CN106023287B - 一种数据驱动的交互式三维动画合成方法及系统 - Google Patents
一种数据驱动的交互式三维动画合成方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种数据驱动的交互式三维动画合成方法及系统，该方法包括输入具有相同网格拓扑的模型库，对所述模型库中的模型进行分块简化，生成简化模型，并记录所述模型的面片与原始模型的面片之间的对应关系，获取所述简化模型的特征向量，组成所述简化模型的特征向量空间；给定需要进行合成的初始模型S与终点模型T，根据所述对应关系，获取简化模型的初始模型S’与终点模型T’，通过计算所述初始模型S’与所述终点模型T’所在流形上的测地线路径，获取从所述始模型S’与所述终点模型T’的模型序列M’，根据所述对应关系，依次计算所述初始模型S’与所述终点模型T’的局部坐标架与顶点坐标，得到从原始初始模型S与终点模型T上的模型序列M。
Description
技术领域
本发明涉及数字媒体技术领域，特别涉及一种数据驱动的交互式三维动画合成方法及系统。
背景技术
模型渐变技术是指在给定的一对起始和终止模型作为输入，来生成一组自然并符合客观规律的模型渐变序列，这种技术是三维动画产业中的关键技术。
现有的方法在生成模型渐变序列时均采用插值技术，其区别主要在于选取参数空间不同，这类方法可以处理输入模型差距不大的情况，通过线性插值便得到较自然合理的模型渐变序列，但由于采用对坐标直接线性插值的方法，当输入模型差距较大时便会产生自交、扭曲变形等情况，Alexa在2003年的工作“Differential coordinates for localmesh morphing and deformation”操作局部微分坐标对模型进行编辑以及生成渐变序列，Alexa等人在2004年的工作“As-rigid-as possible shape interpolation”首先计算四面体网格的变形梯度，然后在梯度域进行插值来得到渐变序列，该方法只适用于四面体网格，Xu等人在2006年的工作“Possion shape interpolation”通过在梯度域进行插值生成新的梯度，然后通过求解泊松方程来得到模型渐变序列，Huang等人在2008年的工作“Non-rigidregistration under isometric deformations”将所有的待插值的模型作为一个整体优化的未知变量，该优化的目标是保持中间模型的帧间连续性以及保持插值模型进行局部刚体变换，求解该优化的时间开销与空间开销随中间插值模型规模的增加而增加，Baran等人在2009年的工作“Semantic deformation transfer”中提出了一种基于分块的线性旋转无关(LRI)的方法来得到模型的特征向量，并记录分块的邻接关系以及面片与分块之间的从属关系。这种表示可以对模型更有效的混合并生成更鲁棒的结果，分块之后使得算法求解更高效。
上述这些方法是非数据驱动的，并没有通过模型集合分析模型自身的形变规律，往往会产生不合理的渐变效果，Gao等人在2013年的工作“A data-driven approach torealistic shape morphing.”中提出了一种通过分析模型库，并通过优化求解线性子空间的最短路问题来生成渐变序列的方法，该方法依然是在模型的欧式空间的坐标域进行分析，当模型库的分布不够稠密时，会产生自交等不合理形变的情况，同时该方法不提供一种用户编辑渐变序列的工具。
发明专利“数据驱动的模型渐变方法”，该发明公开了一种数据驱动的模型渐变方法，包括：S1：输入具有相同网格拓扑的模型库；S2：通过保持模型局部刚性的方法对S1中的模型库中的模型进行上采样；S3：对上采样后模型库进行聚类得到变形子空间；S4：给定需要进行渐变变形的初始模型S和终点模型T，根据对应关系，在保持局部细节的情况下进行变形得到模型S’和T’；S5：通过求解一个二次整数优化可以得到一个从S’到T’的模型序列M’；S6：通过迁移模型序列上M’内的模型上每个面片的刚体变换并求解一个泊松方程，可以得到一组新的从S到T上的模型序列；S7：通过高斯插值局部刚性能量的方式得到最终的渐变序列。该发明的方法可以生成更加真实自然的模型渐变序列，但是该发明提出了一种在模型的欧式空间的坐标域进行分析，并通过优化求解线性子空间的最短路问题来生成渐变序列的方法同时该发明不提供一种用户编辑渐变序列的工具，本发明通过旋转平移无关的特征对模型库进行分析，并引入了一种可视化的工具方便用户对渐变序列进行编辑。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种数据驱动的交互式三维动画合成方法及系统。
