[發明專利]一種基于極坐標系的三維動畫融合變形方法

有效

• 申請號: 201510081189.6
• 申請日: 2015-02-15
• 公開（公告）號: CN104658026B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 李然;鄭宇
• 申請（專利權）人: 北京春天影視科技有限公司
• 主分類號: G06T13/40
• 分類號: G06T13/40
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 溫子云,仇蕾安

技術領域

本發明涉及三維動畫技術領域，具體涉及一種基于極坐標系的融合變形方法。

背景技術

三維動畫技術，是近年來隨著計算機軟硬件技術的發展而產生的一種新興技術，可以方便快捷地制作出滿足導演需求的三維動畫或影視特效鏡頭。

三維動畫片的制作原理一般為：首先，利用三維軟件(比如3ds Max、Maya或Houdini)在計算機中建立一個虛擬的世界；然后，在這個虛擬的三維世界中添加場景和三維卡通角色等三維模型；最后，設定模型的動畫曲線、虛擬攝影機的運動軌跡和其它動畫參數，渲染得到角色動畫。

由于三維動畫技術具備可精確模擬真實景象、幾乎無創作限制等特點，目前被廣泛應用于娛樂、教育、軍事等諸多領域。

針對娛樂領域的應用，通常需要根據設計師提供的卡通人物造型，制作出具備相應外形的三維動畫角色，并賦予骨骼綁定系統，從而具有栩栩如生的動作或表情。

目前生成角色動畫的方法主要有：骨骼綁定方法，動作捕捉技術和融合變形。

骨骼綁定方法直接控制面部的多邊形變形，無需大量的目標模型，但它的缺點是需要綁定師精細調節各個關節點對周圍頂點的影響權重范圍和動畫師設置諸多參數和動畫曲線，才能完成動畫制作。

動作捕捉的方法，是在真人演員臉上布上幾百個跟蹤點，精確記錄下臉部在每個時刻的形態模型，它的缺陷是數據量巨大，并且得到的表情動畫數據只能用在與真人臉相近的臉部模型上。

融合變形(blend shape)需要針對所需動作的過渡狀態制作相應的目標模型，但是現有的融合變形是基于笛卡爾坐標系的，這意味著點從初始位置到目標位置的移動必然是直線，而人物體上的點的運動，比如眼簾的開閉、胳膊的彎曲或肌肉的隆起，其運動路徑一般都是曲線。所以動畫師為了符合角色的動畫特性，往往需要在動畫變化中插入多個關鍵幀，來手工保證動畫曲線是近似的圓弧。這不僅耗費動畫師的時間，而且動畫效果也會顯得有些僵硬。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種基于極坐標系的三維動畫融合變形方法，增強融合變形動畫(blend shape)的平滑過渡效果，同時減少動畫制作過程中的調整時間。

該基于極坐標系的融合變形方法，包括：

步驟一、針對運動軌跡為弧線的變形對象，建立2個以上的參考狀態；

步驟二、以變形對象的轉動中心為原點，建立三維極坐標系；所述三維極坐標系是由極坐標系擴展到三維空間中，形成的圓柱坐標系或球坐標系；

步驟三、將參考狀態中變形對象的三維笛卡爾坐標轉換為三維極坐標；

步驟四、根據目標狀態確定參考狀態的權重，基于所述權重對步驟三中的三維極坐標進行融合插值；

步驟五、將融合插值后的三維極坐標轉換回三維笛卡爾坐標，獲得融合結果；

步驟六、針對角色動畫中的每一幀重復應用上述步驟四～五，即可獲得完整的角色動畫。

其中，對于沿球形表面運動的對象的動畫制作，建立起點和終點的2個參考狀態，以球的中心為原點建立球坐標系。

優選地，針對沿球形表面運動的動畫，步驟四中所述融合插值采用球線性插值：

假設p₀是起點參考狀態下模型上頂點位置在球坐標系中的坐標，p₁是終點參考狀態下模型上頂點位置在球坐標系中的坐標，Ω為p₀與p₁之間的角度差；t為設定的取值范圍在[0,1]的狀態信息，t為0，表示在p₀位置，t為1，表示在p₁位置，t介于0和1之間表示處于p₀位置和p₁位置之間的過渡狀態；

那么p₀和p₁之間的線性插值公式如下：

通過上式獲得融合后目標狀態下模型上頂點位置在球坐標系中的坐標；其中，sin[(1-t)Ω]/sinΩ為起點參考狀態的權重，sin[tΩ]/sinΩ為終點參考狀態的權重。

其中，對于肢體的彎曲變形，建立肢體兩個以上的參考狀態，以肢體的轉軸為原點建立圓柱坐標系Coord，圓柱坐標系的z軸與肢體軸線重合，z軸為圓柱坐標系中的高度軸。

優選地，對于肢體的彎曲變形，所述步驟四具體包括如下子步驟：

子步驟S401：計算各參考狀態對當前目標狀態的影響值F_i；

子步驟S402：對圓柱坐標系Coord進行旋轉變換，使圓柱坐標系Coord的z軸與目標狀態下的胳膊軸線重合；