CN104574475B - 一种基于次级控制器的精细动画制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于次级控制器的精细动画制作方法，通过确定每个次级控制器所在的多边形以及在该多边形内的局部坐标；导出每个次级控制器的权重数据，合并为单一的权重系统，可以提高动画调试的速度；同时，进行骨骼绑定所致的动画后，录下次级控制器相对于它自身的局部坐标系的位移旋转变换矩阵M，然后根据次级控制器对多边形模型上各顶点的权重，累积所有次级控制器的变换效果，实现了次级控制器控制的精细动画效果，相对于现有三维软件中的次级控制器，其创建更新控制器位置的节点和控制器调整多边形模型上顶点位置的节点，否则会构成有向有环图，因此本发明的方法进一步解决了现有三维软件中添加多个次级控制器后角色动画调试变慢的问题。

Description

一种基于次级控制器的精细动画制作方法

技术领域

本发明涉及三维动画技术领域，尤其涉及一种基于次级控制器的精细动画制作方法。

背景技术

三维动画技术，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一种新兴技术，可以方便快捷地制作出满足导演需求的三维动画或影视特效镜头。

三维动画片的制作原理一般为：首先，利用三维动画制作工具(比如3ds Max、Maya或Houdini)在计算机中建立一个虚拟的世界；然后，在这个虚拟的三维世界中添加场景和三维卡通角色等三维模型；最后，设定模型的动画曲线、虚拟摄影机的运动轨迹和其它动画参数，渲染得到角色动画。

由于三维动画技术具备可精确模拟真实景象、几乎无创作限制等特点，目前被广泛应用于娱乐、教育、军事等诸多领域。

在利用现有三维动画制作工具制作角色动画时，常常使用融合变形方法(Blendshape)，也就是制作多个动画后的目标模，然后调节各个目标模的权重，融合模型上的顶点，从而得到从原始模型逐步过所需最终变形模型的动画效果。为了给角色的肢体动画或表情动画，添加更为丰富的细节变化，比如眉毛的上挑，往往需要在融合变形的结果上添加次级控制器进行局部调节。所谓次级控制器，就是由单一关节点(joint)组成的骨骼绑定系统，它由关节点自身的位置信息，位移旋转信息，以及所影响的多边形点的权重系统组成。但是三维软件中，往往会为每个次级控制器生成一个独立的权重系统，然后顺序处理这些控制系统，而在调试表情动画时往往会添加数十个次级控制器，造成动画师调试动画时动画的变形会很缓慢，难以交互的看到动画效果。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于次级控制器的精细动画制作方法，能够提供一种更为精细和迅速的骨骼动画调节方式。

一种基于次级控制器的精细动画制作方法，包括如下步骤：

步骤1、将动画中设置的次级控制器绑定在多边形模型中对应的多边形面上，并确定各个次级控制器在各自所在多边形面上的质心坐标；

其中，所述质心坐标的定义如下：对于空间中的任意多边形，设v1、v2、v3…vn分别表示多边形的n个顶点在全局坐标系中的坐标，则该多边形内任一点P的坐标表示为：x1×v1+x2×v2+x3×v3+…+xn×vn，且x1+x2+x3+…+xn＝1，即点P在该多边形面上的质心坐标为：(x1，x2，x3,…，xn)；

所述全局坐标系定义为：在所述多边形模型所在三维空间的位置固定的任意一个笛卡尔坐标系；

步骤2、根据步骤1的绑定结果，提取出次级控制器对于多边形模型中各多边形面上顶点的影响权重数据，然后将所有次级控制器对同一顶点的影响权重数据沿行的方向依次排列，由此形成一个权重数据系统，则该权重数据系统中的第一行对应各顶点序列号，第一列表示绑定在该多边形模型上的次级控制器的序列号，则第h行与第k列相交处的数据就是第h个顶点受第k个次级控制器影响的权重值，其中，h和k均不等于1；

