CN104867171A - 一种三维角色的过渡动画生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维角色的过渡动画生成方法，包括角色模型输入步骤，结构遍历步骤，关节分类步骤，过渡时长计算步骤，插值方法和插值参数的选择步骤，角色旋转插值生成步骤，当前动画输入单元步骤，衔接动画输入单元步骤，动画分类步骤，角色位移插值生成步骤，根据已生成的角色旋转插值和角色位移插值，自动生成过渡动画。本发明所述的三维角色的过渡动画生成方法，解决了现有技术中动画过渡生成产生的不真实感和不流畅感，同时确保生成过渡动画时，在不增加时间复杂度的前提下，提高过渡动画的真实体验。

Description

一种三维角色的过渡动画生成方法

技术领域

本发明涉及计算机图形学领域，具体而言，涉及一种三维虚拟角色的过渡动画生成方法。

背景技术

角色动画在越来越多的领域被应用，近年来，交互式的娱乐游戏已经成为了虚拟角色动画的重要应用。玩家在游戏的过程中，需要触发大量的角色动画，因而，视频游戏需要大量的角色动画集。现如今，越来越多的角色扮演的交互式游戏，需要给虚拟角色制作大量的角色动画。

通常角色动画有两种实现方法，一种是骨骼动画，一种是形变动画。对于关节动物，骨骼动画是常用的方法。对已有角色模型进行骨骼绑定，并赋予影响权值，再对相应的骨骼关节进行操控，即可控制整个角色的动作。

当一个用户触发了一个任务，游戏中的角色需要做出相应的响应。当角色从一个动作跳转到另一个动作的时候，角色即需要一段过渡动画。现在过渡动画有以下几种方法：

第一种方法是不需要过渡动画，直接将两段动画连接起来。这是最方便快捷的方式，用于很多简单的游戏中，但是，这也是用户体验感最差的一种方式。这种方法直接将当前动画的最后一帧和下一个动画的第一帧，在当前的位置串接在一起，这使得动画非常的僵硬而且不真实；

第二种方法是目前在游戏中最普遍的一种方法，这个游戏需要拥有一个巨大的动画集，为玩家在游戏的过程中调用动画。这个动画集包括所有的角色动画，以及每一组动画之间的过渡动画。这些所有的动画都由动画师制作。这种方法带给动画师大量的工作，尤其是当剧情线很复杂的时候。要求动画师制作所有每两帧之前的过渡动画是不现实的。因为，动画将会播放直到该动画结束，才进入下一段动画，这就造成了动画延迟；

第三种方法是给定一段确切的时长，来做动画混合，这种过渡动画的方法可以自动的在两帧之间做插值。由于插值时长是提前设定好的，因而该方法对于不同的动画使用相同的插值方法，并且无法考虑整体的角色运动趋势。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种三维角色的过渡动画生成方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维角色的过渡动画生成方法，以解决现有的在实际应用中，动画过渡生成产生的不真实感和不流畅感，同时确保生成过渡动画时，在不增加时间复杂度的前提下，提高过渡动画的真实体验。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种三维角色的过渡动画生成方法，包括如下步骤：

1-1.角色模型输入步骤：将虚拟角色模型输入到动画系统中，在动画初始时，角色模型选择时即执行，并且在整个动画过程中，只执行一次，为之后的步骤做准备；

1-2.结构遍历步骤：从骨骼动画的根骨骼开始向下遍历每一关节节点，并对该关节的子节点个数进行标号，一次得到骨骼结构，并推算出该关节位于人体整体的位置，结构遍历在虚拟角色模型输入之后立即执行，并且在整个动画过程中，只执行一次；

1-3.关节分类步骤：根据角色模型的骨骼结构，将所有的关节分为三个部分：基础关节、运动关节和末端关节，关节分类步骤与结构遍历步骤同时执行，并且在整个动画过程中，只执行一次关节；

1-4.过渡时长计算步骤：根据关节分类和运动趋势，计算出每个关节所需的旋转时长，取其中的最大值为当前所需过渡时长。当用户触发下一个即将衔接的动作时，实时计算过渡时长，每次重新计算，其有益效果是，解决了现有过渡动画处理方法中，动画混合时长为定值的局限。过渡时长的可变性，满足了动画生成的个性化需求。由于动作之间的相似性差异，相应的过渡动画时长也不同；