本发明提出一种数据驱动的交互式三维动画合成方法，包括：
步骤1，输入具有相同网格拓扑的模型库，对所述模型库中的模型进行分块简化，生成简化模型，并记录所述模型的面片与原始模型的面片之间的对应关系，获取所述简化模型的特征向量，组成所述简化模型的特征向量空间；
步骤2，给定需要进行合成的初始模型S与终点模型T，根据所述对应关系，获取初始模型S’与终点模型T’，通过计算所述始模型S’与所述终点模型T’所在流形上的测地线路径，获取从所述始模型S’与所述终点模型T’的模型序列M’，根据所述对应关系，依次计算所述始模型S’与所述终点模型T’的局部坐标架与顶点坐标，获得从原始初始模型S与所述终点模型T上的模型序列M。
步骤3，通过在交互编辑界面选中测地线路径上的某一点，查看所述某一点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型，通过交互并选取其中一个模型作为通过路径的约束条件，获取新的模型序列M_new。
所述步骤2包括步骤21：通过迪杰斯特拉方法在所述始模型S’与所述终点模型T’所在的流形上计算出的测地线路径作为初值；
步骤22：通过计算二次优化求解能量式获取经过特征向量空间中的初始模型S’与终点模型T’；
步骤23：依次迭代所述步骤21与所述步骤3，直至得到用户满意的模型渐变序列。
所述步骤2还包括步骤24：根据所述模型序列M’，以及所述对应关系，获取所述原始模型的局部坐标架；
步骤25：根据所述局部坐标架计算线性方程，获取所述始模型S’与所述终点模型T’的顶点坐标。
还包括步骤4，通过主成分分析的方法将初始模型S’与终点模型T’所在的高维流形空间降维至二维平面，方便用户操作并生成所需要的模型序列，并直观的展示模型序列。
本发明还提出一种数据驱动的交互式三维动画合成系统，包括：
简化模块，用于输入具有相同网格拓扑的模型库，对所述模型库中的模型进行分块简化，生成简化模型，并记录所述模型的面片与原始模型的面片之间的对应关系，获取所述简化模型的特征向量，组成所述简化模型的特征向量空间；
合成序列模块，用于给定需要进行合成的初始模型S与终点模型T，根据所述对应关系，获取初始模型S’与终点模型T’，通过计算所述始模型S’与所述终点模型T’所在流形上的测地线路径，获取从所述始模型S’与所述终点模型T’的模型序列M’，根据所述对应关系，依次计算所述始模型S’与所述终点模型T’的局部坐标架与顶点坐标，获得从原始初始模型S与所述终点模型T上的模型序列M。
还包括获取新序列模块，用于通过在交互编辑界面选中测地线路径上的某一点，查看所述某一点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型，通过交互并选取其中一个模型作为通过路径的约束条件，获取新的模型序列M_new。
所述合成序列模块包括计算测地线路模块：用于通过迪杰斯特拉方法在所述始模型S’与所述终点模型T’所在的流形上计算出的测地线路径作为初值；
优化测地线模块：用于通过计算二次优化求解能量式获取经过特征向量空间中的初始模型S’与终点模型T’；
迭代模块：用于通过迭代所述合成序列模块与所述获取新序列模块，直至得到用户满意的模型渐变序列。
所述合成序列模块还包括获取局部坐标架模块：用于根据所述模型序列M’，以及所述对应关系，获取所述原始模型的局部坐标架；
获取顶点坐标模块：用于根据所述局部坐标架计算线性方程，获取所述始模型S’与所述终点模型T’的顶点坐标。
还包括展示模块，用于通过主成分分析的方法将初始模型S’与终点模型T’所在的高维流形空间降维至二维平面，方便用户操作并生成所需要的模型序列，并直观的展示模型序列。
由以上方案可知，本发明的优点在于：
