CN103198507A - 多点偏移的采样变形 - Google Patents

Abstract

本发明为多点偏移的采样变形，公开了一种用于计算机动画的皮肤变形系统。所述皮肤变形系统访问计算机生成人物的骨架结构，访问可能影响皮肤变形的骨架结构的特征的用户识别。所述系统也访问加权策略的用户识别。使用识别的加权策略和识别的骨架结构特征，所述皮肤变形系统确定了用户所识别的每一个特征可能影响到计算机生成人物皮肤变形的程度。所述皮肤变形系统可能并入二次操作，包括到皮肤变形中的隆起，滑动，缩放和扭曲。可以由皮肤变形系统存储与变形皮肤相关的信息使得所述信息可以被用于产生用于观众的视觉图像。

Description

多点偏移的采样变形

本专利文件公开内容的一部分包含了受版权保护的主题，如计算机生成人物的描述。版权拥有人不反对任意人的专利文件或专利公开内容的拓制，当其出现在专利和商标局的专利文件或记录中时，但除此之外，保留所有版权权利。 

技术领域

本申请一般地涉及计算机图形学，更具体地涉及在计算机动画中计算机生成人物上的皮肤变形。 

背景技术

在计算机动画领域中，通常使用覆盖有皮肤层的骨架结构建模计算机生成人物。美术师通过在骨架结构中的骨骼和关节的运动可达到动画的视觉效果。覆盖骨架结构的皮肤层响应于骨架结构的运行移动或变形，并将视觉上可信的外观赋予计算机生成的人物。骨架结构和皮肤变形到动画计算机生成人物的使用比例如生成动画的多个独立绘图的使用更有计算效率。 

由于计算机生成人物的皮肤层为计算机动画的观众表面上可见，产生令人信服的皮肤变形的有效变形技术是所需的。例如，如果美术师选择弯曲计算机生成人物的肘部，期望的是，使用来自美术师的最小输入和通过使用最小计算资源变形在二头肌处具有栩栩如生隆起的皮肤层。 

传统变形技术由美术师使用以产生皮肤变形。然而一种传统变形技术可能需要来自美术师的显著输入，在其变为可配置以产生皮肤变形前。例如，被称为骨架子空间变形(SSD)的传统变形技术需要美术师在皮肤变形之前识别和分配数值加权到骨架结构的各部分。分配多个数值加权到骨架部分(如，头顶皮肤)的过程，被称为“重画”，是耗时的，尤其对于 显示出频繁和/或复杂的运动的计算机动画人物的皮肤区域。 

另外，美术师可能实施用于传统变形技术的重画仅仅用于发现传统的变形技术产生了视觉上难以令人信服的皮肤变形。例如，传统的变形技术，包括SSD，可能产生显示了弯曲肘部周围的皮肤的压碎或收缩的皮肤变形，如图2A和2B中分别所述。值得注意的是，美术师可能不得不重新实施重画过程以改善视觉上难以令人信服的变形。而且，美术师可能采取在骨架结构和最终皮肤之间的多个皮肤层的变形以改善变形。此外，美术师可能重新使用另一种传统变形技术来实施变形过程。这些选项耗费时间和/或在计算上是昂贵的。 

传统的变形技术也可能无法提供增强皮肤变形的真实感的艺术控制。例如，传统的变形技术可能会失败于响应弯曲肘部产生足够鼓胀的二头肌。为了将鼓胀引入到皮肤层中，使用传统的变形技术的美术师可能会引入不允许在变形过程期间进入定义容量的皮肤变形的体积约束(如，限制)。然而，容量限制的引人对于美术师来说耗费时间和/或在计算上是昂贵的。 

发明内容

在一实施方案中，通过访问包括具有连接在一个或多个关节处的多个骨骼的骨架的模型，变形计算机动画人物的模型的皮肤。所述一个或多个关节中的一个关节与第一局部坐标系相关。也访问用户选择的一个或多个控制点。每一个控制点与第二局部坐标系相关。也访问头顶皮肤。所述头顶皮肤表示了在皮肤上的位置，所述头顶皮肤与位置矢量相关。也访问用户选择的加权策略，使用所选的加权策略和所选的控制点确定头顶皮肤的新的位置矢量。可以将头顶皮肤的新的位置矢量存入存储器。 

在一实施方案中，头顶皮肤的新的位置矢量取决于使用头顶皮肤和所选加权策略对控制点子集的识别，确定了在识别的控制点子集中每一个控制点的数字系数，使用头顶皮肤的位置矢量，在识别的控制点子集中每一个控制点的位置矢量，和所选加权策略。使用与识别的控制点子集中每一个控制点相关的局部坐标系和加权策略确定偏移矢量。 

在一些实施方案中，所述一个或多个控制点的控制点的位置矢量在确 定头顶皮肤的新的位置矢量之前将改变。在一些实施方案中，所述一个或多个控制点的控制点的局部坐标系在确定头顶皮肤的新的位置矢量之前将改变。在一些实施方案中，计算在头顶皮肤的位置矢量和头顶皮肤的新的位置矢量之间的差，接收用户选择的比例因子，基于接收到的比例因子，计算的差，和头顶皮肤的位置矢量和头顶皮肤的新的位置矢量的至少一个确定头顶皮肤的另一位置矢量。 

