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计算机辅助卡通角色动作姿势编辑与插值

杨文武  
【摘要】: 1906年,第一部卡通动画《滑稽脸的幽默相》(Humorous Phases of Funny Faces)诞生。经过上百年的发展,卡通动画已走入了人们的日常生活,现在许多年青人就是伴随着各种引人入胜的卡通动画片,如《黑猫警长》、《葫芦娃》、《猫和老鼠》以及《唐老鸭和米老鼠》等,快乐成长的。卡通动画是动态影像,它由一系列静态画面按照一定的速率连续播放而形成。其中,每一幅静态画面称为一帧。以一个播放速率为8帧/秒的15分钟动画片为例,在这部动画中包含了大约7200帧。卡通动画的每一帧画面中通常包含有多个卡通角色,每一个卡通角色有着相应的动作姿势。在传统卡通动画制作流程中,这些卡通角色动作姿势都是通过动画师手绘创作完成的。显然,即使创作一部短片,动画师们也需要付出大量的工作。而制作一部高质量的卡通动画长片,更是需要大量的人力以及资金的投入。 本文针对传统卡通动画制作中角色动作姿势创作工作量大的问题,提出了计算机辅助卡通角色姿势编辑与插值方法,力求为动画师们提供高效的创作工具。在本文中,我们提出了两类计算机辅助方法:一类是卡通角色操作。利用这类方法,用户只需要简单地拖动鼠标,即可以设计出所需的卡通角色动作姿势;另一类是卡通角色关键姿势内插,这类方法可以自动建立卡通角色关键动作姿势之间的特征对应关系,插值生成相邻关键姿势之间的光滑过渡姿势。本文的结构如下: 在第一章绪论部分,我们首先对卡通动画的历史以及传统制作流程进行了简要介绍,回顾了计算机辅助卡通动画制作技术的兴起及发展过程。介绍了计算机辅助卡通动画制作的几个代表性技术与软件,分析了它们的基本原理以及各自的优势与不足。在此基础上,指出了高效的计算机辅助卡通角色动作姿势生成研究工作的意义、前景以及难点。 在第二章中,我们介绍并分析了与计算机辅助卡通角色姿势编辑和插值相关的研究工作。针对与卡通角色姿势编辑相关的方法:自由变形方法、骨架驱动方法、基于物理的方法以及基于微分域的网格曲面编辑方法,我们详细介绍了各类方法的基本原理并得出了它们各自的特点与不足。另外,对于卡通角色姿势插值中涉及到的两个基本问题:特征对应和路径插值,我们详细介绍了相关解决方法,并综合分析了这些方法各自的优势与不足。基于对各种方法的分析并结合我们的研究目标,提出了我们研究工作的技术路线。 在第三章中,我们提出了一系列卡通角色操作方法,这些方法为计算机辅助卡通角色动作姿势创作提供了高效、灵活的工具。本着由简单到复杂的原则,本章的具体内容包括: ·首先,针对由简单多边形表示的卡通角色,提出了一个硬度可调的卡通角色操作方法。该方法通过“单击并拖动(Click-and-Drag)”的方式,使得用户只需简单地拖动鼠标就能够产生各种角色姿势。在该方法中,我们建立了特定的变形能量函数以尽量避免角色在操作过程中发生扭曲,从而得到了拟物理的、具有视觉真实感的角色姿势效果。另外,该方法还允许用户调整角色的整体和局部硬度,以模拟卡通角色在不同材质或者异质材料属性下的变形效果。并且,通过利用快速求和算法(Fast summation),该方法能够让用户实时地交互编辑角色姿势。 ·其次,针对使用上述操作方法得到的结果可能与卡通角色的几何拓扑不一致的问题,提出了一种考虑拓扑结构的卡通角色操作方法。该方法保留了上述方法的主要优点:整体和局部硬度可调以及实时交互,并有效地避免了上述方法可能产生的不自然的角色操作结果。另外,该方法还可以推广至操作其它二维对象,如曲线和条棍图(Stick Figure)。 ·最后,针对由相互分离、连接或者覆盖的多条封闭或开曲线所描述的复杂卡通角色,提出了一种由“广义伪骨架”驱动的角色操作方法。该方法通过优化由刚性能量、协调能量以及位置约束能量组合而成的能量方程,实现“广义伪骨架”的约束变形,进而驱动卡通角色的形状发生变化。操作过程中,该方法不仅保留了卡通角色的特征细节,而且协调了角色上不同特征之间的变形位置,最终得到了自然的角色姿势效果。利用该操作方法,用户同样可以通过简单的“单击并拖动”方式为具有复杂几何结构的卡通角色设计出所需的动作姿势。 在第四章中,我们提出了卡通角色关键姿势插值方法。这些方法与二维形状插值技术密切相关,它们为卡通角色动作姿势的中间帧提供了自动生成工具。本章具体内容如下: ·本文首先提出了一个平面多边形特征对应算法,它能够高效且鲁棒地自动完成两个多边形之间的特征匹配。以此为基础,我们可以半自动地建立具有复杂几何结构的两个关键姿势之间的特征对应。 ·特征对应关系建立之后,我们提出了一个快速的两级层次路径插值方法,以插值卡通角色的关键姿势。该方法不仅适用于多边形表示的角色关键姿势,并且也适用于由相互分离、连接或者覆盖的多条封闭或开曲线所描述的复杂角色关键姿势。在插值过程中,该方法可以有效地保持关键姿势上的特征细节以及特征之间的相对位置关系。即使当相邻关键姿势具有较大朝向差别时,该方法仍能为它们生成自然光滑的过渡姿势。 最后,我们总结了本文的研究工作,列出了尚存在的问题,并指出了将来的研究方向。


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