1-5.插值方法和插值参数的选择步骤：根据角色模型关节的重要程度以及动作的复杂程度选择相应的插值方法，这样在保证动画流畅性的前提下，又保持了动画的响应速度，插值方法的选择是基于关节分类的；插值参数的选择分为通用插值参数选择和变速插值参数选择，只在基础关节和运动关节中进行，对于末端关节，直接选用通用插值参数，对于已经提前设定的阈值，若该关节的旋转角度大于该阈值，则可认为该关节是显著的运动，在人的视觉观感中，该关节的运动表现的更为明显，而选取变速插值参数；对于小于该阈值的旋转角度，则直接采取通用插值参数，而不会影响人的视觉观感，并可降低时间复杂度。插值参数的选择是基于旋转角度的大小，并参照关节分类而进行选择的。

1-6.角色旋转插值生成步骤：对于不同的关节选择相应的插值方法以及插值参数，生成角色模型每一个关节的旋转插值，角色旋转插值步骤是基于关节分类进行的，我们称之为层级化的插值方法。

2-1.当前动画输入单元步骤：将当前动画输入到动画系统中；

2-2.衔接动画输入单元步骤：将衔接动画输入到动画系统中；

其中，当前动画输入步骤和衔接动画输入步骤是在用户玩家触发虚拟角色的下一个动作的时候进行。为了体现过渡动画的真实感，过渡动画必须符合人体工学以及物理特性，因而需要做前后两个动作的衔接。这需要有一定的运动趋势，而不是只是在原地变化，这会使玩家有一种突兀的感觉。因为这种符合角色前后运动趋势的变化，极好地避免了角色动画的突变而造成的不真实感；

2-3.动画分类步骤：动画根据足部关节与跟关节进行分类，分为原地动画、平面动画和空间动画。动画分类步骤极大地简化了在位移插值时的复杂程度。由于所有的动画都是从动画库中提取的，因而，动画的分类在最初的动画录入时，即已完成分类。通过一些简单的足部和根关节的运动数据，将所有动画分为原地动画、平面动画和空间动画。对于只涉及原地动画的过渡动画，直接取消位移插值。对于涉及了平面动画而不涉及空间动画的过渡动画，只需要考虑平面坐标的运动趋势。对于涉及了空间动画的过渡动画，还需要额外考虑空间运动的物理属性；

2-4.角色位移插值生成步骤：根据当前动画和衔接动画的运动趋势和物理特性，对根骨骼空间位置进行插值，生成角色位移插值，从而完成对整个角色模型的空间位置设定；

3-1.根据步骤1-6已生成的角色旋转插值和步骤2-4已生成的角色位移插值，自动生成过渡动画。

本发明所述的一种三维角色的过渡动画生成方法，将虚拟角色的层级化旋转插值和位移插值结合在一起，得到最终的过渡动画，是一种可变时长的层级化动画插值方法。

不同于以往对过渡时长的设定，对于过渡时长的实时计算，基于需要衔接的前后两个动画的动作的差异性大小，以及运动趋势，计算基础关节和运动关节的所需过渡时长，并取其中的最大值为该段动画的过渡时长，这是在符合关节运动节奏的前提下，能够使动画平滑过渡，任何一个关节都不会因为跳变，而产生不真实感。我们称之为可变时长的插值方法。

最终生成的过渡动画是基于关节分类和动画分类的，对角色模型结构进行遍历，从而对关节进行层级化的插值，关键为，对于对整个角色动画效果影响大的关节，使用复杂而精准的插值方法，而对于末端关节，由于其运动变化琐碎，并且不会对整体动画效果产生过大的影响，对其使用简单的插值方法，以节省时间。我们称之为层级化的插值方法。这样能够在保证动画平滑性和真实性的前提下，尽可能多的降低时间复杂度，节省计算时间，从而达到实时响应。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本实施例的三维角色的过渡动画生成方法流程图；

图2为本实施例的角色模型骨骼层级结构遍历的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种三维角色的过渡动画生成方法，包括如下步骤：

步骤101、角色模型输入：将虚拟角色模型输入到动画系统中，在动画初始时，角色模型选择时即执行，并且在整个动画过程中，只执行一次，为之后的步骤做准备；

步骤102、结构遍历：因为本发明所述的角色动画是骨骼动画，这意味着，角色模型结构包含骨骼层级关系，在虚拟角色模型输入到动画系统中之后，根据角色模型所绑定的骨骼，对角色模型结构进行遍历：先找到跟关节，并从跟关节开始，向下遍历，记录每一个关节的子节点数目，若该关节的子节点数为0，那么该关节为叶节点，从骨骼动画的根骨骼开始向下遍历每一关节节点，并对该关节的子节点个数进行标号，一次得到骨骼结构，并推算出该关节位于人体整体的位置。结构遍历在虚拟角色模型输入之后立即执行，并且在整个动画过程中，只执行一次。

