CN103325134A - 一种实时立体动画(2k)创作平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一套立体的、能产生逼真效果的一种实时立体动画(2K)创作平台，本发明总体来说分为两个部分，一个部分是硬件部分，硬件部分是对信号的分离、处理和显示；另外一个是软件部分，软件部分主要是基于传统主流应用动画软件上面的一个二次开发；本发明实现了CPU和GPU的混合计算的渲染技术，再结合上动作捕捉技术。本发明是国内领先的对广大企业有实际作用的，并且此平台是革命性的，能够切实的提高广大企业的生产效率。它可以在传统的动作捕捉系统的基础上即时与传统常规软件完美结合，对动作捕捉设备没有过分的要求，什么样的设备都可以用。

Description

一种实时立体动画(2K)创作平台

技术领域

本发明涉及一种动画平台，尤其涉及一种立体动画创作平台。

背景技术

技术是现代动漫制胜的关键因素，技术研究是动漫发展的先导性、基础性工作，动漫技术的发展主要围绕两个方面的追求展开。一是追求“更好的效果”。通过在运动方面(如骨骼、蒙皮、肌肉、变形、表情、口型、布料、流体、动力学、毛发、碰撞等)、渲染方面(分层技术、集群渲染、网络渲染等)、特效方面(粒子系统、群体技术等)的技术研究，以达到更为完美的视觉艺术效果，并建立相应插件和可以调用的数据库(动作库、表情库、素材库等)，以方便这技术的运用。二是追求“更高的效率”。早期动画分层技术的运用，就是追求效率的表现，后来的补插关键帧绘制分工也是如此。三维动画制作在效率上有着特有的优势，免除了传统二维动画中间画、着色等方面繁重的劳动，动作、渲染等步骤可以连续完成，并能反复修改，大大提高了工作效率。但是现存三维动画制作在运动控制技术、渲染技术等方而需要我们今后进步发展和完善。未来“大动漫”产业将“科技”为先导，最近十多年美国动漫业的发展已经揭示了这点。美国动漫产业原本就极为成熟，以“形象”为先导的动漫产业极为发达，但是他们没有满足于此，而是紧紧依托科技发展，最早涉足计算机动画研究，最早开发CG技术，最早产出三维动画电影，最早将动漫新技术运用于军事、教育等其他领域，最早形成了动漫大产业的形态。同时，动漫作为个文化产业，是充满“创意”的产业，只有充分的竞争才能得到充分的发展。日本的经验就是如此，他们虽然在美国动漫的打压之下略显颓势，但由于其动漫制作行业的充分竞争，总结了套行之有效的流程管理模式，不断“挖潜”降低成本、提高效率，所以依旧保持着相当的活力。传统的动画制作首先在质量上比较差，另外在制作过程中无法在前期查看到动画的立体效果，只能凭经验制作这样直接影响到作画的制作效果，并不能拍摄到最好效果或在动画完成之后查看立体动画效果，一旦有问题，只能通过后期处理，这样既浪费时间，又得不到好的效果。国外有类似这样的系统，但是在功能上都有一定的局限性。比如说，他们的操作只能是平面的，而且在行业中也没有虚拟摄影系统，即使有虚拟摄影系统也不可能做成立体预监，而且虚拟摄影系统中在虚拟空间中产生影响的效果并不是很逼真，这些都是国外项目的局限性。

发明内容

根据以上技术问题本发明提供一套立体的、能产生逼真效果的一种实时立体动画(2K)创作平台，其特征在于本发明总体来说分为两个部分，

一个部分是硬件部分，硬件部分是对信号的分离、处理和显示；另外一个是软件部分，软件部分主要是基于传统主流应用动画软件上面的一个二次开发；软件部分：第一个就是shader库(范例)；第二个是适合视口显示的脚本语言；第三个就是camera rig系统，就是摄像机立体监视系统；第四个就是屏幕大小比例位置调整系统。

硬件部分在3DS max下进行视口的实时，AO+GI+Mot ionblue+Depth of field的2.5le实时(1～3秒/帧)渲染，本发明通过CPU+GPU的实时渲染系统，将动作扑捉数据结合，实时渲染动画作品，本发明在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后向得到三维空间中各跟踪器坐标的数据，本发明回避传统动捕动画的动作呆板问题，可以自动生成大量丰富的次级动画，产生Pixer风格的动画作品：另外，我们以CPU+GPU的混合架构为硬件基础，使用Mentalmill和Shader FX为图形化编程基础，建立了一套CUDA和Direct X，shader lib。