附图说明

图1是描绘使用多点偏移采样(MOS)变形系统的实施方案产生示范性动画人物的屏幕视图。 

图2A-B是描绘使用相关技术产生皮肤变形的屏幕视图。 

图3A-C和3E-F是描述使用MOS变形系统的实施方案产生皮肤变形的屏幕视图。 

图3D是描绘使用相关技术产生皮肤变形的屏幕视图。 

图4是描绘用于MOS变形系统的实施方案中的示范性过程的流程图。 

图5A是描述了初始姿势中的计算机生成人物的正视图。 

图5B是描述了初始姿势中的计算机生成人物一部分的特写视图。 

图6A是描绘了最终姿势中的计算机生成人物的正视图。 

图6B是描述了最终姿势中的计算机生成人物一部分的特写视图。 

图7是描绘了最初姿势中计算机生成人物一部分的特写视图。 

图8是描绘了用于MOS变形系统的实施方案中的另一示范性过程的流程图。 

图9是描绘了最终姿势中计算机生成人物一部分的特写视图。 

图10A-E是描绘了使用MOS变形系统的实施方案产生的皮肤变形的屏幕视图。 

图11A-B是描绘了使用MOS变形系统的实施方案产生的皮肤变形的屏幕视图。 

图12是描绘了示范性变形系统的方框图。 

具体实施方式

以下说明阐述了示范性方法，参数等。然而，应该认识到，这样的说明不打算作为本发明的范围的限制，而是替换地被提供作为示范性实施方案的说明。 

3.概述

图1描绘了示范性计算机生成的人物，老虎100，处于三个姿势中。使用此处所述的多点偏移采样(MOS)变形系统的实施方案可以产生老虎100的皮肤层。例如，使用MOS变形系统的实施方案可以产生在老虎100的腹部区域101和二头肌区域122处的膨胀皮肤。另外，使用MOS变形系统的实施方案也可以产生弯曲的背部区域111和肩部区域121。 

为了清楚和方便，可以参照动画类似老虎100的计算机生成人物说明MOS变形系统的示范性实施方案。然而，应当认识到，MOS变形系统可以用于不同计算机生成人物。例如，使用MOS变形系统产生的计算机生成人物可以表示动画或非动画，真实或想象的对象。同样，用于MOS变形系统的骨架结构可能解剖学上正确或解剖学上不正确。如此处所用的一样，“皮肤”可能涉及用于计算机生成人物的多层覆盖。例如，“皮肤”可能涉及老虎的毛茸茸皮肤。“皮肤”也可能包括老虎所披的衣服。此处所述的实施方案和实施例因而不打算限制MOS变形系统的应用。 

图3A-3F提供了被称为骨架子空间变形(SSD)的传统变形技术产生的示范性皮肤层和使用MOS变形系统的实施方案产生的皮肤层的对比。图3A描绘了在初始姿势中由骨骼311-312和关节315-317构成的骨架结构310。图3B描绘了在最终姿势中对应于骨架结构310(图3A)的骨架结构320。骨架结构310(初始姿势)到骨架结构320(最终姿势)的移动可以由美术师配置。 

图3C描绘了覆盖有骨架结构310的皮肤层331。为了简便，皮肤层331可以具有圆柱形，并可以由使用传统变形过程(如SSD)来产生。图3D描述了可以基于骨架结构310到骨架结构320的移动使用传统变形技术(如SSD)产生的皮肤层341。值得注意的是，皮肤层341包括接近皮肤区域342的容量的减少。图3E描绘了可以使用MOS变形系统产生的皮肤层351。对比于图3D所示的变形，皮肤351不包括接近皮肤区域352的容量上的任意可察觉的减少。 

接近皮肤区域342的容量上的减少(图3D)可能使得皮肤层341表现为对观众视觉上难以令人信服。例如，如果皮肤层341表示动画老虎的尾部，接近皮肤区域342的容量上的减少可能使得老虎尾部表现出挤压或弯曲并因而缺乏真实性。与此相反，使用MOS变形系统实施方案产生的皮肤层351(图3E)表现出美的曲线并更好地类似于现实老虎的尾部。 

MOS变形系统的实施方案也运行美术师使用二次操作调节皮肤变形的视觉表现，如隆起，滑动，缩放和扭曲操作。可以实施二次操作以产生视觉上令人信服的皮肤变形。例如，骨架结构320(图3B)可被用于建模替代老虎尾部的胖乎乎计算机生成人物的手臂。由于人物是胖乎乎的，可能期望的是，产生在暗示底层脂肪组织的人物皮肤中的夸张的隆起。图3F描绘了使用MOS变形系统的实施方案产生的皮肤361，并包括暗示脂肪组织的隆起362。因而，寻找动画胖乎乎人物的美术师可能相对于皮肤层351(无需二次操作产生)偏好皮肤层361(使用二次操作产生)。 

