CN102609970A - 一种基于运动元素复用的二维动画合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于运动元素复用的二维动画合成方法，步骤1：选取角色素材和运动序列素材，其中角色素材背景色单一且角色单一，运动序列素材是二维骨架模型的姿态序列；步骤2：对选取的角色素材进行预处理操作；步骤3：为角色造型绑定运动序列，合成角色动画。本发明在创作效率上得到了很大的提高，用户只需要为角色造型设定关键控制点，绑定运动骨架，通过复用运动元素，即可轻松地赋予动漫角色任何运动，大大简化了动画合成的操作流程，减少重复创作的开销；支持复杂的骨骼运动，使得生成的动画相对于传统计算机辅助创作的刚性变化更为自然。

Description

一种基于运动元素复用的二维动画合成方法

技术领域

本发明涉及计算机图形学中运动合成技术领域，特别涉及一种基于运动元素复用的二维动画合成方法。

背景技术

传统的动画创作方式以逐帧动画为主，如图1所示，传统的骨骼动画制作技术虽然也能够实现复杂动画的效果，但是局限性也很明显。该类动画的创作方式甚少或者完全没有结合计算机辅助技术。如图2所示，动画制作过程中，画师们需要不断重复地进行素材起稿、扫描、上色、合成场景、合成动画等操作，创作效率极低。设想一部24帧每秒、长达5分钟的动画，画师需要进行7200次起稿、上色和合成的工作。直至关键帧创作方式的出现，动画创作中才初步呈现计算机辅助的功能。在该技术的支持下，画师无需一一完成所有帧上的创作，取而代之的是，画师只需要完成关键帧上的创作，其他非关键帧上的画面由计算机合成。但是，关键帧动画只能实现简单的动画合成功能，对于复杂的角色运动效果，该技术无法提供理想的效果。需要实现复杂的角色运动效果，一般可采用骨骼动画技术。骨骼动画在三维动画世界中的应用已经是由来已久，然而，在二维动画中，该技术还没得到广泛的应用。原因有：1，该技术对角色造型的构造有一定的要求，其整体必须是可以分解为各独立的部件，部件间由关节点连接，连接处可以转动，通过调整各部件的旋转角度，可以使得角色造型发生形变；2，该技术产生的动画带有一定的局限性，变化效果十分僵硬，虽然可以作为一种特有的风格，但明显不能符合所有动画制作的要求。对于普遍的角色造型，其没有明显的部件构造，无法产生角色形变。为此，Alan Barr、Sederberg和Parry等人提出了一系列的自由形变方法（Free-form Deformation），相关参考文献有如下两篇：

[1] A. H. Barr, Global and local deformations of solid primitives, ACM SIGGRAPH, vol.18(3), pp. 21-30, 1984；

[2] T. W. Sederberg and S. R. Parry, Free-form deformation of solid geometric models, ACM SIGGRAPH, vol.20(4), pp. 151-160, 1986。

但是，原始的自由形变方法只针对简单的物理结构体，应用十分局限。后来，Takeo Igarashi和周昆等人扩展了该技术的应用范围，使得对图像进行自由形变成为可能。相关参考文献有如下两篇：

[3] T. Igarashi, T. Moscovich, and J. F. Hughes, As-rigid-as-possible shape manipulation, ACM SIGGRAPH, pp. 1134-1141, 2005；

[4] Y. L. Weng, W. W. Xu, Y. C. Wu, K. Zhou, B. N. Guo, 2D shape deformation using nonlinear least squares optimization, The Visual Computer, vol. 22(9-11), pp. 653-660, 2006。

这种方法放宽了对物体结构的限制，任何图像都能够进行形变。自由形变技术需要为角色造型构建形变网格，常用的网格有三角形网格、四边形网格以及混合网格，网格的顶点可作为形变的控制点，通过变换控制点的位置从而改变造型的姿态。动画的产生可以看作是连续的形变结果。然而，基于此形变技术的动画合成方案要求画师设置各控制点的位置。人手设定的方法纯粹依赖于画师们的个人想象，精确度不高，产生的运动往往显得不流畅、不协调，同时，该方法不便于对运动进行修改，创作过程中，画师们往往为了调整其中的一个姿态而不得不同时把前后多帧也进行调整。再有甚者，设定工作会有很高的时间开销。

发明内容

为了解决上述缺点，本发明提供了一种基于运动元素复用的二维动画合成方法。

本发明的技术方案是：一种基于运动元素复用的二维动画合成方法，步骤1：选取角色素材和运动序列素材，其中角色素材背景色单一且角色单一，运动序列素材是二维骨架模型的姿态序列；步骤2：对选取的角色素材进行预处理操作；步骤3：为角色造型绑定运动序列，合成角色动画。