GPU英文全称Graphic Processing Unit，中文翻译为“图形处理器”，GPU是相对于CPU的一个概念，GPU卡一般是做计算不做显示，当前GPU的运算量是通用服务器的20倍左右，所以被很多需要高性能运算的行业看中，采用CPU-GPU协同计算加速架构，以CPU和GPU双计算核心实现协同计算加速。

CPU专职逻辑选择、判断跳转和IO通信计算，GPU专职计算密集型、高度并行的计算任务，使得计算资源得到合理分配，计算力被充分释放，计算性能实现几倍到几百倍的增长，这种架构在相当于普通PC的体积上实现了万亿次的计算性能，为大量数据并行处理、计算密集型应用提供了一种全新的超高性价比的解决方案

本发明的软件系统包括：

(1)实时3D立体渲染系统

(2)实时虚拟摄像机预监系统

(3)实时立体动画生成和预监系统

本发明在一个监视器上装上若干捕捉点将荧屏系统与场景中摄影机绑定，即使实际空间中的监视器与场景中的虚拟摄像机相连，而虚拟摄像机上的效果及时在摄影机屏幕上反映，本发明将捕捉好的数据与传统三维软件无缝的捆绑在一起，同时将三维软件中的视口进行双路输出，同事预演一个摄影机GIR中的图像，并将信号同时传递到3D液晶监视器中。

所述实时3D立体渲染系统，首先，本发明在传统的动作捕捉基础上将演员的动作信号传递到计算机的动画制作软件里，按照传统的理论及制作方法，在动画软件里看到的也只是一些简单的角色展示效果，但是在这里面加入了我们实时渲染这套技术之后，就可以从视口里看到一个非常完备的角色渲染效果，包括前面加入的GI等效果，本发明要把这个效果输出，第一是向操作这台电脑的人输出；第二也是最关键的一点，在场景中放置一个虚拟摄影机，这个虚拟摄影机的空间位置是被场景中捕捉动捕演员的摄影头同步记录的，这些信号同样也会被传递到三维软件中，三维软件中会有一个虚拟摄影机，而三维软件中的摄影机和实际的摄影机之间的关系是，实际的虚拟摄影机是一个显示屏幕，它的作用是提供了一个摄影机的位置关系，所以它被叫做虚拟摄影机，但是在计算机软件中实际的虚拟摄影机是一个真正的虚拟摄影机；立体摄影机的原理导致了要在三维动画软件里来模拟它是一个有点麻烦的繁琐劳动，因为要保证摄影机在动画过程中，始终保持左右眼机位的相对距离不变，那么就需要至少花一点时间来进行3d camera的rig搭建，本发明制作了这个程序来实现快速搭建摄影机rig这是用程序来快速生成3D立体摄影机的程序，主要功能包括：

a)根据场景中已有的摄影机生成和它绑定的3D立体摄影机，摄影机参数和原摄影机参数保持一致

b)程序会生成一个绿色控制物体，并且自定义了摄影机距离参数，通过简单的调节这个参数就能够快速的设置摄影机的distance眼距

c)两只左右眼的摄影机参数关联，能保持同步

软件部分可以实现即时渲染，在场景种建立实时的虚拟摄影机系统，允许像操纵传统摄影机一样操纵这种虚拟摄影机的系统，与传统的演播室以及传统的拍摄手段能够完美结合，并且可以即时调整的一套即时立体预监系统，动画立体预监系统，本发明通过CPU+GPU的实时渲染系统，将动作扑捉数据结合，实时渲染动画作品，本发明在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motioncapture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后向得到三维空间中各跟踪器坐标的数据。本发明回避传统动捕动画的动作呆板问题，可以自动生成大量丰富的次级动画，产生Pixer风格的动画作品：另外，我们以CPU+GPU的混合架构为硬件基础，使用Mentalmill和Shader FX为图形化编程基础，建立了一套CUDA和Direct X，shader lib。