应当进一步注意到，图3E和3F表示MOS变形系统的附加特征。有时，美术师可以产生多种皮肤变形(如图3D，3E和3F)以识别用于特定人物的视觉上最令人信服的皮肤变形(如图3F)。使用传统变形技术产生多种皮肤变形的过程可能必需多轮费时的重画。因此，在图3D-3F所示的用以产生皮肤层341，351和361的传统变形技术的重复应用可能需要显著的美术师时间。与此相反，MOS变形系统的实施方案允许美术师重画过程部分自动化，据此允许美术师基于相同的底层配置产生多层皮肤变形。 

MOS变形系统产生视觉上令人信服的皮肤变形和通过重画策略的使用产生多层皮肤变形的能力以下以其他具体内容被讨论。 

4.示范性MOS变形过程

图4描绘了使用MOS变形系统变形计算机动画人物的皮肤层的示范性过程400。MOS变形过程400之前可能进行其他计算机动画过程。例如，在先前过程中可以创建计算机生成人物的骨架。MOS变形过程400之后也可能进行其他计算机动画过程。例如，一旦计算机生成人物的皮肤层被使用MOS变形过程400变形，后续过程可以在变形皮肤上创建皮肤附加特征。 

在步骤410处，MOS变形过程400访问骨架结构。一般地，计算机生 成人物的模型的骨架结构包括多个连接在关节处的骨骼。例如，图5A描绘了初始姿势中的示范性计算机生成人物501。可以使用包括由关节510-512所定义的骨骼530-540的骨架结构建模计算机生成人物501。骨骼可以选择或移动在关节周围。例如，骨骼537可以旋转在关节518周围。骨架结构可以被用于说明计算机生成人物501的移动和皮肤层。 

图5B以其他具体内容描绘了计算机生成人物501的左手臂部分。描绘的左手臂部分由包括骨骼535-537和关节516-519的骨架结构503所表示。皮肤层560和570覆盖了计算机生成人物501的左手臂部分。骨架结构的每一个关节可以关联于位置矢量和局部坐标系。位置矢量表示关节的位置，局部坐标系说明了固定点周围关节的旋转。可使用由表示成矩阵列的三个矢量构成的3x3矩阵来说明局部坐标系。每一个矢量指示了在三个正交方向之一周围关节的旋转，如在x-，y-和z-轴周围的旋转。可使用头顶皮肤定义皮肤层560和570，头顶皮肤轮流可被相对于骨架结构503的特征来定义。例如，皮肤层560和57-可由头顶皮肤561和571所定义，其轮流由骨架结构503的关节516-519的位置所定义。头顶皮肤可能定位于，邻近于或不然关联于计算机生成人物的皮肤层的渲染。 

图6A描绘了最终姿势中的计算机生成人物601。在最终姿势中，计算机生成人物601的左手臂部分向上抬起并向内弯曲。如图5A和6A所述的姿势中的改变可能是由美术师通过动画系统实施的变形结果。如图6B中进一步具体所示，骨架结构602的骨骼636-637和关节618-619已经在最终姿势中的关节617周围旋转。骨骼637和关节619也已经旋转在关节618周围。而且，头顶皮肤661和671已经改变了位置，因而，皮肤层660和670每一个具有不同于皮肤层560和570(图5B)的形状和位置。 

如以下将更具体地说明一样，MOS变形过程400(图4)可被用于确定在计算机生成人物的最终姿势中头顶皮肤(如头顶皮肤661)的新的位置矢量。因为可以使用多种头顶皮肤产生计算机生成人物的皮肤层，MOS变形过程400(图4)可被重复使用以确定与计算机生成人物相关的附加头顶皮肤的移动。 

让v_i表示用于最终姿势中计算机生成人物的头顶皮肤“i”的位置矢量。MOS变形过程400(图4)可以开始于EQ.1，其关联于以上讨论的骨架 子空间变形(SSD)技术。 

$v_i=\underset{i=0}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{T}_i{\hat{T}}_i^{-1}\hat{v}---(\mathrm{EQ}.1)$

其中a(b+1)数量的关节可能影响v_i， 

可能是表示在初始姿势中头顶皮肤的位置的矢量， 

可能是表示在初始姿势中i^th关节的局部坐标系的矩阵，T_i可能是表示在最终姿势中i^th关节的局部坐标系的矩阵，w_i可能是与i^th关节相关的加权系数。 

MOS变形过程400(图4)确定了用于初始姿势中所有关节的单个偏移 

单个偏移 

的确定减少了在EQ.1求解期间可能不得不被实施的 

的逆矩阵的数量。让用于在初始姿势中的单个关节(如i^th关节)的偏移被表示为： 

${\hat{O}}_i={\hat{T}}_i^{-1}\hat{v}---(\mathrm{EQ}.2)$

基于EQ.2，用于在初始姿势中的所有节点的单个偏移可以被表示为： 

${\hat{O}}_i={\left[\underset{i=0}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{\hat{T}}_i\right]}^{-1}\hat{v}---(\mathrm{EQ}.3)$

