现力，奉章 将在计算机动画领域内对与其相关的研究作一个整体介绍。首先对比了传统动 画和计算机动画的制作流程，引出了制作动画时要注意的原则。然后介绍r 计 算机动画中用到的技术和植物动厕的一些丁= 作，并指出了这些方法与本文系统 的联系和不同。 2 1 传统动画与计算机动画 2 1 1 传统动画 传统动画的制作流程是相埘固定的； 】设计剧本。根据动画的h 的和要求进行创意，形成动画制作的剧本。 2 建立故事板。所谓故事板( s t o r yb o a r d s ) ，是一种大纲形式的动画，能体 现动画结构和构思的、高度简化的草图序列。 3 录制声道。动作需要配有声音，而h 还要有对话和音乐，吲此要创作、 选用和录制，以便后期剪辑。 4 确立关键帧( k e yf r m n e s ) 。关键帧是指在动画f i 定义变更内容的动画帧， 基本决定了褴个动画的基本画面。一般由主要的动画师将所有动画的关键帧画 山。 5 完成中间帧。中问确定义了两个关键帧之问的丽而一般由助理动厕师 和描绘人员完成。这个过程被称为插值( i n b e l w o e n i i l g ) ，而到这里，初步的胶 旺土就完成了。上述几个步骤被称为素描( p e n c i lt e s t ) 。 6 复制。用彩笔手工复制或者直接拍照，将素描的各帧转换为醋酸盐胶 片。在多层动j i i 中，使j | j 了多层醋酸盐胶片，一部分作为背景的胶片保持不 变，而另一些6 h 景刈致则随时问变化。 7 着色。要求有非常的耐心、准确，胶片必须有适当的阻光度，静态的背 景也必须渲染。 第4 页 实时变互的植物虚拟舞蹈动画 8 拍摄。通常将动画拍摄在彩乜胶卷或电视录像带l ：。 9 剪辑合成。对扪摄出的影片进行最后的裁减和编辑并台成爵乐和对 话，以迓到满意的艺术效果。 制作动唾的整个过程足囱i 序世经常是要有重复的。如现有的占响效果的限 制可能会导致对故市板稍做改动，动画的最终效果需要刘某些步骤进一步扩 充，这反过来又要求新的声道片断等。n 1r 炎键帧和插值帧的使用，这种动画 被称为关键帧动画。 2 ，1 2 计算机辅助动画 所谓计算机动画，就是利用传统动画的基本原理，结合计算机科学和f 乜影 制作艺术，突破静态的、平面图像的限制，创作出来的动画。从传统动画的制 作过程可以看出，传统动丽的制作是件非常精细、非常艰苦的劳动，其中许 多阶段用计算机实现似乎更卯想，特别是插值和着色阶段。7 0 年代初，计算机 图形技术对图像生成和处理提供了支持，计算机动画也就很臼然成为个应崩 对象。一个计算机辅助动画系统可以让使用者集t ，精力从事艺术创造，并减少 创作过程中的繁杂劳动。 讣算机辅助动l 应j 又分为计算机辅助二维动画和三维动画。人们一般认为三 维动画应该包括二维动画，实际并非如此，他们各自有自己的特点，制作过程 也不完全相同。二维动丽的制作过程与传统动画类似，下而l 寸论计算机辅助三 维动画的制作过程。 1 剧本。根据要求，进行创意，形成剧本。 2 预处理。包扭从外部的各种形式的资料输送到计算桃的全部r 作，主要 是造型来源和图像米源。 3 造型。般造型系统中部有曲线、1 1 n 面、多边形、物体或对象的概念。 曲线操作。般订：建市样条、网、椭圆、取边界、l 移、编辑、修改、细分、 断点、闭合、联结、反向、及字库等。曲面操作有：建立曲面、旋转、填允、 放样、拉仲、细分、断开、联接、闭合、及向等。 4 材质。包括材质基本属性的调整和纹删贴图的调栏。 5 用光。一般计算机辅助动画软件中都聚光灯、环境光枷平行光二种。 6 运动的设定。方_ ：去有关键帧法、捕值法、变形沾等。 第j 页 第二章研究现状概述 7 动画的渲染。将j h 户设定好的动画处理成一系列译帧图像或动画文件。 8 图像上l ! 示。在调材质、图像生成的同时，还常常需要反复地显示单幅或 多幅图像，识别图像信息等。 9 动画演示。 1 ( 】后处理。对制作完成的动丽进行加工处理，包括对图像的处理、动画 的合成等。 1 1 动画的录制。将渲染后的动画，也就是计算机上的图像录制到录像带 卜的操作。