上述方案中可选地，所述的运动序列目标素材从运动视频中提取。

进一步地，所述的提取过程应用动漫标注系统。

可选地，所述的预处理操作的具体流程如下：

1）从角色素材提取角色轮廓线；

2）根据取得的角色轮廓线，计算角色的轮廓闭包获得轮廓上关键的顶点集合。

步骤3具体流程如下：

1）调整运动骨架模型的大小，使其符合角色造型的大小；

2）把角色造型上的各个关键控制点绑定到运动骨架模型上的关节点；

3）由这些关节点生成形变网格。

上述方案中，可选地还包括：

步骤4：对合成后的动画进行微调。

其中步骤4的包括：

1）调整运动序列上任意帧的任一关节点的位置，调整后将重新合成动漫角色在该帧的姿态；

2）调整各关节点的相对深度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在创作效率上得到了很大的提高，用户只需要为角色造型设定关键控制点，绑定运动骨架，通过复用运动元素，即可轻松地赋予动漫角色任何运动，大大简化了动画合成的操作流程，减少重复创作的开销；支持复杂的骨骼运动，使得生成的动画相对于传统计算机辅助创作的刚性变化更为自然；相比传统骨骼动画，该技术降低了对角色造型的要求，普通的单帧角色图像都可以作为原始的造型素材。此外，基于自由形变技术的动画合成效果亦明显优于传统的骨骼动画。

附图说明

图1为逐帧动画创作示意图。

图2为现有二维动画创造流程示意图。

图3为本发明创造流程示意图。

图4为自由变形示意图。

图5为动漫标注系统示意图。

图6为带约束的自由形变示意图。

图7为深度调整示意图。

图8为线条型人偶合成跑步动作的中间结果。

图9为线条型人偶合成跑步动作的最终效果。

图4：（a）是原角色造型，（b）~（d）是对造型进行自由形变的结果；

图6：（a）是原始自由形变方法所构建的形变网络，（b）是通过设定关键控制点后所形成的形变网格，明显网格的结构可以满足骨骼模型的约束；

图8：(a)是运动复用的原造型，(b)对造型提取边缘的结果，(c)是为造型构建的原始形变网格，(d)演示如何为造型设定关键点，(e)是需要为造型绑定的目标骨架，(f)展示了造型关键点与骨架关节点的对应关系，(g)是为造型绑定骨架后的形变结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

如图3所示，本发明具体的工作流程，一种基于运动元素复用的二维动画合成方法，其包括：

步骤1：选取角色素材和运动序列素材，其中角色素材背景色单一且角色单一，运动序列素材是二维骨架模型的姿态序列，所述的运动序列目标素材应用动漫标注系统（如图5所示）从运动视频中提取；本发明要求素材具备三个条件：1、素材的背景是纯净、颜色单一的；2、素材中只能具有单一角色；3、素材中出现的遮挡部分在往后的处理过程中不能分离，不然可能会发生意料之外的效果，对于运动序列素材，由于本发明是面向二维动画的，所以运动序列可以表达为二维骨架模型的姿态序列，基于此运动序列的定义，本发明中使用“从运动视频中提取运动序列”的方法，在传统的骨骼动画制作过程中，画师们往往需要为角色骨架设置各关节点的位置，设定工作纯粹依赖于画师们的个人想象，精确度不高，产生的运动往往显得不流畅、不协调，同时，设定工作会有很高的时间开销，为了提供骨骼动画创作的效率，可采用运动捕捉技术，借助精确的运动捕捉设备，画师们可以轻松地得到符合角色特点的运动序列，往后只要把运动序列绑定到角色模型上，便可以产生相应的角色动画，降低了合成动画的工作量，虽然，运动捕捉方法提高了动画创作的效率，但是，昂贵的捕捉设备却提升了创作成本，本发明的方法是从运动视频中提取目标运动序列，提取过程中应用了动漫标注系统，由于提取的运动序列以真实视频为依据，准确度得到了一定的保证，同时，对运动序列的标注过程亦非凭空想象，相比设定工作，在效率上有很大的提高，最重要的一点是，该方法避免了对运动捕捉设备的依赖，有效控制了动画创作的成本；

