【摘要】：角色動畫是計(jì)算機(jī)動畫領(lǐng)域的核心問題之一,其研究目標(biāo)在于依據(jù)動畫角色的自身屬性、所處環(huán)境、運(yùn)動目標(biāo)等約束,快速有效地生成相應(yīng)的運(yùn)動序列。兩足和四足角色是角色動畫領(lǐng)域的兩個主要研究對象。其中,隨著運(yùn)動捕捉設(shè)備的廣泛使用和兩足角色運(yùn)動數(shù)據(jù)的大量積累,兩足角色運(yùn)動合成與識別研究得以迅速發(fā)展。然而,以四足陸地動物為代表的四足角色形態(tài)多變、種類繁多,適合運(yùn)動捕捉的物種卻屈指可數(shù)。造成了四足動物的運(yùn)動數(shù)據(jù)稀缺,進(jìn)而導(dǎo)致了四足角色運(yùn)動編輯與合成的研究相對滯后。另一方面,相對于兩足角色,四足角色在運(yùn)動時擁有更為豐富的步態(tài)模式和足跡約束,并且結(jié)構(gòu)平衡性更為穩(wěn)固,使得基于物理模型的運(yùn)動生成方法成為獲取四足動物運(yùn)動序列的有效渠道。因此,本文使用低維物理模型對四足動物運(yùn)動模型進(jìn)行抽象,并以動態(tài)的步態(tài)約束驅(qū)動低維物理運(yùn)動生成,從而提出了一種面向四足動物的運(yùn)動生成方法。用戶僅需要輸入直觀簡便的步態(tài)圖或速度信息,輔以少量的交互代價(jià)即可快速生成自定義四足運(yùn)動。本文的主要研究內(nèi)容包括:(1) 一種面向四足動物運(yùn)動生成的低維物理模型。提出了一種面向四足運(yùn)動的低維物理模型:首先,該模型使用“質(zhì)點(diǎn)”和“剛體約束”來描述骨骼動畫中動畫角色的“關(guān)節(jié)點(diǎn)”和“骨骼”,并建立了相應(yīng)的物理解算器;其次,通過建模線彈簧和扭力彈簧結(jié)構(gòu),對軀干、四肢、頭尾等肢體分別進(jìn)行低維抽象;最后,基于四足動物生理和物理自由度的先驗(yàn)知識,構(gòu)造約束隊(duì)列修正低維物理模型的生成結(jié)果�；谠撃Ｐ�,用戶通過少量的交互即可快速生成具有視覺真實(shí)感的四足動物運(yùn)動,也能夠通過參數(shù)微調(diào)生成具備自定義風(fēng)格的運(yùn)動。(2) 一種面向低維物理運(yùn)動生成的動態(tài)步態(tài)約束模型。提出了一種動態(tài)步態(tài)約束模型。該模型能夠依據(jù)瞬時速度動態(tài)地對步態(tài)模式和步態(tài)參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃,也能夠通過識別步態(tài)圖估測運(yùn)動速度。而后,基于所得到的步態(tài)參數(shù)和速度,并依據(jù)生物在運(yùn)動中所遵守的能量優(yōu)化原則,建立腿部關(guān)節(jié)運(yùn)動與時間、地形、步態(tài)之間的關(guān)聯(lián)模型,實(shí)時規(guī)劃每次擺腿動作的自適應(yīng)足跡曲線。對于運(yùn)動轉(zhuǎn)向的情形,制定了頭部、軀干和足跡各自的轉(zhuǎn)向策略,從而能夠依據(jù)目標(biāo)方向生成相應(yīng)的足跡和全身約束。(3) 一個通用于四足動物的快速運(yùn)動生成系統(tǒng)。為了輔助用戶快速生成多樣化的運(yùn)動,在現(xiàn)有步態(tài)約束模型和低維物理模型基礎(chǔ)上,為提高數(shù)據(jù)和參數(shù)的可重用性進(jìn)行了相應(yīng)的研究,其主要內(nèi)容包含:針對輸入的四足骨架的自動關(guān)節(jié)匹配和語義識別、基于形態(tài)相似度的層次化運(yùn)動重定向以及面向風(fēng)格化運(yùn)動生成的語義標(biāo)簽運(yùn)算規(guī)則。在這些基礎(chǔ)上,將研究成果整合為一套能夠自動批量導(dǎo)入角色、快速生成目標(biāo)運(yùn)動、并支持通過語義標(biāo)簽操作實(shí)現(xiàn)風(fēng)格化的四足動物運(yùn)動生成的系統(tǒng)。
[Abstract]:Character animation is one of the core issues in the field of computer animation. Its research goal is to generate corresponding motion sequences quickly and effectively according to the character's own attributes, the environment and the constraints of moving objects. With the extensive use of biped character motion data and the accumulation of biped character motion data, the research on biped character motion synthesis and recognition has been developed rapidly. However, the quadruped terrestrial animals represented by quadruped terrestrial animals have a variety of shapes and species, but few species are suitable for motion capture. On the other hand, compared with biped characters, quadruped characters have more abundant gait patterns and footprint constraints, and their structural balance is more stable, which makes the method of motion generation based on physical model become an effective way to obtain quadruped motion sequences. A quadruped-oriented motion generation method is proposed by abstracting the quadruped motion model from the low-dimensional physical model and driving the low-dimensional physical motion generation with dynamic gait constraints. Users need only to input intuitive and convenient gait maps or speed information, and with a small amount of interaction cost, they can quickly generate customizations. The main research contents of this paper include: (1) A low-dimensional physical model for quadruped motion generation. A low-dimensional physical model for quadruped motion is proposed. Firstly, the model uses "particle" and "rigid constraint" to describe the "joint" and "bone" of animated characters in skeletal animation, and establishes the model. Secondly, low-dimensional abstraction of trunk, limbs, head and tail is carried out by modeling the structure of line spring and torsion spring. Finally, based on the priori knowledge of quadruped physiology and physical freedom, a constraint queue correction low-dimensional physical model is constructed. A dynamic gait constraint model for low-dimensional physical motion generation is proposed. The model can dynamically generate gait patterns and gaits according to instantaneous velocity. Then, based on the obtained gait parameters and speed, and according to the energy optimization principle observed by organisms in the movement, the correlation model between leg joint motion and time, terrain and gait is established, and the adaptive footprint curve of each swing leg movement is planned in real time. (3) A general fast motion generation system for quadrupeds. In order to assist users to quickly generate diverse motions, existing gait constraint models and low-dimensional physics are used. On the basis of the model, the reusability of data and parameters is improved. The main contents include: automatic joint matching and semantic recognition for input quadruped skeleton, hierarchical motion redirection based on morphological similarity and semantic label operation rules for stylized motion generation. The research results are integrated into a set of quadruped motion generation system which can automatically import roles in batches, quickly generate target motion, and support stylized quadruped motion generation through semantic tagging operation.
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.41

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本文編號：2214174