【5 8 】 2 1 3 动画的原则 图2 1 挤 l 干托 3 】 l a s s e t e r 2 1 在1 9 8 7 年提出传统动画中的一些原则应该用到计算机动画中， 包扦： 1 挤压和拉伸( s q i l a s ha n ds t r e l c h ) 。表示了物体在相互作用中的变形，例 如在图2 1 中，可以明显感到上面的物体比f 面的更“硬”。 2 时问和运动( t i 】i n gi u c 1m o “o n ) 。动画师要控制好发生特定动作的时 间，如搬起人石块需要更多的时间，而拣钱包的速度要快得多。 3 准备活动f a n t i c j p a t i 0 1 1 ) 。运动i i 彳要宵准备动作，即使时间很短， 4 舞台化( s l a g i i l g ) 。把想法呈现出来，使观众u j 以看到。 5 动作停止和融合( f 0 l l o wt h r o l l 曲m l do v e r l a l ) 1 ) i n ga c t i o l l ) 。有时是前- 面 动作完全停下后才开始卜i 一个，而另外一些时候则0 i 需要。 第6 页 实时交互的植物虚拟舞蹈功画 6 从头开始或动作连接( s n a i g l l ta l l e a da c l i o n m dp o s c 。i o p o s pa c “0 1 1 ) 。 这足两种绘制方法，前一种足画师从动作的第一帧丌始一直画到动作完成，后 面的则类似于荚键帧技术。 7 渐入渐出( s i o w1 na n f l 队l l ) 。物体在运动过程，l i 的速度足不一样的，如 反掸地卣的篮球，在接近最高点时速度明疆变慢，【| 王就需要更多的动画时问。 8 夸张( e x a g g e r 龇j o n ) 。通过夸张表现作者的意图或物体的特性。若把这 条，上一条以及第一条干配合，如图2 2 ，效果是不足也更真实昵? 9 动作的效果( s e c o n d m ya c t i o n ) 。表示了前个动作的影j 晌而直接产生的 动作。 1 0 吸引力( a p p e a l ) 。尽力吸引观众的日光，因此场景和角色的殴讣郜不能 太简单。 其实有个性才是( p e r s o n a j j t y ) 角包动画册最萤要的原则。以上这些部是我们 在设计系统的过程中一直所遵循的。 图2 - 2 扣迎效果的球阳 2 2 计算机动画的方法 计算机动酒是汁算机图形学和艺术相结合的产物，综台利用了计算机科 学、艺术、数学、物理学和其它相关学科的知谚 。在汁算机上生成丰富多彩的 虚拟真实出面，在电视业，工业界，飞行模拟，建筑业，广告娱乐业和科学计 剪可视化等领域有广泛的应川。一般来说，计算机动画有下面几种技术。 2 2i 关键帧动画 关键帧的概念来源于传统的 通片制作。在早期w a l ld i s l l e v 的制作室，熟 练的动画师设汁 通片中的关键画面，也即所 野的关键帧，然后由一般的动画 师殴i p 中间帧。在二维计算机动1 1 3 1 i 中，叶问帧的生成| f 讣算机求完成，插值代 第7 页 第二章研究现状概述 替了设计中间帧的动画师。所有影响画面图象的参数都可成为关键帧的参数， 如位置、旋转角、纹理的参数等。火键帧技术是计算机动幽l1 1 晟基本并且运用 最广泛的方法。 2 2 2 变形动画 一般的刚体动丽，虽然也能给人带来眼诧缭乱的视觉效果世总是缺乏生 气。传统动画的许多效果用兰维动域还很难做到，但计算机动画的研究者们在 形状变形方面i 做r 小少出色的工作，如2 3 。对于由多边形表示的物体，物体 的变形可通过移动其多边形顶点来达到。但是，多边形的顶点以柴种内在的一 致性相关连，不恰当的移动根容易导致三维走样。而参数曲面表示的物体可较 好地克服上述问题，移动控制顶点仅仅改变了基函数的系数，曲面仍然足光滑 的，所以可处理任意复杂的变形。f r 是这种方法也会带来三维走样问题。与物 体表示无关的另一种变形方法是自由变形方法( f r e e - f 0 r i nd e f o r m a t i o n ，f f d ) 。 不直接操作物体，而是将物体嵌入一个空间，当此空问变形时，物体也随之变 形，如工作7 1 。 