[发明专利]一种实时自动骨骼绑定和蒙皮的方法和系统

说明书

本发明属于动画制作流程的技术领域，尤其为一种实时自动骨骼绑定和蒙皮的方法和系统，包括从其他姿势到LBS变形姿势的转换、计算出顶点p的旋转中心(CoR)相似度函数、连续域中的解决方案、三角形网格的计算和运行算法，所述在预先计算优化后的其他姿势和蒙皮下每个顶点的旋转中心权重，在运动时，这些旋转中心用来为每个顶点进行插值刚性变换。本发明的蒙皮算法与其他算法相比，可在保持实时性能的同时显着减少LBS和DQS的失真并且与现有的动画制作流程完全兼容。

技术领域

本发明属于动画制作流程的技术领域，尤其涉及一种实时自动骨骼绑定和蒙皮的方法和系统。

背景技术

制作能够适用于各种角色的蒙皮算法对于动画制作领域至关重要。蒙皮算法必须通过一系列控制器在关节周围产生高质量、细致的形变。在许多有效的蒙皮算法中，基于骨骼的算法是使用最广泛的，通常使用简化版的骨架作为控制器，角色形变通过绕其关节旋转的骨骼产生。每个骨头的动作转变为它所绑定的肢体的形变，皮肤形变通常出现在关节表面附近的区域，这个区域受两个或多个骨骼的形变影响。

目前线性混合蒙皮(LBS)和双四元数蒙皮(DQS)使用最广泛，已在大多数游戏引擎，虚拟现实引擎和3D动画软件中应用，LBS和DQS是具有封闭解的直接方法，其中每个顶点变换计算为骨骼的加权混合变换，LBS和DQS都只需要用户提供每个顶点的蒙皮权重和每个帧的骨骼转换，这些都是很直观的输入，用户可以轻松地使用工具绘制权重，而计算LBS和DQS的形变不同，它们的实现方式非常相似，是使用GPU顶点着色器计算顶点变换最有效的方法。由于其方法的简单性和高效率，LBS和DQS是实时应用的实际标准，甚至对于性能不太重要的离线渲染也是如此。LBS和DQS仍可以作为基础发挥重要作用尤其是在实时应用方面。两种技术在很多方面的应用都可以高效地进行计算。尽管LBS和DQS具有出色的性能，但它们在形变的质量上也具有一些缺陷，特别是在一些特殊的姿势中，LBS中有两种所皆知的缺陷，分别是肘关节塌陷和封套扭曲，这些都是由于线性混合导致的体积损失产生。DQS消除了这些两个缺陷，但会引入关节凸起的缺陷，这是因为DQS内插围绕旋转中心的旋转关节旋转导致例如肘部塌陷，封套扭曲和关节周围鼓胀。由于LBS和DQS的普及，在不更改动画流水线或不显着增加计算成本的情况下减少这些缺陷将具有很大的好处。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，一种实时自动骨骼绑定和蒙皮的方法和系统，包括从其他姿势到LBS变形姿势的转换、计算出顶点p的旋转中心(CoR)相似度函数、连续域中的解决方案、三角形网格的计算和运行算法，所述从其他姿势到LBS变形姿势的转换通过计算刚性(正交)骨骼变换矩阵[R_j t_j]中静止姿态顶点p的变换矩阵[R_pt_p]静止姿态Ω和蒙皮权重W，旋转R_p是直接由四元数线性计算的插值(QLERP)，所述转换t_p是基于这样的假设间接推论的：具有相似蒙皮权重的顶点v将具有与[R_p t_p]相似的变换，所述使用所有顶点{v}的集合来从初始LBS变形中计算出更好的平移。

所述顶点p的旋转中心(CoR)相似度函数是经过计算出来的，包括顶点p和v的两个蒙皮权重之间的相似度为s(w_p，w_v)，所述相似度定义为等式(1)

中成对项的和，

所述权重w_pjw_pkw_vjw_vk的乘积为骨骼j和骨骼k的贡献，所述差(w_pjw_vk-w_pkw_vj)为归一化蒙皮权重空间中的距离。