步骤2：对选取的角色素材进行预处理操作，预处理时，先从角色素材提取角色轮廓线，再根据取得的角色轮廓线，最后计算角色的轮廓闭包获得轮廓上关键的顶点集合；对于符合步骤1中提及的角色素材，在动画合成过程中需要进行预处理操作，首先，从素材中提取角色的轮廓。轮廓线即前景部分和背景部分的分割线，为此需要分割素材的前景和背景。为了提高图像分割的质量，我们要求素材的背景使用单一的颜色值。根据提取得到的轮廓线，我们需要计算角色的轮廓闭包，目的是得到轮廓上关键的顶点集合。关键顶点集合将参与动漫角色的形变网格的构建。该处理后的素材将作为角色造型参与到动画合成过程中。

步骤3：为角色造型绑定运动序列，合成角色动画，本步骤中，首先调整运动骨架模型的大小，使其符合角色造型的大小，再把角色造型上的各个关键控制点绑定到运动骨架模型上的关节点，最后由这些关节点生成形变网格；经过步骤1和2后，用于合成动画的素材已经准备完毕，本步骤将为目标动漫角色造型绑定运动序列，在运动骨架的驱动下，角色造型将产生类似的运动，为了使角色造型具有相应于运动骨架模型的关节点，本发明需要为角色造型设定关键控制点，这些关键控制点与步骤1提取的关键顶点共同参与形变网格的构建过程：首先，调整运动骨架模型的大小，使其符合角色造型的大小；然后，把角色造型上的各个关键控制点绑定到运动骨架模型上的关节点；最后，由这些关节点生成形变网格；这样，在骨架模型在运动过程中，随着动作元素关节点位置的变化，角色造型关键控制点的位置也能作相应的调整；为了避免调整对网格局部稳定状态的破坏，需要重新调整形变网格上所有顶点的位置，以使角色造型得到平滑的形变效果。由于角色造型已绑定运动骨架模型，所产生的形变将使得角色具有相应于运动序列上某时刻的姿态，连续的姿态即构成角色造型的运动；

步骤4：对合成后的动画进行微调，微调包括调整运动序列上任意帧的任一关节点的位置，调整后将重新合成动漫角色在该帧的姿态，以及调整各关节点的相对深度。在步骤3中，我们通过复用运动元素序列，合成了动漫角色动画。但是，初次合成的动画效果往往不能尽善尽美，例如：提取运动序列的源视频中的运动角色和目标动漫角色的身材比例可能不一致，导致直接复用所产生的动画效果不佳；复用过程中可能出现违反逻辑的遮挡问题。为了解决这些问题，本发明提供了对合成后的动画进行微调的功能，包括：1、调整运动序列上任意帧的任一关节点的位置，调整后将重新合成动漫角色在该帧的姿态；2、调整各关节点的相对深度。如前面所述，本发明面向二维动画，所采用的骨架模型是二维模型。但是，标准的二维骨架模型并没有提供深度信息。为此，本发明使用了扩展的骨架模型，模型上每一个关节点都带有相对深度信息，形变网格上的每个顶点的深度可以通过其与最近的两个关节点的距离来线性求解。在应用过程中，画师们只需要合理地上调或下调关节点深度，便可以表示所有的拓扑结构。经过细心的微调处理后，合成的动画就可以产生更好的效果。

本发明能够为角色造型绑定骨架模型，并复用运动元素序列直接驱动角色产生运动效果，应用了基于带约束的自由形变技术的运动复用技术，如图4所示，图4（a）是原角色造型，图4(b)~(d)是对造型进行自由形变的结果，既能简化动画创作的流程——画师只需要为角色造型绑定骨架模型并选择合适的运动元素，合成动画的过程由计算机完成，同时亦提高了动画创作的效率，画师们甚至不需要进行任何的绘图。

再者，本发明是基于带约束的自由形变技术的运动复用技术，该技术直接作用于单幅造型图像，通过对造型图像构建形变网格，并绑定运动骨架、复用现有运动元素，骨架模型在运动过程中控制角色模型发生连续的自由形变，从而产生角色的运动，如图6所示，图6(a)是原始自由形变方法所构建的形变网格，图6(b)是通过设定关键控制点后所形成的形变网格，明显网格的结构可以满足骨骼模型的约束，此技术既降低了对造型素材的结构要求，同时基于位图产生的运动动画相比传统骨骼动画具有明显的平滑效果。