图2为角色模型的骨骼层级结构遍历的示意图，记录每一个关节的子节点数目，并画成树状图，并以此为依据，判断每一个关节在身体整体骨架中所处的地位以及功能。因为本发明所述的过渡动画生成方法适用于每一种骨骼结构，而虚拟角色动画所绑定的骨骼是不同的，因而必须找到适应每一种骨骼结构的方法。由于人是对称的两足动物，从跟关节开始遍历，三个分支，结构完全相同的是两支是腿部关节；剩下的一支是躯干，躯干某一处有三个分支，两个结构完全相同得是胳膊关节，剩下的一支是头部关节，在胳膊关节的下方，遍历到有五个分支，直到叶骨骼，这部分是手部关节，现将这些关节进行分类。

步骤103、关节分类：根据角色模型的骨骼结构，将所有的关节分为三个部分：基础关节、运动关节和末端关节。其中，跟骨干、躯干关节、头部关节，归为基础关节，这些关节较为关键，但是对角色运动的整体效果的影响不明显；胳膊关节、腿部关节归为运动关节，这些关节运动幅度达，对整体运动效果影响明显，是重要的关节；手部关节作为末端关节，因为手部关节由于本身体积有限，对运动的整体效果影响不限住，但由于手指的灵活度以及复杂程度，所以它产生地运动通常是琐碎而复杂的，将其区分出来做简化处理，对降低过渡动画生成的时间复杂度是很有效果的。关节分类完成后，对于所有的关节，都进行分类标记，为下一个步骤中的过渡时长计算和插值方法选择做准备。关节分类步骤与结构遍历步骤同时执行，并且在整个动画过程中，只执行一次关节，关节分类步骤是整个过渡动画生成方法的重中之重，是过渡动画生成的基础，在过渡动画生成过程中，过渡时长的计算以及插值方法的选择都是基于关节分类的；

步骤104、过渡时长计算：本发明所述的过渡动画生成方法可以根据动画的复杂程度自动设置过渡时长，基于上一个步骤的关节分类，考虑所有的运动关节和基础关节，基于关节的角速度计算得出。

首先计算出关节的角加速度，计算公式为：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{in}}=\stackrel{\→}{P_{\mathrm{in}}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{in}}$

其中，i代表不同的关节，n代表不同的动画片段，当n＝1，即为当前动画，n＝2，即为衔接动画，即为角加速度，是旋转轴的单位向量，是旋转角度θ的二阶导数。

计算出每一个关节所需的时长，计算公式为：

t_i＝Δθ_i·ω_i ^-1

每个关节所需时长t_i，是旋转角度Δθ_i除以角速度ω_i。

其中，是触发动画变化的当前动画的当前帧的角加速度，是衔接动画第一帧的角加速度，把这两个向量相加，得到过渡动画的角加速度再得到加速度，在过渡动画中，角速度将设为常量。

其中，Δθ_i＝arccos(θ_i1·θ_i2)，Δθ_i是两帧之间的旋转角度，θ_i1是当前动画的当前帧的角度，θ_i2是衔接动画的第一帧的角度。

因为过渡时长要适应每一个关节的运动节奏，设定t_i中的最大值为过渡时长T，我们不希望过渡时长会对任何主要关节造成不自然的突变。计算公式为：

T＝max{t_i∣i∈N}

过渡时长计算在用户触发下一个即将衔接的动作时计算，每次重新计算，其有益效果是，解决了现有过渡动画处理方法中，动画混合时长为定值的局限。过渡时长的可变性，极好地满足了动画生成的个性化需求。对于不同复杂程度的动画，计算出相应的过渡动画时长；

步骤105、插值方法和插值参数的选择：根据角色模型关节的重要程度以及动作的复杂程度选择相应的插值方法，这样在保证动画流畅性的前提下，又保持了动画的响应速度，插值方法的选择步骤是在过渡时长计算步骤之后进行，是基于关节分类的；现有的插值方法有以下几种：

线性四元数插值法：Lerp(q₁,q₂；h)

球面线性四元数插值法：Slerp(q₁,q₂；h)

球面样条线四元数插值法：Squad(q_i,q_i+1,s_i,s_i+1；h)