图2 3 变形动厕 2 2 3 过程动画 过程动画指的是动画中物体的运动或变彤由个过程来描述。最简芏| l 的过 程动画足用一+ 个数学模型去控制物体的几何形状和运动，如水波随风的运动。 较复杂的则包括物体的变形、弹性理论、动力学、碰撞检测等。另一类过挥动 画为粒子和群体的动画。粒了系统动画是由r c o v “于1 9 8 3 年提m 的4 l 。这种方 法把造型和动画连成一体，认为个物体由一系列的粒子来表示，根据各自的 动画，每个粒子都要经历“出生”、“运动和生长”及“死i 、一”三个阶段。动 画脚本小仪可控制粒子的位胃利速度，还u - 控制粒子的外形参数虫颜色、人 第8 页 实时交互的植物虚拟舞蹈动画 小、透明度等充分体现j 不规则物体的动态性和随机陀，可以较女r 地模拟动 态的自然景色如火、云、水等。 2 2 4 关节角色动画 在三维计算机动画中，把人体作为其中的角色一直是研究者感兴趣的日 标，也是计算机动画巾最富挑- 饯性的课题之一。正向运动学和逆向运动学是设 置关节动画的两种卜分有效的方法。通过对关节旋转角设置关键帧，得到相关 连的各个肢体的位置，这利- 方法一般称为正向运动学方法。但通过发置备个 关节的关键帧来产生逼真的运动是二怍常繁杂的，也是非常困难的。一种实用 的解决方法是通过实时输入设备记录真人各关 ，的空间运动数据，即运动捕 捉( m o t i o nc a p t u r e ) 。逆向运动学方法在一定程度上减轻了正向运动学方法的 繁琐工作，用户通过指定术端关节的位置，计算机自动计算出各中间关节的位 置。逆向运动学方法虽然能求得所有解，但随着关节复杂度的增加，计算复杂 度也急剧增加，分析求解的代价也越来越大。与运动学相比，动力学办法能生 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鼍 相当大，且很难控制。在机器人学中关节控制应用较多，如1 3 1 的工作可以应 用到本文的系统巾。 2 2 5 基于物理的动画 基于物理模型的动画技术足8 0 年代后期发展起来的。尽管该技术比f # 统动 画技术的计算复杂度婴赢得多，但能遁真地模拟各种自然物理现象，这是荩于 几何的传统动画生成技术所无法比拟的。基j ：物理模犁的动丽技术考虑丫物体 在真实世界中的属。p e ，如具有质量、转动惯矩、弹性、摩擦力等，并采用动力 学原理来自动产生物体在各个刚。问点的何黄、方向及其7 眵状。此外，动l m i ! | 口不 必天心物体运动过程的细节，j 需确定物体运动所需的一些物理属性及一些约 昧关系，如质疑、外力等。 s a g c c vo 。r e 等1 4 1 建护的局部物理模型一l i l ed l g i r a lm a r i o n e t t e 与本文的模型微相似。用户可以川手柄交互控制地人体骨架的运动，并能给 特定音乐配以相应的舞姿。系统叶l 也引入了转动惯量( ar i ) ，弹性系数( i ( ) 和叭 尼f c l 等概念，但其主爱模拟了膝关节和罡粜关节，l 刚l 双脚1 i 能同时离外地| 1 1 。 第9 页 第二章研究现状概述 另一方面，由于为了防l 匕骨架出现因为力的不j i 衡而摔倒的现象，他们在模型 ，有意忽略，可能会导致骨架摔倒的分力，所以在最后的动画巾，小能实现骨 架的前倾和后仰等动作，l 酊且在交互控制过程中，对各个关节物理属性豹设 置也是有限的。另外，c l ，e t - ge ta l _ 【l g l 利用质点的连接模拟了布料在风q j 的运 动，而且把分析计算分解为水平和垂直两个独立的方向，通过这种简化，系统 可以进行实时模拟。南此可见，在基于物理韵动画中为r 达到实时的效果，在 一定假设条件下化简模型和运动求解是非常必要的。 2 2 6 几种方法在本系统的综合运用 本文的系统就是一卜面几种办法的综合运用。所有模型郁是基于弹性关节 的骨架模型，这就是关节动画。而舞蹈姿态的变换是由l a g r a n g e 动态方程控制 的，这都是基于物_ 的动画方法。