動(dòng)畫自動(dòng)生成系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及其路徑規(guī)劃的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程、科研、文娛等眾多領(lǐng)域。中科院陸汝鈐院士于90年代提出的全過程計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)生成動(dòng)畫技術(shù)將人工智能技術(shù)和基于知識(shí)的方法引入動(dòng)畫生成的全過程，其目標(biāo)是有一個(gè)適當(dāng)?shù)墓适拢允芟拮匀徽Z言的形式輸入計(jì)算機(jī)，基于情節(jié)庫、場景庫、動(dòng)作庫等知識(shí)庫，將動(dòng)畫制作的全過程依靠計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，最終生成3D動(dòng)畫。應(yīng)用這一技術(shù)相繼研發(fā)了第一版《天鵝》系統(tǒng)和基于先進(jìn)的三維動(dòng)畫制作軟、硬件

2、的新版動(dòng)畫自動(dòng)生成系統(tǒng)。 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是動(dòng)畫自動(dòng)生成系統(tǒng)中的核心模塊之一，它首先在定性層生成定性的動(dòng)作描述序列，然后將定性描述通過定量層的動(dòng)作計(jì)算轉(zhuǎn)化為動(dòng)畫的定量描述，并在轉(zhuǎn)換過程中處理一系列子問題。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是底層動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，所有的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息都要通過該模塊生成。路徑規(guī)劃是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃定量層的一個(gè)重要的子問題，它的任務(wù)是在已知的動(dòng)畫三維空間中尋找一條由起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的無碰撞路徑。通過分類可以將動(dòng)畫中的路徑規(guī)劃問題細(xì)分，并使用智能的方

3、法來得到合理的、真實(shí)的角色路徑。本文詳細(xì)描述了動(dòng)畫自動(dòng)生成系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模塊及其路徑規(guī)劃子模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃部分，本文著重論述了系統(tǒng)中間語言的設(shè)計(jì)，其中動(dòng)作定性描述語言以《天鵝》系統(tǒng)的定性規(guī)范語言為基礎(chǔ)，通過綜合分析多類動(dòng)作，提取共同的關(guān)鍵屬性和參數(shù)作為定性描述屬性。動(dòng)作定量描述語言肩負(fù)著向動(dòng)畫文件轉(zhuǎn)換的任務(wù)，采用以角色為單位的關(guān)鍵幀序列進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述。對(duì)于動(dòng)作庫，本文通過三維動(dòng)作捕捉技術(shù)(Motion Captu

4、re)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，生成動(dòng)作的BVH格式文件后再轉(zhuǎn)化到動(dòng)作庫中。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的定量層——?jiǎng)幼饔?jì)算模塊負(fù)責(zé)將動(dòng)作的定性描述轉(zhuǎn)化為定量描述，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了這一轉(zhuǎn)化的完整流程。 在動(dòng)作計(jì)算中，動(dòng)作庫中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是利用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集生成的BVH格式數(shù)據(jù)，而最終動(dòng)畫是在Maya軟件中展示的，但Maya并不支持BVH旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的解讀，而是使用Euler角來表達(dá)旋轉(zhuǎn)信息，這就產(chǎn)生了一個(gè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)跨平臺(tái)轉(zhuǎn)換問題。本文提出了一種算法來實(shí)現(xiàn)B

5、VH運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)在Maya中的轉(zhuǎn)換，首先針對(duì)人體骨架的單個(gè)關(guān)節(jié)，利用矩陣等價(jià)的方法建立起B(yǎng)VH旋轉(zhuǎn)與Euler旋轉(zhuǎn)的關(guān)系，以求解對(duì)應(yīng)的Euler角，然后將這一方法應(yīng)用于整個(gè)骨架來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的轉(zhuǎn)換。 在三維路徑規(guī)劃部分，本文設(shè)計(jì)了地形建模算法和障礙物建模算法分別對(duì)動(dòng)畫場景的三維空間進(jìn)行劃分，并以八叉樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行保存，由于地形和障礙物模型的物理表達(dá)形式差別很大，建模后可對(duì)兩者進(jìn)行統(tǒng)一的表達(dá)。八叉樹不易表達(dá)場景的相鄰結(jié)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了鄰域查找算