因而，使用EQ.3以获得EQ.4，可简化用于确定最终头顶皮肤v_i的EQ.1： 

$v_i=\underset{i=0}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{T}_i\hat{O}---(\mathrm{EQ}.4)$

与EQ.1(即SSD)相反，EQ.4更有计算效率，因为逆矩阵的数量可能被减少到一个(如，在EQ.3期间的单个偏移的计算期间)。使用EQ.4，头顶皮肤“i”的最终位置矢量v_i可以被表示为加权系数(如w_i)，最终姿势中关节的局部坐标系(如T_i)，和单个偏移矢量(如 

)的函数。 

回头参考图4，在MOS变形过程400的一实施方案中，在步骤410处可直接从动画系统处获得T_i和 

进一步地，可通过以下即将讨论的MOS变形过程400的其他步骤确定b，w_i和 

转到图7，当仍旧参照图4时，在步骤420处，MOS变形过程400访问沿着骨架结构700作为MOS控制点的美术师的位置识别。可通过图形用户接口(GUI)实施到MOS控制点的美术师识别的访问。 

如图7所示，骨架结构700可以表示计算机生成人物的手臂部分，包括关节710-713和骨骼720-722。图7也描述了由美术师提供的MOS控制 点731-736。值得注意的是，可选择MOS控制点731-736的一个或多个以影响最终姿势中头顶皮肤761的位置，并据此影响皮肤层760的变形。MOS控制点关联于位置矢量和局部坐标系。在一实施方案中，MOS控制点的局部坐标系可能是关节的根源，表示MOS控制点可能使用与(根源)关节相同局部坐标系。例如，MOS控制点731-733可能关联于局部坐标系741，其实关节710的局部坐标系。类似地，MOS控制点734-735可能关联于局部坐标系741，MOS控制点736可能关联于局部坐标系742。 

通过允许美术师识别将为MOS控制点的沿着骨架结构的任意位置，并将每一个MOS控制点与骨架结构任意关节的局部坐标系相关，MOS变形过程400(图4)为美术师提供了对关节旋转的控制，其影响特定头顶皮肤的变形。例如，尽管MOS控制节点733在空间比关节710更接近于关节711，MOS控制点733可能关联于关节710的局部坐标系。如果随后基于MOS控制关节733对头顶皮肤变形，所述变形可能更严重受关节710的旋转影响，即使关节711在空间上更接近于正变形的头顶皮肤。 

再次转到图7，当仍旧参照图4时，在步骤430处，MOS变形过程400访问使用在步骤420处被访问的MOS控制点可变形的头顶皮肤的美术师的识别。例如，在步骤430处，MOS变形过程400可能确定(如，自GUI处访问)头顶皮肤761(图7)是确定新位置的头顶皮肤。 

再次参照图4，在步骤440处，MOS变形过程400访问可能由MOS变形过程400中的下游步骤使用以确定在步骤430处访问的头顶皮肤(如，头顶皮肤761)的新位置矢量的加权策略的美术师的识别。更具体地，用来选择MOS控制点(如，b+1)子集的加权策略可被用来影响头顶皮肤761的变形。所述加权策略也可以被用来确定在所述子集中每一个MOS控制点可能影响头顶皮肤761变形的程度(如w_i)。基于B样条函数，Catmull-Clark函数，逆距离函数，径向基函数等的加权策略可被使用。可由GUI实施到加权策略的美术师识别的访问。 

在步骤450-460处，MOS变形过程400确定头顶皮肤761的新位置矢量，使用在步骤420处访问的MOS控制点，在步骤430处访问的头顶皮肤，和在步骤440处访问的加权策略。可在步骤470处存储新的头顶皮肤位置矢量。因为在步骤450-470处实施的这些技术可能基于在步骤440处 访问的加权策略变化，以下参照示范性加权策略讨论步骤450-470。 

5.实施例：B样条加权策略

以下马上提供的实施例说明了响应于在MOS变形过程400的步骤440处正被访问的三次B样条加权策略在步骤450-470期间的三次B样条加权策略的使用。应当注意到，步骤440可能访问加权策略而不是三次B样条加权策略。以下也讨论了加权策略的其他实施例。 

在步骤450处，在步骤440处访问的三次B样条加权策略和在步骤420处访问的MOS控制点可以被用于确定b，w_i和 

其对于使用EQ.4确定头顶皮肤761(图7)的新位置矢量是必要的。 

图8描述了用于执行MOS变形过程400的步骤450的一实施方案中的示范性过程800。在步骤810处，过程800可能选择MOS控制点的子集(在过程400的步骤420期间被访问)用于影响头顶皮肤(如，图7中的头顶皮肤761)的变形。在步骤810期间可由过程800选择四个MOS控制点的组合，表示b＝3。所述四个被选择的MOS控制点可被用作B样条控制点以构建在2维或3维空间中的B样条限制曲线。 