其中q₁是当前帧的四元数，q₂是衔接动画第一帧的四元数，h是插值参数。

线性插值是最简单便捷的方式，球面线性插值能够提供恒定的旋转角速度，使得旋转更加流畅，这两者都属于相对简单的方法。球面样条线插值法，不仅考虑了所需插值的两帧，同时考虑了之前和之后的一些关键帧，这使得插值更加符合动作的运动趋势。本实施例使用层级化的插值方法就是为了在满足动画效果的前提下，最大程度的降低时间复杂度，从而提升响应速度，因而对不同的关节选用不同的插值方法。对于末端关节，选用线性四元数插值法；对于基础关节，选用球面线性四元数插值法；对于运动效果最明显的运动关节，选用球面样条线四元数插值法。

在本实施例中，插值参数是指上述插值方法中所提到的插值参数h。插值参数分为通用插值参数和变速插值参数。其中：

通用插值参数：

变速插值参数： $h=\left\{\begin{array}{cc}2{\left(\frac{t_c}{T}\right)}^2& t_c\≥\frac{T}{2}\\ -2{(\frac{t_c}{T}-1)}^2+1& t_c\≥\frac{T}{2}\end{array}\right.$

其中t_c为当前时间，T为之前计算的过渡时长。

只对基础关节和运动关节进行插值参数选择，对于末端关节，直接选用通用插值参数。需要提前设定阈值，一般设为若该关节的旋转角度大于该阈值，则可认为该关节是显著的运动，在人的视觉观感中，该关节的运动表现的更为明显，而选取变速插值参数。对于小于该阈值的旋转角度的关节，则直接采取通用插值参数，而不会影响人的视觉观感，并可降低时间复杂度。插值参数的选择是基于旋转角度的大小，并参照关节分类而进行选择的。

步骤106、角色旋转插值生成：对于不同的关节选择相应的插值方法以及插值参数，生成角色模型每一个关节的旋转插值，角色旋转插值步骤是基于关节分类进行的，我们称之为层级化的插值方法。

步骤201、当前动画输入：将当前动画输入到动画系统中；

步骤202、衔接动画输入：将衔接动画输入到动画系统中；

其中，当前动画输入步骤和衔接动画输入步骤是在用户玩家触发虚拟角色的下一个动作的时候进行。为了体现过渡动画的真实感，过渡动画必须符合人体工学以及物理特性，因而需要做前后两个动作的衔接。这需要有一定的运动趋势，而不是只是在原地变化，这会使玩家有一种突兀的感觉。因为这种符合角色前后运动趋势的变化，极好地避免了角色动画的突变而造成的不真实感。

步骤203、动画分类：由于所有的动画都是从动画库中提取的，因而，动画的分类在最初的动画录入时，即已完成分类。动画根据足部关节与跟关节进行分类，分为原地动画、平面动画和空间动画。将XOY平面设为地面，角色将在该平面上运动，Z轴为垂直于地平面的向上的向量。其中，

当足部关节位移不超过一定范围，则视为原地动画。即ΔX_foot→0，并且ΔY_foot→0，如蹲下、起立、鼓掌、射击等动作都属于这一类型；

平面动画：在XOY平面上的运动，跟关节在Z轴上的位移变化应当小于一定的阈值。可以记作ΔZ_hip<δ，例如走路、跑步；

空间动画：包含一些双脚同时离地的动作，比如跳舞、跳跃等，这些运动将通过两足有一段时间同时离地，记作Z_foot＞0。

动画分类步骤极大地简化了在位移插值时的复杂程度。通过一些简单的足部和根关节的运动数据，将所有动画分为原地动画、平面动画和空间动画。对于只涉及原地动画的过渡动画，直接取消位移插值。对于涉及了平面动画而不涉及空间动画的过渡动画，只需要考虑平面坐标的运动趋势。对于涉及了空间动画的过渡动画，还需要额外考虑空间运动的物理属性。

步骤204、角色位移插值生成：根据当前动画和衔接动画的运动趋势和物理特性，对根骨骼空间位置进行插值，生成角色位移插值，从而完成对整个角色模型的空间位置设定。角色位移插值生成是基于之前所做的动画分类的。位移插值只需要对跟关节执行，跟关节的空间坐标即为角色模型的世界坐标。所执行的位移插值需要符合角色的运动趋势以及相关物理特性。根据动画分类，进行如下操作：

只涉及原地运动的动画，相应比较简单，只需要用线性插值，填充过渡时长即可；

只要是不只涉及原地动画的其他动画过渡，都需要满足运动趋势，位移的计算公式为：

$p\left(t_c\right)=p_0+t_{c}v+\frac{1}{2}{t_c}^2\stackrel{\&CenterDot;}{v}$

当前动画的当前帧即为过渡动画的起始帧，衔接动画的第一帧即为过渡动画的终止帧。总过渡时长为T，t_c即为T中的当前时刻。其中p₀为过渡动画起始时的全局坐标，v为起始时的速度向量，为起始时的加速度向量。