本发明的有益效果为：本发明实现了CPU和GPU的混合计算的渲染技术，再结合上动作捕捉技术。本发明是国内领先的对广大企业有实际作用的，并且此平台是革命性的，能够切实的提高广大企业的生产效率。它可以在传统的动作捕捉系统的基础上即时与传统常规软件完美结合，对动作捕捉设备没有过分的要求，什么样的设备都可以用。本发明实时地观看到动画的动作画面以及立体效果，实时监测，实时修改，很大地缩短了制作周期，提高了制作水平，这样会对前期制作有非常重要的指导作用。本发明和现有的主流软件，比如说像3Dsmax\Maya\Softimage这三个双击率占99％的三维动画软件，能够完美结合，尤其是对最主流3Ds max，可能双击要占到60％到70％，这些都要有结合，不能只是和MotionBuilder这种高级动画结合，也就是说这种普及性也可以正常结合。实时捕捉的功能，使得导演、演员能够评估、调整动作到所需的最佳状态，避免因演员和动画模型大小比率不匹配而动作穿帮。本发明开发提供了一个立体预监的环节，把两路的这种同步的camera rig的DVI信号直接进行输出，并进行信号转换，输出到支持双路立体信号的监视器上进行预监。本发明改变了原有的三维动画的生产方式，快速的实时输出3D立体的动画，出现了电视级的高清动画片。输出速度对比传统方式有进百倍的速度提升，本发明用来创作3D立体的动画也非常快捷，只需要上述电视级高清动画大概两倍的时间就能完成。通过3D预监，使动画的制作从“做动画”变成了“演动画”实现“演动画”的创作状态，而且可以避免演员表演的呆板问题，其创作速度与质量是传统三维创作手段所不可比拟的。一般10-15人的团队，每天的HD动画的产量可以达到10-15分钟。

具体实施方式

根据需求，如果做替换通用高性能计算架构，采用CPU+GPU异构集群我们可使用超微1U GPU服务器或者选择塔式GPU服务器，前者在1U机身里可安放2片Tesla C1060 GPU卡，而后者在塔式机身中可安放4块C1060 GPU卡，并且还可以插一块双厚高性能图形显示卡。客户需求是用GPU替换1000颗E5420处理器搭建的高性能计算集群。那么根据Tesla C1060 GPU卡的浮点运算性能可以知道，只需要60块C1060 GPU就能满足1000颗处理器所达到的浮点运算能力。结合GPU服务器产品，我们可以选择两种硬盘方案。一种用1U机架式GPU服务器30台来搭建高性能集群。另外一种用塔式20台来搭建高性能集群。捕捉设备主要用于捕捉标记点(marks)的坐标、方向、动作等。一般的光学捕捉设备是通过若干高速摄像机对需要捕捉的人或物体进行包围布置，而且演员或动物身上均需要牢固绑上各种反光小球。光学捕捉设备的最大特点在于高精确度。目前大量的电影公司和游戏公司都采用光学捕捉设备进行捕捉。但光学捕捉设备价钱非常昂贵，而且安装布线比较麻烦，对于需要实时的用户更需要高性能的电脑与之配合。另外，光学捕捉技术的难点之一在于在于如何解决当被捕捉物体的感应器被其他物体或身体的其他部分阻挡的时候的捕捉。一般的方法是采用更多的摄像机，但摄像机越多，安装越困难，而且成本就越高。本发明与NVIDIA的立体显示技术结合进行实时立体渲染输出，这是我们在测试过程中感到非常兴奋的：立体动画实时渲染成为可能。

Claims (7)

1.一种实时立体动画(2K)创作平台，其特征在于：本发明总体来说分为两个部分，一个部分是硬件部分，硬件部分是对信号的分离、处理和显示；另外一个是软件部分，软件部分主要是基于传统主流应用动画软件上面的一个二次开发；软件部分：第一个就是shader库(范例)；第二个是适合视口显示的脚本语言；第三个就是camera rig系统，就是摄像机立体监视系统；第四个就是屏幕大小比例位置调整系统。

2.按照权利要求1所述的一种实时立体动画(2K)创作平台，其特征在于：硬件部分在3DS max下进行视口的实时，AO+GI+Motionblue+Depth of field的2.5le实时(1～3秒/帧)渲染，本发明通过CPU+GPU的实时渲染系统，将动作扑捉数据结合，实时渲染动画作品，本发明在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后向得到三维空间中各跟踪器坐标的数据，本发明回避传统动捕动画的动作呆板问题，可以自动生成大量丰富的次级动画，产生Pixer风格的动画作品：另外，我们以CPU+GPU的混合架构为硬件基础，使用Mentalmill和Shader FX为图形化编程基础，建立了一套CUDA和Direct X，shader lib。