由于MOS变形过程400可能在步骤420处(图4)已经访问了超过总共四个MOS控制点，步骤800可能选择用作B样条控制点的MOS控制点的子集。例如，如果存在六个MOS控制点，有可能存在选择四个MOS控制点的子集用作B样条控制点中同时保持所述六个MOS控制点的序列的三种方式。在步骤810处，过程800可能构建用于四个MOS控制点的三个子集的每一个的B样条限制曲线。属于所述三个限制曲线，一个限制曲线将包括最邻接于即将被变形的头顶皮肤的店。为了简单起见，可将所述最接近头顶皮肤的点称作为绑定点，包括所述绑定点的限制曲线可以被称作为绑定曲线。所述四个MOS控制点的子集，当被用作B样条控制点时，产生由步骤810所选择的绑定曲线。 

在步骤820处，过程800使用绑定曲线确定四个加权系数(如，w_i)的集合。给定绑定点，定义绑定曲线的四个MOS控制点，B样条基函数可被用于确定与四个MOS控制点相关的四个系数。可使用均匀的非理性B样条函数，如在James D.Foley et al.，Computer Graphics：Principles and Practice in C§11.2.3(2d ed.1997)中说明的那些。一旦被确定，通过以下讨 论的过程800的下游步骤使用所述四个加权系数(如，在0≤i≤(b＝3)处的w_i)。 

在步骤830处，过程800确定了被称作为MOS单个偏移矢量的单个局部坐标矢量，使用在步骤810-820处确定的MOS控制点的子集和加权系数。为了清楚起见，在步骤820处确定的加权系数的集合被称作为T，即将被变形的头顶皮肤(如图7中的头顶皮肤761)被称作为m_i，即将被确定的MOS偏移矢量被称作为O_i。 

从每一个由MOS单个偏移矢量O_i所偏移的四个B样条控制点产生的B样条曲线可被表示为： 

$v_i=\underset{j=0}{\overset{n=3}{\mathrm{\Σ}}}(p_{\mathrm{ij}}+F_{\mathrm{ij}}{O}_i)w_{\mathrm{ij}}---(\mathrm{EQ}.5)$

其中p_ij是表示j^th个MOS控制点的位置的头顶，F_ij是j^th个MOS控制点(如3x3矩阵)的局部坐标系，w_ij是j^th个MOS控制点的加权系数。 

在相同B样条曲线参数τ处通过头顶皮肤m_i的由O_i产生的B样条曲线可被表示为： 

v_i＝m_i           (EQ.6) 

通过合并EQ.5和EQ.6确定单个偏移矢量O_i： 

$\underset{j=0}{\overset{n=3}{\mathrm{\Σ}}}(p_{\mathrm{ij}}+F_{\mathrm{ij}}{O}_i)w_{\mathrm{ij}}=m_i---(\mathrm{EQ}.7)$

$m_i-\underset{j=0}{\overset{n=3}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{ij}}{w}_{\mathrm{ij}}=\underset{j=0}{\overset{n=3}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{ij}}{O}_i{w}_{\mathrm{ij}}---(\mathrm{EQ}.8)$

$O_i={\left[\underset{j=0}{\overset{n=3}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{ij}}{w}_{\mathrm{ij}}\right]}^{-1}[m_i-\underset{j=0}{\overset{n=3}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ij}}{w}_{\mathrm{ij}}]---(\mathrm{EQ}.9)$

本领域一个技术人员应当理解，在EQ.9中所示的O_i具有闭型解。通过构建用于O_i的闭型解，不必要的是(尽管可能)使用迭代过程解出O_i。O_i的迭代解法一般比用于相同O_i的闭型解的计算在计算上更密集。 

回到图4，一旦使用上面刚刚讨论的示范性过程800和EQ.9确定了单个偏移矢量O_i，在MOS变形过程400的步骤460处使用单个偏移矢量O_i以变形头顶皮肤，表示确定了头顶皮肤的新位置矢量。通过解出以上讨论的EQ.5确定头顶皮肤的新位置矢量(如v_i)： 

$v_i=\underset{j=0}{\overset{n=3}{\mathrm{\Σ}}}(p_{\mathrm{ij}}+F_{\mathrm{ij}}{O}_i)w_{\mathrm{ij}}---(\mathrm{EQ}.5)$

其中n是被选择用在步骤450处的MOS控制点的总数，O_i是在步骤450 (EQ.9)确定的单个偏移矢量，w_ij是在步骤450处确定的j^th个MOS控制点的加权系数。同样，p_ij是表示可以从动画系统获得的j^th个MOS控制点的位置的头顶，F_ij是也可以从动画系统获得的j^th个MOS控制点的局部坐标系。注意，下标“i”可能被用于识别特定头顶皮肤。例如，下标“i”可能将定义特定皮肤层的i^th头顶皮肤指示为头顶皮肤。 