步骤3、根据步骤1得到的次级控制器的质心坐标以及步骤2得到的权重数据系统，在每一动画帧处，计算出所有次级控制器对多边形模型上各顶点精细调整后的全局位置坐标，由此获得由次级控制器控制得到的精细动画效果，具体方法如下：

S31、利用三维制作工具中自带的骨骼绑定或融合变形模块设定多边形模型的宏观形变动画；

S32、针对每一个次级控制器，依据剧情需要，在所述宏观形变动画对应的所有帧序列中选择一个以上的关键帧，然后在每个次级控制器对应的每个关键帧处，根据该次级控制器所在多边形面各顶点在当前关键帧时刻宏观形变后的全局坐标，结合步骤1中次级控制器的质心坐标，得到每个次级控制器在全局坐标系中的位置；

S33、首先，依据S32中获取的次级控制器的在全局坐标系中的位置，将次级控制器显示在三维动画制作工具的屏幕上，动画师根据剧情需要设置在当前关键帧处，该次级控制器在局部坐标系中的精细形变，所述精细形变表示为平移变换、旋转变换和缩放变换中的任意一种、两种或三种；所述局部坐标系是指：针对所述全局坐标系中的多边形模型上的任意多边形面，以该多边形面的质心为原点，在多边形面上通过原点并互相垂直的两个方向为x轴和y轴，过原点并垂直该多边形面的轴为z轴；

然后，得到所述精细形变相对于帧序列中的第0帧的局部变换矩阵；

最后，针对每个次级控制器对应的除关键帧外的任一帧k，执行步骤S34至S35；

S34、根据S33中设定的各次级控制器的所有关键帧处，确定与k帧前、后相邻的两个关键帧，在该两个关键帧的局部变换矩阵之间做插值，得到k帧对应的局部变换矩阵，然后依据局部坐标系和全局坐标系之间的关系，将其转换为全局变换矩阵；

S35、针对多边形模型中的任一顶点i，通过查找步骤二中权重数据系统的二维数据表，得到次级控制器j对顶点i的权重；令表示k帧时顶点i在S31步骤中宏观形变动画后的全局位置，则经所有次级控制器精细调整后的顶点i全局位置坐标为：以此类推，获得多边形模型上各顶点的全局位置坐标，得到k帧时精细调整后的变形效果，由此获得由次级控制器控制得到的精细动画效果。

所述步骤1中，绑定次级控制器的方法为：以光标所在位置作为视线原点，摄像机朝向作为视线方向，沿该视线方向向多边形模型做射线，然后将该射线与多边形模型进行相交检测；距离摄像机最近且与所述射线相交的多边形面就是次级控制器所在的多边形，相交检测到的交点即为次级控制器的位置。

本发明具有如下有益效果：

本发明的精细动画制作方法，通过确定每个次级控制器所在的多边形(四边形或三角形)以及在该多边形内的局部坐标；导出每个次级控制器的权重数据，合并为单一的权重系统，相对于一个次级控制器对应导出一个权重系统的传统方式，本发明的方法可以提高动画调试的速度；同时，进行骨骼绑定所致的动画后，录下次级控制器相对于它自身的局部坐标系的位移旋转变换矩阵M，然后根据次级控制器对多边形模型上各顶点的权重，累积所有次级控制器的变换效果，实现了次级控制器控制的精细动画效果，相对于现有三维软件中的次级控制器，其创建更新控制器位置的节点和控制器调整多边形模型上顶点位置的节点，否则会构成有向有环图，即控制器位置更新导致多边形面顶点位置更新，导致控制器位置更新，无限循环下去，因此本发明的方法进一步解决了现有三维软件中添加多个次级控制器后角色动画调试变慢的问题。

附图说明

图1为本发明的合并后的权重数据系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种基于次级控制器的精细动画制作方法，包括如下步骤：

步骤1、将动画中设置的次级控制器绑定在多边形模型中对应的多边形面上，并确定各个次级控制器在各自所在多边形面上的质心坐标；其中，所述质心坐标的定义如下：对于空间中的任意多边形，设v1、v2、v3…vn分别表示多边形的n个顶点在全局坐标系中的坐标，则该多边形内任一点P的坐标表示为：x1×v1+x2×v2+x3×v3+…+xn×vn，且x1+x2+x3+…+xn＝1，即点P在该多边形面上的质心坐标为：(x1，x2，x3,…，xn)；