若在前后两段动画中涉及了空间运动，那么除了平面位移要符合运动趋势之外，空间动画还需符合相关物理特性。计算公式为：

p(t_c)＝p₀+t_cv+k_gt_c ²g

此时需考虑重力的影响，其中，g为重力加速度，k_g为重力加速度的参数。

步骤300、根据步骤106已生成的角色旋转插值和步骤204已生成的角色位移插值，自动生成过渡动画。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (3)

1.一种三维角色的过渡动画生成方法，其特征在于包括如下步骤：

1-1.角色模型输入步骤：将虚拟角色模型输入到动画系统中；

1-2.结构遍历步骤：从骨骼动画的根骨骼开始向下遍历每一关节节点，并对该关节的子节点个数进行标号，一次得到骨骼结构，并推算出该关节位于人体整体的位置；

1-3.关节分类步骤：根据角色模型的骨骼结构，将所有的关节分为三个部分：基础关节、运动关节和末端关节，关节分类步骤与结构遍历步骤同时执行，并且在整个动画过程中，只执行一次关节；

1-4.过渡时长计算步骤：根据关节分类和运动趋势，计算出每个关节所需的旋转时长，取其中的最大值为当前所需过渡时长；

1-5.插值方法和插值参数的选择步骤：根据角色模型关节的重要程度以及动作的复杂程度选择相应的插值方法；

1-6.角色旋转插值生成步骤：对于不同的关节选择相应的插值方法以及插值参数，生成角色模型每一个关节的旋转插值；

2-1.当前动画输入单元步骤：将当前动画输入到动画系统中；

2-2.衔接动画输入单元步骤：将衔接动画输入到动画系统中；

2-3.动画分类步骤：动画根据足部关节与跟关节进行分类，分为原地动画、平面动画和空间动画；

2-4.角色位移插值生成步骤：根据当前动画和衔接动画的运动趋势和物理特性，对根骨骼空间位置进行插值，生成角色位移插值，从而完成对整个角色模型的空间位置设定；

3-1.根据步骤1-6已生成的角色旋转插值和步骤2-4已生成的角色位移插值，自动生成过渡动画。

2.如权利要求1所述的一种三维角色的过渡动画生成方法，其特征在于所述步骤1-4中的过

渡时长计算，包括如下子步骤：

1)首先计算出关节的角加速度，计算公式为：

$\stackrel{\&CenterDot;}{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{in}}}=\stackrel{\&RightArrow;}{P_{\mathrm{in}}}\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{in}}}$

其中，i代表不同的关节，n代表不同的动画片段，当n＝1，即为当前动画，n＝2，即为衔接动画，即为角加速度，是旋转轴的单位向量，是旋转角度θ的二阶导数；

2)计算出每一个关节所需的时长，计算公式为：

t_i＝Δθ_i·ω_i ^-1

每个关节所需时长t_i，是旋转角度Δθ_i除以角速度ω_i；其中， 是触发动画变化的当前动画的当前帧的角加速度，是衔接动画第一帧的角加速度，把这两个向量相加，得到过渡动画的角加速度再得到加速度，在过渡动画中，角速度将设为常量；Δθ_i＝arccos(θ_i1·θ_i2)，Δθ_i是两帧之间的旋转角度，θ_i1是当前动画的当前帧的角度，θ_i2是衔接动画的第一帧的角度；

3)过渡时长计算，因为过渡时长要适应每一个关节的运动节奏，设定t_i中的最大值为过渡时长T，计算公式为：

T＝max{t_i∣i∈N}。

3.如权利要求1所述的一种三维角色的过渡动画生成方法，其特征在于：所述步骤1-5中，插值方法的选择是基于关节分类的；插值参数的选择分为通用插值参数选择和变速插值参数选择，只在基础关节和运动关节中进行，对于末端关节，直接选用通用插值参数，对于已经提前设定的阈值，若该关节的旋转角度大于该阈值，则可认为该关节是显著的运动，在人的视觉观感中，该关节的运动表现的更为明显，而选取变速插值参数；对于小于该阈值的旋转角度，则直接采取通用插值参数，而不会影响人的视觉观感，并可降低时间复杂度，插值参数的选择是基于旋转角度的大小，并参照关节分类而进行选择的。