图7和9描述了头顶皮肤从一个姿势到另一个姿势的移动和相应皮肤变形。图7描述了初始姿势处的头顶皮肤761。图9示出了对应于最终姿势处的头顶皮肤761的头顶皮肤961。即，头顶皮肤761由位置矢量m_i(图7中)表示，头顶皮肤961由位置矢量v_i(图9中)表示。在步骤470处，可将新的头顶皮肤位置矢量(如v_i)存入存储器用于其他动画过程的使用。MOS变形过程400可被重复以变形多个头顶皮肤使得皮肤层，如皮肤层960和970，可被使用已经变形的多种头顶皮肤来渲染。 

6.实施例：Catmull Clark加权策略

作为上面刚刚讨论的B样条函数的补充，MOS变形过程400的步骤450-460可以使用其他加权策略以确定头顶皮肤的新的位置矢量。例如，在步骤450处，MOS变形过程400可以使用Catmull-Clark基函数以识别多个(即b+1)MOS控制点。更具体地，Catmull-Clark基函数，如在EdwinCatmull and Jim Clark，Recursively generated B-spline surfaces on arbitrary topological and meshes，Computer-Aided Design 10，350-355(Sept.1978)中说明的那些，可用于识别多个MOS控制点和单个偏移矢量 

在步骤460处，识别的MOS控制点和单个偏移矢量 

可被用于EQ.4以确定头顶皮肤的新的位置矢量(v_i)。在步骤470处，可将新的头顶皮肤位置矢量(v_i)存入存储器用于其他动画过程的使用。 

7.实施例：距离倒数加权策略

以下马上提供的实施例说明了在MOS变形过程400的步骤450-470期间的距离倒数加权策略的使用。在步骤450处，距离倒数加权策略和在步骤420处访问的MOS控制点可被用于确定为确定头顶皮肤761(图7)的新位置矢量所必要的w_i和 

距离倒数加权策略可以选择任意数量(如b+1)的MOS控制点。与i^thMOS控制点和即将变形的头顶皮肤之间的距离成反比的系数(如w_i)被 分配给所选MOS控制点的一个或多个。这些系数(w_i)可被归一化使得他们合计为一。 

使用被识别如上的MOS控制点(如b)和加权系数(如w_i)的组合可计算单个偏移矢量O_i： 

$O_i={\left[\underset{j=0}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ij}}{F}_{\mathrm{ij}}\right]}^{-1}{m}_i---(\mathrm{EQ}.10)$

其中(b+1)是具有非零系数值的MOS控制点的数量，w_ij是j^th个MOS控制点的加权系数，F_ij是j_th个MOS控制点的局部坐标系，m_i是表示即将变形的头顶皮肤的当前位置矢量的头顶。 

一旦确定了单个偏移矢量O_i(使用EQ.10)，在MOS变形过程400的步骤460处使用所述单个偏移矢量O_i以变形头顶皮肤，表示可以确定头顶皮肤的新位置。使用EQ.4确定头顶皮肤的新位置(如v_i)。在步骤470处，可将新的头顶皮肤的位置矢量(如v_i)存入存储器用于其他动画过程的使用。 

8.二次操作：隆起，滑动，扭曲，缩放

基于上述，MOS变形过程400(图4)可一般地用于其中输入，MOS控制点的局部坐标系(如F_ij)和位置矢量(如p_ij)。因而，在MOS控制点的局部坐标系和/或位置矢量的值的改变将影响由MOS变形过程400所实施的皮肤变形的结果。即，可通过在使用MOS变形过程400变形之前改变F_ij和/或p_ij的值来修改MOS变形的结果。在一些实施方案中，MOS变形过程400配置用来通过美术师的输入访问对值F_ij和/或p_ij的改变。值得注意的是，对值F_ij和/或p_ij的改变可能产生具有隆起，滑动，缩放和/或扭曲的视觉效果的皮肤变形。 

图10A-B分别描绘了初始姿势中的皮肤1001和最终姿势中的皮肤1011，并使用MOS变形过程400可以被产生。图10C描绘了使用MOS变形系统400已经产生隆起的皮肤1021。如上所讨论的一样，MOS变形过程400的步骤450可以选择MOS控制点以在变形过程期间使用。可通过修改所选MOS控制点的一个或多个的位置矢量(如p_ij)产生皮肤变形中的隆起。具体地，可通过百分比因子缩放所选MOS控制点的一个或多个的位置矢量。EQS.5和9中缩放位置矢量的使用形成了包括视觉效果类 似隆起1022(图10C)的皮肤变形。可独立调节每一个所选MOS控制点的缩放因子以获得所需隆起效果。 

图10D描绘了使用具有滑动操作的MOS变形过程400产生的皮肤1031。为了实施滑动操作，可以修改MOS变形过程400的步骤450处所选MOS控制点的一个或多个的位置矢量。可通过所选MOS控制点的局部坐标系偏移所选MOS控制点的位置矢量。而且，可调节所选MOS控制点的位置矢量以指向平行于邻近骨骼的轴的方向。在EQS.5和9中一个或多个调节位置矢量的使用可形成包括视觉效果类似滑动1032(图10D)的皮肤变形。可进一步独立调节位置矢量的方向以产生所选滑动效果。 