本发明通过对数据库进行分析并通过分析得到的序列模型，并设计一种根据模型分布可交互式的编辑工具，用户通过观察变形路径和插值模型相邻近的模型，并可以交互式调整路径，这样可以提供给用户一个实用的工具，方便生成更加真实自然的模型渐变序列，进而生成所需要的变形动画。
附图说明
图1是本发明的数据驱动的交互式三维动画合成方法流程图；
图2是本发明的可视化交互式渐变序列编辑界面；
图3是本发明的数据驱动的交互式三维动画合成方法应用结果示意图；
图4是本发明的数据驱动的交互式三维动画合成方法应用结果示意图。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足，提出一种数据驱动的交互式三维动画合成方法及系统，在对数据库模型数据进行分析得到渐变序列的基础上，引入可视化的工具方便用户对渐变序列进行编辑。
本发明提供一种数据驱动的交互式三维动画合成方法，包括：
S1：输入具有相同网格拓扑的模型库；
S2：在保持模型局部细节的条件下对S1中的模型库中的模型进行分块简化，并记录简化模型与原始模型面片之间的对应关系；
S3：对S2中简化后的模型库上使用一种基于分块的线性旋转无关(LRI)的方法来得到模型的特征向量，组成模型的特征向量空间；
S4：给定需要进行合成的初始模型S和终点模型T，根据S2中的分块简化对应关系得到简化模型S’和T’；
S5：通过求解模型集合所在流形上测地线路径得到从S’和T’的模型序列M’，并将该测地线路径优化问题建模成一个二次优化问题；
S6：根据S2中简化模型与原始模型面片之间的对应关系，依次求解模型的局部坐标架和顶点坐标，可以得到一组新的从S’和T’上的模型序列M；
S7：通过在交互编辑界面选中路径上某一点，可以查看该点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型，通过交互并选取其中一个模型作为通过路径的约束条件可以得到新的模型序列M_new；
S8：使用主成分分析(PCA)的方法将模型集合所在的高维流形空间降维至二维平面，方便用户对程序进行操作生成所需要的动画序列，并直观的展示模型渐变序列；
其中，S3中所述的基于分块的LRI方法包括：
S31：通过三角面片的两个单位边向量和面片单位法向量来表示面片的仿射变换矩阵D；
S32：对S31中的仿射变换矩阵D进行奇异值分解，得到一个旋转矩阵R和一个缩放矩阵S；
S33：根据S2中分块之后面片与分块的对应关系，计算分块之后每块的平均旋转G；
S34：根据S33计算得到的平均旋转G，得到相邻分块i之间的链接关系
S35：通过对得到的相对刚体变换取矩阵对数(log)操作后，其可以线性组合，从而可以更方便的混合旋转矩阵。
其中，S5中所述二次整数优方法包括：
S51：通过采用迪杰斯特拉方法在模型集合所在的流形上求解出的测地线路径作为初值；
S52：通过求解一个二次优化求解能量式来得到经过的特征向量空间中的模型，二次优化的能量项包括E_short，E_near，E_laplace；
S521：使用E_near能量项来计算路径上每个顶点与流形空间上的最相近的模型的欧式距离，以此来保证优化后的路径在模型所在的流形空间上；
S522：E_laplace是平滑项，使得路径更加的平滑。
S523：E_short计算路径长度，使得优化后路径更短。
S53：依次迭代S51和S52直至收敛。
其中，S6具体包括：
S61：通过S5中得到的模型序列M’，以及S2中模型之间的对应关系，求解一个线性方程来得到原始模型局部坐标架；
S62：通过S31中模型特征的表示方式，并以S61计算得到的局部坐标架再次求解线性方程得到模型的顶点坐标，从而重建出一组新的从S’和T’上的渐变序列。
其中，S7具体包括：
S71：在交互编辑界面选中路径上某一点，可以查看该点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型L；
S72：用户在L中选择一个感兴趣的模型，重新计算得到包含该模型的一个模型渐变序列；
S73：在求解S5的二次优化的基础上，将用户选择的模型作为二次优化的边界条件，从而将选中模型添加到路径中，并使用S6中的方法得到新的模型渐变序列M_new。
S74：依次迭代S71和S72直至结果满意。
