3- 表演动画系统中动画生成的关键技术

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1、表演动画系统中动画生成的关键技术蔡涛（tsaitow_cn@sina.com）金刚胡汉平华中科技大学图象识别与人工智能研究所，湖北，武汉430074图象信息处理与智能控制国家教委开放实验室一个完整的表演动画系统包括运动捕捉和动画驱动。在使用捕捉设备获得了表演者的动作后，必须通过动画驱动才能得到最终的动画序列。动画驱动是表演动画系统的关键组成部分，涉及到关节动画技术、运动编辑技术和三维角色造型技术。一、关节动画技术使用关节骨架来表示人类或者其它骨架动物的身体结构是表演动画技术中最主要的思想。着重于这方面研究的技术就是关节动画技术，它是一项非常复杂的工作，其中的许多运动控制手段仍

2、亟待解决。随着计算机技术的发展，近年来市场上销售的动画制作系统中，使用骨架控制三维动画角色已是非常流行。在这些系统中，角色的骨架定义为一系列的骨件，而包裹这些骨件的“皮肤”则是一个顶点网。每个顶点的位置将会受到一个或者多个骨件运动的影响而变化。因此，只要定义好角色模型的骨架动作就可以实现栩栩如生的动画了，而被定义为皮肤顶点的运动则会以数学公式的方式生成。使用关节骨架系统，动画师可以非常容易的设置和控制三维角色关节旋转点动画，他仅需要专注于角色骨架的动画，随后系统可以自动建立一张几何“皮肤”（表示这个角色的外观）并将其附着在骨架上。本质上讲，关节动画系统是分层的，故可以使用有效

3、的方法控制动画角色。实现骨架动画的算法主要有运动学方法和动力学方法。左图是一种关节定义；右图为关节与人体动画的对照效果运动学（Kinematics）方法在表演动画系统中，动画角色的骨架是一些与肢体相对应的骨件组成，关节是两个骨件结合的地方。两个骨件之间的角度称作关节角。一个关节最多可以有三种角度：弯曲角、绕曲角和扭曲角。在已知关节链中每个关节的角度和关节长度的情况下，求解各个关节相对于固定坐标系的位置和方向，这种方法叫做正向运动学（ForwardKinematics）。虽然在机器人学中对类似运动的控制进行了大量的研究，但对于一个缺乏经验的动画师来说，通过设置各个关节的角度来产

4、生逼真的运动是非常困难的。反运动学（InverseKinematics）与正运动学相反，它是在给定链杆末端的位置和方向时，计算出各关节的位置与方向。反运动学是角色动画中的一个巨大突破，为角色动画提供了一种目标导向的方法。通过反运动学算法，动画师可以仅使用单个把柄控制整个关节链。例如一个手臂，它的把柄可以是手臂末端的手掌。当然，也可以使用外部数据来驱动这些控制点。换句话说，动画师通过反运动学能够设计一个骨架结构并用运动捕捉系统采集的数据来驱动。典型的数据由三维空间中运动的点集构成，它们代表了每帧图象中表演者身上传感器的位置。即使是一个传感器数量有限的运动捕捉系统，通过反运动学也

5、可以生成复杂结构的动画。然而，如果我们直接使用这些数据驱动控制点或者把柄，我们会很快发现动画模型的动作与真实演员的动作并不相近。事实上演员真实的骨架结构相当复杂且并不是很容易通过数学来描述，更加复杂的是皮肤的影响和下层肌肉效果相结合的结果。解决问题的一个方法是将数据集与控制点松散的联系起来。我们可以让数据集影响控制点但是在反运动学求解过程中对骨架结构运动施加约束和限制。即便是我们的三维数据相当精确，数据所表达的与我们试图建立的复杂物体模型之间仍然存在者基本的差别。动力学(Dynamics)方法基于运动学的系统通常缺乏直观的动力学真实性，动画效果看上去与重力或者惯性等最基本的物

6、理事实不相符合。只有那些受外力和力矩影响的物体运动才可能是真实的。我们可以使用外力、力矩、对物体的约束以及物体的质量特性建立方程。这些力和力矩可以是各种形式的：1）来之于关节链的力矩；2）来之于绞接点的外力；3）诸如与其它物体接触或者手臂扭曲的外部影响力。在动画控制中引入动力学有以下优点：1）可以呈现出自然现象的真实感；2）动画师可以不必依据实体的物理特性来描述运动；3）肢体可以自动对内部和外部环境的约束如重力场、碰撞、外力和力矩产生反应。然而也有一些严重的缺点：1）有时参数难以调整因为没有任何先验知识的指导；2）使用数值方法求解复杂关节骨架的运动方程需要大量的时间；3）基于

7、动力学的运动太过正规。二、运动编辑技术为什么要动作编辑(Motionediting)？既然运动捕捉技术可以为我们提供完美的肢体运动轨迹，那么为什么要对其进行编辑呢？实际上，运动编辑不仅可以修补运动捕捉结果中的。而且还可以给动画师带来极大的便利。运动捕捉编辑的必要性在于：ò完善和整理：修改捕捉的数据使之可以精确反映表演运动并精确重建运动；ò数据复用：捕捉的运动数据只是对某一事件精确的记录。如果我们希望复用这些数据而只有一些细微的不同，比如不同的角色或不同的动作，那么我们就必须编辑数据。ò建立不可能的运动：