图10E描绘了使用具有缩放操作的MOS变形过程400(图4)产生的最终姿势中的皮肤1041。MOS变形过程400(图4)可以调节在初始姿势和最终姿势之间的头顶皮肤位置的移动。具体地，可使用缩放因子以增加或减少多种头顶皮肤的位置的改变。如图10E中所示，通过Y轴和Z轴中的2的因子缩放圆柱形1041的中间关节。 

图11A描绘了使用具有扭曲操作的MOS变形过程400产生的最终姿势中的皮肤1101。图11B描绘了骨架结构111，其包括三个MOK控制点。局部坐标系1112，1113和1114与三个MOS控制点关联。MOS变形过程400(图4)可以将每一个局部坐标系(如1112-1114)分解为扭曲框架和方向框架。对应每一个MOS控制点，MOS变形过程400(图4)可以计算在最初姿势的关节和最终姿势的关节之间的扭曲改变和方向改变。可以调节在MOS控制点的初始姿势和最终姿势之间的扭曲量。相对于扭曲轴的单个偏移矢量取决于混合MOS控制点的扭曲框架。进一步地，确定了相对于扭曲轴的单个偏移矢量。在EQ.9中单个偏移矢量的使用形成了包括如图11B所示的视觉效果类似扭曲的皮肤变形。 

图12描绘了具有多个可用来实施上述过程的组件的计算系统1200。主系统1202包括母板1204，具有I/O部件1206，一个或多个中央处理单元(CPU)1208，和可能具有相关于其的闪存卡1212的存储部件1210。I/O部件1206连接显示器1224，键盘1214，磁盘存储单元1216和媒体驱动单元1218。媒体驱动单元1218能够读/写能够保护程序1222和/或数据的计算机可读介质1220。 

能够保存基于上述处理结果的至少一些值用于后续使用。或者，计算机可读介质能够用来存储(如，切实体现)用来通过计算机方式实施上述处理的任意一个的一个或多个程序。可以写入计算机程序，例如采用通用编程语言(如Pascal，C，C++)或一些特定应用的指定语言。 

尽管已经在上面具体描述了仅仅某些示例性实施方案，本领域的技术人员应当容易理解，许多修改在示范性实施方案中是可能的而没有实质背离本发明的新颖性教导和优点。例如，以上所公开的实施方案的各个方面能够被合并在其他的组合中以形成另外的实施方案。相应地，所有这样的修改打算被包括在本发明的范围内。 

Claims (33)

1.一种用于变形计算机动画人物的模型的皮肤的计算机实施方法，所述方法包括：

访问所述模型，其中所述模型包括具有被连接在一个或多个关节处的多个骨骼的骨架，其中所述一个或多个关节的关节与第一局部坐标系相关；

访问一个或多个控制点的用户选择，其中每一个控制点与第二局部坐标系相关；

访问头顶皮肤，其中所述头顶皮肤表示在皮肤上的位置和与位置矢量相关的头顶皮肤；

访问加权策略的用户选择；

使用所选加权策略和所选控制点确定头顶皮肤的新的位置矢量；和

存储所述头顶皮肤的新的位置矢量。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述确定头顶皮肤的新的位置矢量包括：