其中，S8具体包括：可视化的界面设计，使用主成分分析(PCA)的方法将多维的模型坐标空间降维到二维平面，方便用户对程序进行操作，并直观的展示模型渐变序列；
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供一种数据驱动的交互式三维动画合成方法，包括：
S1：输入具有相同网格拓扑的模型库；
S2：在保持模型局部细节的条件下对S1中的模型库中的模型进行分块简化，并记录简化模型与原始模型面片之间的对应关系；
S3：对S2中简化后的模型库上使用一种基于分块的线性旋转无关(LRI)的方法来得到模型的特征向量，组成模型的特征向量空间；
S4：给定需要进行合成的初始模型S和终点模型T，根据S2中的分块简化对应关系得到简化模型S’和T’；
S5：通过求解模型集合所在流形上测地线路径得到从S’和T’的模型序列M’，并将该测地线路径优化问题建模成一个二次优化问题；
S6：根据S2中简化模型与原始模型面片之间的对应关系，依次求解模型的局部坐标架和顶点坐标，可以得到一组新的从S到T上的模型序列M；
S7：通过在交互编辑界面选中路径上某一点，可以查看该点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型，通过交互并选取其中一个模型作为通过路径的约束条件可以得到新的模型序列M_new；
S8：使用主成分分析(PCA)的方法将模型集合所在的高维流形空间降维至二维平面，方便用户对程序进行操作生成所需要的动画序列，并直观的展示模型渐变序列；
其中，S3中所述的基于分块的LRI方法包括：
S31：通过三角面片的两个单位边向量和面片单位法向量来表示面片的仿射变换矩阵D；
S32：对S31中的仿射变换矩阵D进行奇异值分解，得到一个旋转矩阵R和一个缩放矩阵S；
S33：根据S2中分块之后面片与分块的对应关系，计算分块之后每块的平均旋转G；
S34：根据S33计算得到的平均旋转G，得到相邻分块i之间的链接关系
S35：通过对得到的相对刚体变换取矩阵对数(log)操作后，其可以线性组合，从而可以更方便的混合旋转矩阵。
其中，S5中所述二次整数优方法包括：
S51：通过采用迪杰斯特拉方法在模型集合所在的流形上求解出的路径作为初值；
S52：通过求解一个二次优化求解能量式来得到经过的特征向量空间中的模型，二次优化的能量项包括E_short，E_near，E_laplace；
S521：使用E_near能量项来计算路径上每个顶点与流形空间上的最相近的模型的欧式距离，以此来保证优化后的路径在模型所在的流形空间上；
S522：E_laplace是平滑项，使得路径更加的平滑。
S523：E_short计算路径长度，使得优化后路径更短。
S53：依次迭代S51和S52直至收敛。
其中，S6具体包括：
S61：通过S5中得到的渐变序列，以及S2中模型之间的对应关系，求解一个线性方程来得到原始模型局部坐标架；
S62：通过S31中模型特征的表示方式，并以S61计算得到的局部坐标架再次求解线性方程得到模型的顶点坐标，从而重建出一组新的从S到T上的渐变序列。
其中，S7具体包括：
S71：在交互编辑界面选中路径上某一点，可以查看该点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型L；
S72：用户在L中选择一个感兴趣的模型，重新计算得到包含该模型的一个模型渐变序列；
S73：在求解S5的二次优化的基础上，将用户选择的模型作为二次优化的边界条件，从而将选中模型添加到路径中，并使用S6中的方法得到新的模型渐变序列M_new。
S74：依次迭代S71和S72直至结果满意。
其中，S8具体包括：可视化的界面设计，使用主成分分析(PCA)的方法将多维的模型坐标空间降维到二维平面，方便用户对程序进行操作，并直观的展示模型渐变序列；