系统的脚本是姿态的顺序编排，可以把脚奉 的每一行看作是一个关键帧，但这里的插值过程是系统根据物雕原理自动完成 的。由于交互控制和碰撞检测都用到了无质量的弹簧模型，也是基于物理的。 其实用交互控制模型以设计姿态，也町以看作是模型由静止状态的变形过程。 最后的群体控制和随机脚本动画则完全由数学模型来确定，闲此属于过程动 画。此外，分层控制的方法也是在计算机动画中广为应用的，在本文系统的姿 态设计和群体控制中都采用了高、低两层的控制，用户与系统的交互就是通过 高层控制实现的，而底层则完成相应的运动控制。 另外应该注意到人：j ：智能的方法已经大量府用到计算机动画中，例如陆汝 钤等f 6 】1 在研究从故事剑动画片的过程由汁篼机辅助而自动完成，还有涂晓媛 等人f 3 4 开发出的有智能鱼，刘丹等人f 6 2 】用机器学习的方法分析音乐情感。 按照计算机动画专家nm t h a l n l a n i l 和d t h a l m a n n 的观点，今后的计算机动l f | i 的一种发展趋势将足涉及具有人的意识的虚拟角色的动画系统。动画系统的最 终目标是动画能够从自然讲言描述的脚术开始由计算机自动地生成。f 2 9 1 本文 的系统下一步的工作就是引入人工智能的方法对音乐进行分析，并完成舞蹈与 占乐的自动匹配。 2 3 音乐与舞蹈动画 音乐与动i 画是密4 i i u 分的，几乎所有的动画片都眦自i 与其动作相协调的音 第1 0 页 实时交互的植物虚拟舞蹈动画 乐。恰当的音乐增强了动画的感染力，i 叮合适的动丽也订助 ：表达爵乐的| j 涵。哥乐和动画的完美结合足现今多媒体技术发展的趋势，而利用计算机自动 或辅助实现这一结合匀- 着重要意义。 2 31 音乐可视化 这里的音乐叮视化f m u s i cv i s l l a 1 i z 札i o n ) ，是指建立特定的町视化模型，在 虚拟的二维或三维空间里用形象米联示音乐的方法。目前，计算机科学家在从 事这方面的研究和探索，利用汁算机自动生成能够反映音乐内涵特征的图形或 图像，将音乐和可视化的对象有机地统一起来。另一方面，越来越多的音乐家 也加入到这个领域中来，他们在强涮聋乐给人带米的听觉感受的同时，试图通 过各种形式的可视化效果，i 司时给人们带来视觉上的冲击，刨造，新的艺术效 果和艺术氛围甚至还开创丫种新的音乐形式j 视的音乐f v i s u a lm u s i c ) 。 这里着重讨论的是前者如图2 - 4 所示其主要包括三个部分： 蠹裟，剧警蚓勰 帅计i 砒a 驴 曲 图2 4 疗乐可讹化的系统似陶旧 f 1 1 提取爵乐信号箍涵的爵乐特征 f 2 ) 建立适当的可视化模型 ( 3 ) 建立音乐特征与可视化模型间的映射 相关j = 作包括如n x a sa & mu n i v c i s j l y 的s n l i t i i 和w m i a n 峙| 5 l 充分利川颜 色干二维立体空问，把m i d i 1 l c 出i 儿s t i ，l l n l ( 1 i l td i g i t “i n t e l f a 【，e ) 格式用图形 化表示。空间中的三个世标轴分别表示音高( 1 ，i l c l l ) ，乐器( i n s t r u m m t ) 和寸 问( t i m e ) ，而虚拟球的大小来表示二前的音量( v o l l n l c ) ，颜色表示柏应的爵 色( i _ i i l l b i e ) 。这样各个乐器演奏的乐音( i o n c ) 川。视化为一系列小同形状和人小的 第j | 页 第二二章研究现状概述 球，表现了单音的长短高低和出现时问。而伞部所有这些球的系列就表示了整 个乐曲。还有k i m 等人6 1 开发的”m u s i c a 】g a l “y ”，用行星阿习绕太远转动的模 型米实现音乐r 视化；另一方而，系统提供_ 厂交互漫备，便用户可以通过予指 出打传感器而其力度，以及于势的放松和用力却控制了音乐的音符演奏的强 度( n o t ei n t e l l s i t y ) 和进度( i ) r o g r e i ( ) 1 1 ) ，以及栏茸曲子的节拍( t e n l p o ) 。