使用所述头顶皮肤和所述选择的加权策略识别所述控制点的子集；

使用所述头顶皮肤的位置矢量，在识别出的控制点子集中的每一个控制点的位置矢量，和所选加权策略，确定在识别出的控制点子集中每一个控制点的多个系数；和

使用与识别出的控制点子集中每一个控制点相关的局部坐标系和所述加权系数确定偏移矢量。

3.如权利要求2所述的方法，其中：

将加权策略表示为几何函数。

4.如权利要求3所述的方法，其中：

所述几何函数与B样本函数相关。

5.如权利要求3所述的方法，其中：

所述几何函数与Catmull-Clark函数相关。

6.如权利要求2所述的方法，其中：

所述第一局部坐标系和所述第二局部坐标系相同。

7.如权利要求2所述的方法，其中：

所述第一局部坐标系和所述第二局部坐标系不同。

8.如权利要求1所述的方法，其中：

在动画期间，在所述头顶皮肤的新位置矢量处，显示所述计算机动画人物的皮肤部分。

9.如权利要求1所述的方法，其中：

所述一个或多个控制点的控制点的位置矢量在确定头顶皮肤的新位置矢量之前即将改变。

10.如权利要求1所述的方法，其中：

所述一个或多个控制点的控制点的局部坐标系在确定头顶皮肤的新位置矢量之前即将改变。

11.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

计算在所述头顶皮肤的位置矢量和所述头顶皮肤的新位置矢量之间的差；

接收缩放因子的用户选择；和

基于接收到的缩放因子，计算的差，和所述头顶皮肤的位置矢量和所述头顶皮肤的新位置矢量的至少一个，确定所述头顶皮肤的另一位置矢量。

12.一种具有计算机可执行指令用于变形计算机动画人物的模型的皮肤的永久性计算机可读存储介质，包括指令用于：

访问所述模型，其中所述模型包括具有被连接在一个或多个关节处的多个骨骼的骨架，其中所述一个或多个关节的关节与第一局部坐标系相关；

访问一个或多个控制点的用户选择，其中每一个控制点与第二局部坐标系相关；

访问头顶皮肤，其中所述头顶皮肤表示在皮肤上的位置和与位置矢量相关的头顶皮肤；

访问加权策略的用户选择；

使用所选加权策略和所选控制点确定头顶皮肤的新的位置矢量；和

存储所述头顶皮肤的新的位置矢量。

13.如权利要求12所述的永久性计算机可读存储介质，其中所述确定头顶皮肤的新的位置矢量包括：

使用所述头顶皮肤和所述选择的加权策略识别所述控制点的子集；

使用所述头顶皮肤的位置矢量，在识别出的控制点子集中的每一个控制点的位置矢量，和所选加权策略，确定在识别出的控制点子集中每一个控制点的多个系数；和

使用与识别出的控制点子集中每一个控制点相关的局部坐标系和所述加权系数确定偏移矢量。

14.如权利要求13所述的永久性计算机可读存储介质，其中：

将加权策略表示为几何函数。

15.如权利要求14所述的永久性计算机可读存储介质，其中：

所述几何函数与B样本函数相关。

16.如权利要求14所述的永久性计算机可读存储介质，其中：

所述几何函数与Catmull-Clark函数相关。

17.如权利要求13所述的永久性计算机可读存储介质，其中：

所述第一局部坐标系和所述第二局部坐标系相同。

18.如权利要求13所述的永久性计算机可读存储介质，其中：

所述第一局部坐标系和所述第二局部坐标系不同。

19.如权利要求12所述的永久性计算机可读存储介质，其中：

在动画期间，在所述头顶皮肤的新位置矢量处，显示所述计算机动画人物的皮肤部分。

20.如权利要求12所述的永久性计算机可读存储介质，其中：

所述一个或多个控制点的控制点的位置矢量在确定头顶皮肤的新位置矢量之前即将改变。

21.如权利要求12所述的永久性计算机可读存储介质，其中：

所述一个或多个控制点的控制点的局部坐标系在确定头顶皮肤的新位置矢量之前即将改变。

22.如权利要求12所述的永久性计算机可读存储介质，进一步包括指令用于：

计算在所述头顶皮肤的位置矢量和所述头顶皮肤的新位置矢量之间的差；

接收缩放因子的用户选择；和

基于接收到的缩放因子，计算的差，和所述头顶皮肤的位置矢量和所述头顶皮肤的新位置矢量的至少一个，确定所述头顶皮肤的另一位置矢量。

23.一种用于变形计算机动画人物的模型的皮肤的系统，所述系统包括：

服务器，配置用于：

访问所述模型，其中所述模型包括具有被连接在一个或多个关节处的多个骨骼的骨架，其中所述一个或多个关节的关节与第一局部坐标系相关；

访问一个或多个控制点的用户选择，其中每一个控制点与第二局部坐标系相关；

访问头顶皮肤，其中所述头顶皮肤表示在皮肤上的位置和与位置矢量相关的头顶皮肤；

访问加权策略的用户选择；

使用所选加权策略和所选控制点确定头顶皮肤的新的位置矢量；和

存储所述头顶皮肤的新的位置矢量。

24.如权利要求23所述的系统，其中所述确定头顶皮肤的新的位置矢量包括：

使用所述头顶皮肤和所述选择的加权策略识别所述控制点的子集；

使用所述头顶皮肤的位置矢量，在识别出的控制点子集中的每一个控制点的位置矢量，和所选加权策略，确定在识别出的控制点子集中每一个控制点的多个系数；和

使用与识别出的控制点子集中每一个控制点相关的局部坐标系和所述加权系数确定偏移矢量。

25.如权利要求24所述的系统，其中：

将加权策略表示为几何函数。

26.如权利要求25所述的系统，其中：

所述几何函数与B样本函数相关。

27.如权利要求25所述的系统，其中：

所述几何函数与Catmull-Clark函数相关。

28.如权利要求24所述的系统，其中：

所述第一局部坐标系和所述第二局部坐标系相同。

29.如权利要求24所述的系统，其中：

所述第一局部坐标系和所述第二局部坐标系不同。

30.如权利要求23所述的系统，其中：

在动画期间，在所述头顶皮肤的新位置矢量处，显示所述计算机动画人物的皮肤部分。

31.如权利要求23所述的系统，其中：

所述一个或多个控制点的控制点的位置矢量在确定头顶皮肤的新位置矢量之前即将改变。

32.如权利要求23所述的系统，其中：

所述一个或多个控制点的控制点的局部坐标系在确定头顶皮肤的新位置矢量之前即将改变。

33.如权利要求23所述的系统，进一步包括：

计算在所述头顶皮肤的位置矢量和所述头顶皮肤的新位置矢量之间的差；

接收缩放因子的用户选择；和

基于接收到的缩放因子，计算的差，和所述头顶皮肤的位置矢量和所述头顶皮肤的新位置矢量的至少一个，确定所述头顶皮肤的另一位置矢量。

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