如图2所示，展示的是本发明的可视化交互式渐变序列编辑界面。用户可以在左上方的小窗口上查看当前的模型渐变序列结果。同时，我们使用主成分分析(PCA)的方法将多维的模型坐标空间降维到二维平面。在图中的右下窗口，每一个圆点表示一个模型，同时用曲线表示编辑前后的模型渐变序列路径。模型渐变序列在左侧窗口显示，为了直观的显示模型在渐变路径上的位置并方便点击查看，我们使用模型在渐变序列路径上的分布来展示模型。用户可以自由的在变形路径上选取想要查看的模型。一旦用户选取一个模型，四个最相近的模型会分布在该模型周围。这四个模型可以被选择，选中之后会在右上方的窗口显示。如果用户认为这四个模型中有自己想要编辑的形态，便可将该模型添加至模型渐变序列中。如果用户对于编辑之后的结果仍不满意，可以再次进行编辑，直至结果满意。
如图3所示，表示本发明的结果示意图。图3展示的是人手的渐变序列，使用的是手的数据库。图中第一列为模型渐变的起始模型，第五列是模型渐变的终止模型。图中第一行为Baran等人的工作Semantic deformation transfer的结果，第二行为Gao等人的工作Adata-driven approach to realistic shape morphing中的结果，第三行为我们交互式编辑之前的结果，第四行是我们添加交互式编辑之后的结果。通过比较可以发现我们的算法重建算法可以有效的挖掘数据库中的知识，并生成自然合理的模型渐变效果。其他的两项工作结果在该组例子中表现的不够自然合理，因为手的关节较多，变形的自由度较大，发生了过度扭曲和自交的情况。同时，我们的方法添加交互式的操作，可以自定义的编辑模型渐变序列的中间结果，使生成的结果更符合用户的需求。
如图4所示，表示本发明的结果示意图。图4展示的是人体的渐变序列，使用的是人的模型。第一行是Xu等人的工作Possion shape interpolation生成的渐变序列，第二行是Baran等人的工作Semantic deformation transfer生成的渐变序列，第三行是Gao等人在Adata-driven approach to realistic shape morphing中数据驱动的方法，第四行是我们的数据驱动生成的渐变序列。相比于非数据驱动的方法，Gao等人的数据驱动的方法产生了一个比较好的效果，但是因为运用到离散子空间，有时不能找到中间的过渡模型。我们的方法在流形上找到一个光滑的路径，因此产生了一个很真实的渐变结果，避免了失真情况的出现。
本发明还提出一种数据驱动的交互式三维动画合成系统，包括：
简化模块，用于输入具有相同网格拓扑的模型库，对所述模型库中的模型进行分块简化，生成简化模型，并记录所述模型的面片与原始模型的面片之间的对应关系，获取所述简化模型的特征向量，组成所述简化模型的特征向量空间；
合成序列模块，用于获取需要进行合成的初始模型S与终点模型T，根据所述对应关系，获取初始模型S’与终点模型T’，通过计算所述始模型S’与所述终点模型T’所在流形上的测地线路径，获取从所述初始模型S’与所述终点模型T’的模型序列M’，根据所述对应关系，依次计算所述初始模型S’与所述终点模型T’的局部坐标架与顶点坐标，获取从给定的初始模型S与终点模型T上的模型序列M。
所述合成序列模块包括计算测地线路模块：用于通过迪杰斯特拉方法在所述始模型S’与所述终点模型T’所在的流形上计算出的测地线路径作为初值；
优化测地线模块：用于通过计算二次优化求解能量式优化测地线路模块获得到的路径初值，得到经过特征向量空间中的初始模型S’与终点模型T’之间的光滑的测地线路；
迭代模块：通过迭代合成序列模块与获取新序列模块，直至得到用户满意的模型渐变序列。
所述合成序列模块还包括获取局部坐标架模块：用于根据所述模型序列M’，以及所述对应关系，获取所述原始模型的局部坐标架；
获取顶点坐标模块：用于根据所述局部坐标架计算线性方程，获取所述始模型S’与所述终点模型T’的顶点坐标。
本发明系统还包括获取新序列模块，用于通过在交互编辑界面选中测地线路径上的某一点，查看所述某一点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型，通过交互并选取其中一个模型作为通过路径的约束条件，获取新的模型序列M_new。
本发明系统还包括展示模块，通过使用主成分分析的方法将初始模型S’与终点模型T’所在的高维流形空间降维至二维平面，方便用户操作并生成所需要的模型序列，并直观的展示模型序列。
Claims (8)
1.一种数据驱动的交互式三维动画合成方法，其特征在于，包括：
