[发明专利]软骨骼动画生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及动画领域，具体涉及一种软骨骼动画生成方法。

背景技术

骨骼动画是目前动画领域最流行，也是最复杂的角色动画，与传统的关键帧动画不同，骨骼动画是一种通过运动的“骨骼”来驱动三维顶点网格模型运动的计算机三维动画制作方式，用于在电影和计算机动画中对通过计算机生成的人物自然运动进行描述。骨骼动画的思想起源于对自然界中生物运动特征的观察和总结。众所周知，自然界中几乎所有的动物都有一套骨骼用于支撑整个身体的运动，当骨骼进行运动时，依附于骨骼的皮肉器官等则随骨骼一起运动。因此当人们在进行三维图形处理时，为了能更好地模仿现实世界中的生物动作，就尝试着为组成动画角色模型的网格数据增加一套骨骼，用于设定网格模型的运动状态，骨骼动画也就应运而生。

骨骼动画把组成造型的骨架作为主要研究对象，通过骨骼的运动来对造型个体的运动特性进行描述，并通过骨架带动肌肉（绑定造型的表皮模型）来实现造型形体的变化过程。由于动画中造型结构复杂多样，不可能由一种骨架的运动来说明所有造型的运动特性，因此必须对骨架运动过程进行抽象和简化，用一种通用的方式来概括骨架运动的一般规律和运动方法，构造基于骨架关节链的运动仿真。关节链是开链结构，由一组刚体（也就是骨骼）通过一定的方式依此相连接而成，刚体与刚体之间的连接点称之为关节，而连接两个相邻关节的刚体则称为链杆，绘图过程中可以将其抽象为一条线段。在计算机动画中一般将关节链中的关节理解为旋转关节，也就是只能围绕关节进行旋转，而不能进行拉伸、延长以及其他变换，从而简化问题的描述和计算过程。在机构运动学中，关节链的起点被称为基结点，而其末端则称为末端效应器。如图1所示。

在对骨架的控制研究中，运动学法是一种较好的控制技术。通过把运动骨骼作为刚体，改变不同部分的状态，就可以对运动加以控制。考虑一个网格顶点绑定到第i根骨骼上的情况，每根骨骼都可以定义一个关联矩阵Bi，将其从骨骼的本地坐标系转换到骨架的坐标系中，这个变换仅依赖于该骨骼在和其父骨骼之间组成的层次结构中的位置。对于一个给定了旋转角度  的骨骼，其在骨架坐标空间中的变换配置可以由另一个骨骼的旋转矩阵  来表示。因此，要获得变换后的顶点W，我们首先要把初始点V从网格坐标空间（实际上就是骨架坐标空间）变换到骨骼自身的坐标空间中，然后再通过骨骼的旋转角度将其变换回骨架空间。换句话说，就是首先用Bi的逆矩阵将顶点V变换到骨骼坐标系中，然后通过  将其变换回骨架坐标空间。图2说明了这一变换过程。

方程式可以表示为：

                                                                                （1）

该等式描述了如何把一个骨骼变换的过程传播到其附加的网格顶点的过程。其中，矩阵Bi仅依赖于初始的骨架配置，因此可以重新计算并应用于整个动画序列过程。这就是骨骼动画的基础。

运动学可以分为正向运动学和反向运动学。我们把正向运动学理解为通过父骨骼带动子骨骼的运动过程，而反向运动学则是通过设定子骨骼的状态，方向推导父骨骼运动情况。下面以一个正向动力学的手臂模型为例来说明骨骼动画的动作转换过程。如图3所示。

设d₁表示骨骼1从其自身坐标系转换到骨架空间的转换向量；d₂表示骨骼2在骨骼1坐标空间中的转换向量；d₃则表示骨骼3在骨骼2坐标空间中的转换量，V_1，V_2，V₃分别表示骨骼1、骨骼2和骨骼3上对应的网格顶点（见图4-5），假设每个顶点只对应于一根骨骼。我们的目的就是当骨架分别旋转给定的角度后，找到V_1，V_2，V₃在变换后对应的顶点。设平移矩阵为T，则初始的骨骼矩阵如下：

                           （2）

当骨骼按照给定的骨节角度进行变换后，变换后的骨骼矩阵变为：

               （3）

其中，R表示一个旋转变换矩阵。根据式（3），我们就可以写出顶点坐标的转换过程表达式如下：

              （4）

由此我们可以得到转换后的顶点坐标数据。

骨骼动画是目前动画领域最流行，也是最复杂的角色动画，通过对其原理和实际动画制作应用过程进行研究，我们认为目前的骨骼动画缺陷主要在于以下几点：