所述全局坐标系定义为：在所述多边形模型所在三维空间的位置固定的任意一个笛卡尔坐标系；

为了方便绑定师对模型细节调节，次级控制器的绑定过程被设计为交互式过程，绑定师只需在模型观察窗口中将鼠标移动到某个多边形上，按下鼠标即可，工具将自动在该多边形上与鼠标位置处摄像机视线相交的点处放置次级控制器，并自动在三维软件中生成一个缺省的权重系统。

在实现上，首先以鼠标所在位置作为视线原点，摄像机朝向作为视线方向，用此视线与模型空间做射线和多边形的相交检测，距离摄像机最近且与视线相交的多边形面就是次级控制器所在的多边形。

步骤2、根据步骤1的绑定结果，提取出次级控制器对于多边形模型中各多边形面上顶点的影响权重数据，然后将所有次级控制器对同一顶点的影响权重数据沿行的方向依次排列，由此形成一个权重数据系统，如图1所示，则该权重数据系统中的第一行对应各顶点序列号，第一列表示绑定在该多边形模型上的次级控制器的序列号，则第h行与第k列相交处的数据就是第h个顶点受第k个次级控制器影响的权重值，其中，h和k均不等于1。

步骤3、根据步骤1得到的次级控制器的质心坐标以及步骤2得到的权重数据系统，在每一动画帧处，计算出所有次级控制器对多边形模型上各顶点精细调整后的全局位置坐标，由此获得由次级控制器控制得到的精细动画效果，具体方法如下：

S31、利用三维制作工具中自带的骨骼绑定或融合变形模块设定多边形模型的宏观形变动画；

S32、针对每一个次级控制器，依据剧情需要，在所述宏观形变动画对应的所有帧序列中选择一个以上的关键帧，然后在每个次级控制器对应的每个关键帧处，根据该次级控制器所在多边形面各顶点在当前关键帧时刻宏观形变后的全局坐标，结合步骤1中次级控制器的质心坐标，得到每个次级控制器在全局坐标系中的位置；

S33、首先，依据S32中获取的次级控制器的在全局坐标系中的位置，将次级控制器显示在三维动画制作工具的屏幕上，动画师根据剧情需要设置在当前关键帧处，该次级控制器在局部坐标系中的精细形变，所述精细形变表示为平移变换、旋转变换和缩放变换中的任意一种、两种或三种；所述局部坐标系是指：针对所述全局坐标系中的多边形模型上的任意多边形面，以该多边形面的质心为原点，在多边形面上通过原点并互相垂直的两个方向为x轴和y轴，过原点并垂直该多边形面的轴为z轴；

然后，得到所述精细形变相对于帧序列中的第0帧的局部变换矩阵；

最后，针对每个次级控制器对应的除关键帧外的任一帧k，执行步骤S34至S35；

S34、根据S33中设定的各次级控制器的所有关键帧处，确定与k帧前、后相邻的两个关键帧，在该两个关键帧的局部变换矩阵之间做插值，得到k帧对应的局部变换矩阵，然后依据局部坐标系和全局坐标系之间的关系，将其转换为全局变换矩阵；

S35、针对多边形模型中的任一顶点i，通过查找步骤二中权重数据系统的二维数据表，得到次级控制器j对顶点i的权重；令表示k帧时顶点i在S31步骤中宏观形变动画后的全局位置，则经所有次级控制器精细调整后的顶点i全局位置坐标为：以此类推，获得多边形模型上各顶点的全局位置坐标，得到各顶点在各帧的全局位置坐标后，就可采用现有的三维动画软件系统实现次级控制器对精细动画动作的控制，获得由次级控制器控制得到的精细动画效果。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于次级控制器的精细动画制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将动画中设置的次级控制器绑定在多边形模型中对应的多边形面上，并确定各个次级控制器在各自所在多边形面上的质心坐标；