步骤1，输入具有相同网格拓扑的模型库，对所述模型库中的模型进行分块简化，生成简化模型，并记录所述模型的面片与原始模型的面片之间的对应关系，获取所述简化模型的特征向量，组成所述简化模型的特征向量空间；
步骤2，给定需要进行合成的初始模型S与终点模型T，根据所述对应关系，获取初始模型S’与终点模型T’，通过计算所述始模型S’与所述终点模型T’所在流形上的测地线路径，获取从所述始模型S’与所述终点模型T’的模型序列M’，根据所述对应关系，依次计算所述始模型S’与所述终点模型T’的局部坐标架与顶点坐标，获得从原始初始模型S与所述终点模型T上的模型序列M；
步骤3，通过在交互编辑界面选中测地线路径上的某一点，查看所述某一点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型，通过交互并选取其中一个模型作为通过路径的约束条件，获取新的模型序列M_new。
2.如权利要求1所述的数据驱动的交互式三维动画合成方法，其特征在于，所述步骤2包括步骤21：通过迪杰斯特拉方法在所述始模型S’与所述终点模型T’所在的流形上计算出的测地线路径作为初值；
步骤22：通过计算二次优化求解能量式获取经过特征向量空间中的初始模型S’与终点模型T’；
步骤23：依次迭代所述步骤21与所述步骤3，直至得到用户满意的模型渐变序列。
3.如权利要求1所述的数据驱动的交互式三维动画合成方法，其特征在于，所述步骤2还包括步骤24：根据所述模型序列M’，以及所述对应关系，获取所述原始模型的局部坐标架；
步骤25：根据所述局部坐标架计算线性方程，获取所述始模型S’与所述终点模型T’的顶点坐标。
4.如权利要求1所述的数据驱动的交互式三维动画合成方法，其特征在于，还包括步骤4，通过主成分分析的方法将初始模型S’与终点模型T’所在的高维流形空间降维至二维平面，方便用户操作并生成所需要的模型序列，并直观的展示模型序列。
5.一种数据驱动的交互式三维动画合成系统，其特征在于，包括：
简化模块，用于输入具有相同网格拓扑的模型库，对所述模型库中的模型进行分块简化，生成简化模型，并记录所述模型的面片与原始模型的面片之间的对应关系，获取所述简化模型的特征向量，组成所述简化模型的特征向量空间；
合成序列模块，用于给定需要进行合成的初始模型S与终点模型T，根据所述对应关系，获取初始模型S’与终点模型T’，通过计算所述始模型S’与所述终点模型T’所在流形上的测地线路径，获取从所述始模型S’与所述终点模型T’的模型序列M’，根据所述对应关系，依次计算所述始模型S’与所述终点模型T’的局部坐标架与顶点坐标，获得从原始初始模型S与所述终点模型T上的模型序列M；
获取新序列模块，用于通过在交互编辑界面选中测地线路径上的某一点，查看所述某一点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型，通过交互并选取其中一个模型作为通过路径的约束条件，获取新的模型序列M_new。
6.如权利要求5所述的数据驱动的交互式三维动画合成系统，其特征在于，所述合成序列模块包括计算测地线路模块：用于通过迪杰斯特拉方法在所述始模型S’与所述终点模型T’所在的流形上计算出的测地线路径作为初值；
优化测地线模块：用于通过计算二次优化求解能量式获取经过特征向量空间中的初始模型S’与终点模型T’；
迭代模块：用于通过迭代所述合成序列模块与所述获取新序列模块，直至得到用户满意的模型渐变序列。
7.如权利要求5所述的数据驱动的交互式三维动画合成系统，其特征在于，所述合成序列模块还包括获取局部坐标架模块：用于根据所述模型序列M’，以及所述对应关系，获取所述原始模型的局部坐标架；
获取顶点坐标模块：用于根据所述局部坐标架计算线性方程，获取所述始模型S’与所述终点模型T’的顶点坐标。
8.如权利要求5所述的数据驱动的交互式三维动画合成系统，其特征在于，还包括展示模块，用于通过主成分分析的方法将初始模型S’与终点模型T’所在的高维流形空间降维至二维平面，方便用户操作并生成所需要的模型序列，并直观的展示模型序列。
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2016
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