3.按照权利要求1所述的一种实时立体动画(2K)创作平台，其特征在于：GPU英文全称Graphic Processing Unit，中文翻译为“图形处理器”，GPU是相对于CPU的一个概念，GPU卡一般是做计算不做显示，当前GPU的运算量是通用服务器的20倍左右，所以被很多需要高性能运算的行业看中，采用CPU-GPU协同计算加速架构，以CPU和GPU双计算核心实现协同计算加速。

4.按照权利要求1所述的一种实时立体动画(2K)创作平台，其特征在于：CPU专职逻辑选择、判断跳转和IO通信计算，GPU专职计算密集型、高度并 行的计算任务，使得计算资源得到合理分配，计算力被充分释放，计算性能实现几倍到几百倍的增长，这种架构在相当于普通PC的体积上实现了万亿次的计算性能，为大量数据并行处理、计算密集型应用提供了一种全新的超高性价比的解决方案本发明的软件系统包括：

(1)实时3D立体渲染系统；

(2)实时虚拟摄像机预监系统；

(3)实时立体动画生成和预监系统。

5.按照权利要求1所述的一种实时立体动画(2K)创作平台，其特征在于：本发明在一个监视器上装上若干捕捉点将荧屏系统与场景中摄影机绑定，即使实际空间中的监视器与场景中的虚拟摄像机相连，而虚拟摄像机上的效果及时在摄影机屏幕上反映，本发明将捕捉好的数据与传统三维软件无缝的捆绑在一起，同时将三维软件中的视口进行双路输出，同事预演一个摄影机GIR中的图像，并将信号同时传递到3D液晶监视器中。

6.按照权利要求4所述的一种实时立体动画(2K)创作平台，其特征在于：所述实时3D立体渲染系统，首先，本发明在传统的动作捕捉基础上将演员的动作信号传递到计算机的动画制作软件里，按照传统的理论及制作方法，在动画软件里看到的也只是一些简单的角色展示效果，但是在这里面加入了我们实时渲染这套技术之后，就可以从视口里看到一个非常完备的角色渲染效果，包括前面加入的GI等效果，本发明要把这个效果输出，第一是向操作这台电脑的人输出；第二也是最关键的一点，在场景中放置一个虚拟摄影机，这个虚拟摄影机的空间位置是被场景中捕捉动捕演员的摄影头同步记录的，这些信号同样也会被传递到三维软件中，三维软件中会有一个虚拟摄影机，而三维软件中的摄 影机和实际的摄影机之间的关系是，实际的虚拟摄影机是一个显示屏幕，它的作用是提供了一个摄影机的位置关系，所以它被叫做虚拟摄影机，但是在计算机软件中实际的虚拟摄影机是一个真正的虚拟摄影机；立体摄影机的原理导致了要在三维动画软件里来模拟它是一个有点麻烦的繁琐劳动，因为要保证摄影机在动画过程中，始终保持左右眼机位的相对距离不变，那么就需要至少花一点时间来进行3d camera的rig搭建，本发明制作了这个程序来实现快速搭建摄影机rig这是用程序来快速生成3D立体摄影机的程序，主要功能包括：

a)根据场景中已有的摄影机生成和它绑定的3D立体摄影机，摄影机参数和原摄影机参数保持一致

b)程序会生成一个绿色控制物体，并且自定义了摄影机距离参数，通过简单的调节这个参数就能够快速的设置摄影机的distance眼距

c)两只左右眼的摄影机参数关联，能保持同步。

7.按照权利要求2所述的一种实时立体动画(2K)创作平台，其特征在于：软件部分可以实现即时渲染，在场景种建立实时的虚拟摄影机系统，允许像操纵传统摄影机一样操纵这种虚拟摄影机的系统，与传统的演播室以及传统的拍摄手段能够完美结合，并且可以即时调整的一套即时立体预监系统，动画立体预监系统，本发明通过CPU+GPU的实时渲染系统，将动作扑捉数据结合，实时渲染动画作品，本发明在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后向得到三维空间中各跟踪器坐标的数据。本发明回避传统动捕动画的动作呆板问题，可以自动生成大量丰富的次级动画，产生Pixer风格的动画作品：另外，我们以CPU+GPU的混合架构为硬件基础，使用Mentalmill和Shader FX为图形化编程基础，建立了一套 CUDA和Direct X，shader lib。