其中，所述质心坐标的定义如下：对于空间中的任意多边形，设v1、v2、v3…vn分别表示多边形的n个顶点在全局坐标系中的坐标，则该多边形内任一点P的坐标表示为：x1×v1+x2×v2+x3×v3+…+xn×vn，且x1+x2+x3+…+xn＝1，即点P在该多边形面上的质心坐标为：(x1，x2，x3,…，xn)；

所述全局坐标系定义为：在所述多边形模型所在三维空间的位置固定的任意一个笛卡尔坐标系；

步骤2、根据步骤1的绑定结果，提取出次级控制器对于多边形模型中各多边形面上顶点的影响权重数据，然后将所有次级控制器对同一顶点的影响权重数据沿行的方向依次排列，由此形成一个权重数据系统，则该权重数据系统中的第一行对应各顶点序列号，第一列表示绑定在该多边形模型上的次级控制器的序列号，则第h行与第d列相交处的数据就是第h个顶点受第d个次级控制器影响的权重值，其中，h和d均不等于1；

步骤3、根据步骤1得到的次级控制器的质心坐标以及步骤2得到的权重数据系统，在每一动画帧处，计算出所有次级控制器对多边形模型上各顶点精细调整后的全局位置坐标，由此获得由次级控制器控制得到的精细动画效果，具体方法如下：

S31、利用三维制作工具中自带的骨骼绑定或融合变形模块设定多边形模型的宏观形变动画；

S32、针对每一个次级控制器，依据剧情需要，在所述宏观形变动画对应的所有帧序列中选择一个以上的关键帧，然后在每个次级控制器对应的每个关键帧处，根据该次级控制器所在多边形面各顶点在当前关键帧时刻宏观形变后的全局坐标，结合步骤1中次级控制器的质心坐标，得到每个次级控制器在全局坐标系中的位置；

S33、首先，依据S32中获取的次级控制器在全局坐标系中的位置，将次级控制器显示在三维动画制作工具的屏幕上，动画师根据剧情需要将次级控制器设置在当前关键帧处，获得该次级控制器在局部坐标系中的精细形变，所述精细形变表示为平移变换、旋转变换和缩放变换中的任意一种、两种或三种；所述局部坐标系是指：针对所述全局坐标系中的多边形模型上的任意多边形面，以该多边形面的质心为原点，以多边形面上通过原点并互相垂直的两个方向为x轴和y轴，以过原点并垂直该多边形面的轴为z轴；

然后，得到所述精细形变相对于帧序列中的第0帧的局部变换矩阵；

最后，针对每个次级控制器对应的除关键帧外的任一帧k，执行步骤S34至S35；

S34、根据S33中设定的各次级控制器的所有的关键帧处，确定与k帧前、后相邻的两个关键帧，在该两个关键帧的局部变换矩阵之间做插值，得到k帧对应的局部变换矩阵，然后依据局部坐标系和全局坐标系之间的关系，将其转换为全局变换矩阵；

S35、针对多边形模型中的任一顶点i，通过查找步骤2中权重数据系统的二维数据表，得到次级控制器j对顶点i的权重令表示k帧时顶点i在S31步骤中宏观形变动画后的全局位置，次级控制器j对顶点i的全局变换矩阵为则经所有次级控制器精细调整后的顶点i全局位置坐标为：以此类推，获得多边形模型上各顶点的全局位置坐标，得到k帧时精细调整后的变形效果，由此获得由次级控制器控制得到的精细动画效果。

2.如权利要求1所述的一种基于次级控制器的精细动画制作方法，其特征在于，所述步骤1中，绑定次级控制器的方法为：以光标所在位置作为视线原点，摄像机朝向作为视线方向，沿该视线方向向多边形模型做射线，然后将该射线与多边形模型进行相交检测；距离摄像机最近且与所述射线相交的多边形面就是次级控制器所在的多边形，相交检测到的交点即为次级控制器的位置。