这样， 用户不仅仅是被动的接受者，而是主动去欣赏音乐，使用户感觉剑好像自己正 在指挥一个乐队。 2 3 2 舞蹈动画 图2 - 5 舞蹈记求语舞b c 删5 i ln 。o a j 。nf 1 2 就像音乐n 勺乐谱样，舞蹈表演也是叫以“写”下来的。目前主要存在两 种图示化的舞蹈语言：l a b o t a t i o l l fr i l d o i fv 0 i ll a b a n 于1 9 2 8 提，之后山a h u l c l l i n s o n 发展完善) 和b e n c s hn 。t a n 0 1 1 f r m d o l fb e n e s h ，1 9 5 5 ) ，如图2 - 5 。但与 乐谱不样的是，只有很少的艺术家能够到解舞蹈语言，因此如何“可视 化”那螳用这种方式记录卜- 米的宝贵资料就址一个急切的问题。另一方面，在 舞蹈序列的保存和舞蹈教育等疗面，计算机动画千 l 比于视频记录有更强的优 势，冈此已经有很多工作致力于用虚拟的舞者重现被保存下来的动作序列， 如f l o 阳if 1 2 就是分别针对j ：述阿种记录语言的系统，都采用了关节动丽的方 法，而且更侧重j 二系统| | 勺实时性和对隋感的表现力。p a u l 和n a n c y 9 研究，芭 莆舞( b a l l c c ) 角色动画中的错误刈j 二j = ! l ! 觉感受的影响，发现人们刈r 水平方向上 第1 2 页 安时震互的植物虚拟舞蹈动画 的速度比垂n 方向更为敏感，加速时的变化比减速寸更i 必显，这都是在本系统 一l ，需要注意的。 l i 等f 17 1 建立了一个两层的统计模裂来学习和处理运动捕捉的样本数据。充 分利用了舞蹈中的很多荩本动作具有重复性的特点，将之类比为二维纹理中的 纹理单元，具有相似的莺复性，能在开始姿态( p o s e ) 和结束动作的约束下，自 动选择运动纹理单元f l i l o “o nt e x t o n ) ，整个舞蹈运动就是在有限个运动纹理单 元中的切换转移。另外，k i me ta 1 1 5 1 在2 0 0 3 年研究了运动木身的节拍( m o l i o l l b e a t ) ，可以应用到诸如舞蹈，队列行进等有节奏的行为( r h y 池m i c m o t i o n ) 。这 些工作对本文有重要的腑发，舞蹈中的很多动作片断都是有舰律的，也是重复 的，其实动作也是基本姿态的组合。存系统的设计中，我们为每个模型都建立 了姿态库，每一个姿态都类似于照”上的一个p o s e ，是静态的。然后山姿态编 排山脚本片断和最后的表演脚本，这就是由静态姿态之间的连续转移以产生动 作，而h 脚本片断是可以承复使用的。 2 3 3 声音与动画的结合 虚拟主持人近年来成为研究的热点，而且已经有实际的应用，其一个难 点是如何让虚拟人物的表情和口形能够与语言相配合。人的表情足如此的精 妙，而且人们义足对人物的再种动作行为极其敏感，难度可想而知。但这些不 是本文关心的话题，我们虹注意其中用语音驱动动画( s i ，c e d ld r i 、r e n ) 的工作， 如f 1 8 1 还从语音信号中提取，感情网索，最后的动画能够展示高兴，生气，悲 伤、中立叫种表情。 有了语言驱动就会何音乐驱动沁i cc l r i v e - ) 的动【面。英国剑桥火学 的c a r d l e 等人1 1 1i 刊叫分析m i d i 和a i l ( 1 i o 格式的音乐，提取出不i 一层面的信 息，共同驱动行为运动。本文系统的最终日标就是建市由音乐驱动的、一动 的、能够符合节奏和情感的舞蹈动厕，与上述研究是相似的。 5 2 ，1 植物动画 植物的建模是计算机阁形学的挑战之，现存u 经j 。泛戍j h 的力法有i ，系 统、分析结构、粒了系统等。仵本文中没有过多涉及到植物豇实感绘制 2 l 】和 第1 0 页 第二章研究现状概述 植物牛长模型 5 9 】【1 9 1 2 0 等问题，1 而足侧重f 表现植物体的运动。 文章 g 3 】将植物枝条分解为不动枝条、可动枝条和波动枝条，采用非线性 力学理论和波动理论来分别求解可幼枝