如图7所示，该带约束的自由形变技术，扩展了原始自由形变方法，提出一种带约束的自由形变技术，通过人机交互的方式为角色造型设置关键控制点、控制关键控制点的相对深度，从而约束形变网格的构建，控制形变网格的拓扑结构，克服了传统自由形变技术中形成形变网格不可控制的缺点，使得形变网格能够符合骨骼模型的结构特点，同时解决位图造型在形变过程中产生的遮挡问题，让角色造型标示不同的逻辑语义。并通过人机交互的方式设置各控制关键点的相对深度，形变网格上其余顶点的深度通过其与关键控制点的距离线性求解。此处定义的顶点间距离并非简单的欧氏距离，而是顶点间基于形变网格的最少跳转次数。实验证明，该方法可以很好地解决遮挡问题，可以使得造型表达出复杂的拓扑结构。

如图8~9所示，本发明的具体工作如下：首先，需要为合成动画准备角色素材和运动序列素材，所选角色素材必须符合特定的条件。对于运动序列素材而言，本发明采用从运动视频上捕捉运动序列的方法，提取过程中应用了动漫标注系统。提取得到的运动序列可以反复应用于角色动画合成中。完成目标角色素材和运动序列素材的准备后，即可以合成角色动画。合成动画的过程在动画合成系统上进行。当角色素材导入系统后，系统先对素材进行预处理。预处理过程包括提取角色轮廓（如图8（b）所示对造型提取边缘效果）、计算角色的轮廓闭包（如图c所示为造型构建的原始变网格）。合成过程中还需要选择合适的运动序列。为了让角色造型能够绑定运动骨架，动画合成系统提供了设定关键控制点的功能。设定的关键控制点（如图（d）所示为造型设定关键点）将与造型轮廓上的关键顶点集合一起，作为构建形变网格过程的约束条件。基于自由形变的技术原理，调整关键控制点的位置将使得造型发生形变。动作的产生可以看作是连续形变的结果。为此，本发明需要为关键控制点和运动骨架上的关节点建立映射关系（如图（f）所示，造型关键点与骨架关节点的对应关系）。动画合成系统中提供了绑定关节点的交互操作功能（如图8（e）所示为造型绑定的目标骨架）。绑定后的关键控制点在运动骨架的带动下（如图8（g）所示造型绑定骨架后的形变结果），不断地产生位移，从而实现了造型运动的效果（如图9（h）至（s）所示，造型在运动序列驱动下产生的运动效果）。然而，简单的合成操作后所得的结果往往不尽如人意。因此，动画合成系统满足了用户对合成动画进行微调的需求，用户可以应用此功能调整关节点的位置和层深度，优化合成的动画效果。

该技术的优势在于：

1、在创作效率上得到了很大的提高，用户只需要为角色造型设定关键控制点，绑定运动骨架，通过复用运动元素，即可轻松地赋予动漫角色任何运动，大大简化了动画合成的操作流程，减少重复创作的开销；

2、支持复杂的骨骼运动，使得生成的动画相对于传统计算机辅助创作的刚性变化更为自然；

3、相比传统骨骼动画，该技术降低了对角色造型的要求，普通的单帧角色图像都可以作为原始的造型素材。此外，基于自由形变技术的动画合成效果亦明显优于传统的骨骼动画。

Claims (7)

1.一种基于运动元素复用的二维动画合成方法，其特征在于包括：

步骤1：选取角色素材和运动序列素材，其中角色素材背景色单一且角色单一，运动序列素材是二维骨架模型的姿态序列；

步骤2：对选取的角色素材进行预处理操作；

步骤3：为角色造型绑定运动序列，合成角色动画。

2.根据权利要求1所述的基于运动元素复用的二维动画合成方法，其特征在于：所述的运动序列目标素材从运动视频中提取。

3.根据权利要求2所述的基于运动元素复用的二维动画合成方法，其特征在于：所述的提取过程应用动漫标注系统。

4.根据权利要求1所述的基于运动元素复用的二维动画合成方法，其特征在于所述的预处理操作的具体流程如下：

1）从角色素材提取角色轮廓线；

2）根据取得的角色轮廓线，计算角色的轮廓闭包获得轮廓上关键的顶点集合。

5.根据权利要求1所述的基于运动元素复用的二维动画合成方法，其特征在于：步骤3具体流程如下：

1）调整运动骨架模型的大小，使其符合角色造型的大小；

2）把角色造型上的各个关键控制点绑定到运动骨架模型上的关节点；

3）由这些关节点生成形变网格。

6.根据权利要求1所述的基于运动元素复用的二维动画合成方法，其特征在于

还包括

步骤4：对合成后的动画进行微调。

7.根据权利要求6所述的基于运动元素复用的二维动画合成方法，其特征在于步骤4的包括：

1）调整运动序列上任意帧的任一关节点的位置，调整后将重新合成动漫角色在该帧的姿态；

2）调整各关节点的相对深度。

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