CN108230431A - 一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法及系统 - Google Patents

一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法,其特征在于，包括，拍摄真人动作视频；提取视频的初始帧图像；初始帧图像进行角点检测；逐帧计算稀疏特征点光流；计算2D网格变形；计算模态网格和权重序列；模态网格和权重序列进行的编辑；使用同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染。该技术方案相对纯手动做的动画，由于动作来自真人视频，更加生动逼真，尤其是变形的真实性和动作的节奏随机性是很难用手动方法实现的；并且使2d形象具有一定的立体效果，可根据需求通过手工修改来实现动画效果调整，只需要同构型网格，同一套动作数据可以适配不同体型、不同皮肤、不同服装、不同头像的不同形象，动画应用时，实时计算量小。

Description

一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法及系统
技术领域
本发明涉及计算机图形动画领域，尤其涉及在虚拟试衣、游戏、影视等展示一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法及系统。
背景技术
随着科技的不断发展，动画正逐渐融入生活，极大地影响着人们的生活和工作方式。目前，动画已经广泛用于虚拟试衣、影视、广告、游戏、计算机辅助教育等许多重要的领域。
动画是指由许多帧静止的画面，以一定的速度(如每秒16帧)连续播放时，肉眼因视觉产生错觉，而误以为画面活动的作品。为了得活动画面，每个画面之间都会有细微的改变。
为了使得静态的虚拟形象更加生动，需要在二维平面形象的基础上实现一定的动画效果。对于模拟人体动作的动画，通常是使用手动设计关键帧网格或通过骨骼蒙皮结合关节点动画的形式实现。这些方法对动画制作人员有很高的技术能力要求，需要花费大量的时间和精力，并且在人体与服装柔性变形以及动作节奏的随机性方面缺乏真实性。
发明内容
为解决以上述技术问题，本发明提供了一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法及系统。
根据本发明一方面，提供了一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法，包括，一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法,其特征在于，包括，
拍摄真人动作视频；
提取视频的初始帧图像；
初始帧图像进行角点检测；
逐帧计算稀疏特征点光流；
计算2D网格变形；
计算模态网格和权重序列；
模态网格和权重序列进行的编辑；
使用同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染。
进一步地，所述的拍摄真人动作视频，真人穿着服装，初始姿势与虚拟形象相同，拍摄视角与虚拟形象的视觉相同。
进一步地，所述的提取视频的初始帧图像，将虚拟形象所用网格卷绕到覆盖初始帧中的人体，使用手动处理或自动处理方法，使得网格中的人体轮廓与初始帧中真人对齐。
进一步地，所述的通过后续帧特征点与初始帧特征点的位置差异，计算的2D网格变形，形成序列形式的动态网格变形方法，以特征点位置和网格的坐标为条件，将初始帧网络变形为当前帧网格。
进一步地，所述的网格序列进行主成分分析(PC A)，取前几阶主成分，计算模态网格和权重序列，包括，
设网格顶点数量为n，由于是2d网格，顶点的维数为2，则每个网格可以视为2n维的向量V
设视频段的总帧数为k，则网格序列可以视为k个网格向量的数据
为了减小网格序列的数据量，以及方便对其进行手动修改，对网格序列进行PCA处理
设PCA计算中保留的主成分个数为m，
第i帧的网格数据：
网格序列的数据包括：
1个平均网格向量和m个主成分向量对应的权重序列
和的维数都是2n；
对权重归一化处理：
取
取
则有：
称Pj为动作网格的第j模态，称wj，i(i＝0,1,2,...,k)为第j模态的权重序列，同时，可将离散的权重序列连成连续的折线函数wj(t)，称为第j模态的时变权重；
设第i帧的时间为ti；
当时间t在范围[ti,ti+1]内时
连续时间的动态网格表示为：
至此，肢体动作被拆分为各个模态的时变权重叠加。
进一步地，所述的对模态网格和权重序列进行的编辑，包括，
编辑模态网格，根据需要的变形效果，对模态网格的顶点位置进行人工修改；
将权重序列拟合为时序样条曲线，对样条曲线进行人工编辑，用样条曲线函数替换wj(t)，或者对编辑后的样条曲线重新采样权重序列。
进一步地，所述的应用到同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染，重现视频中的肢体动作，包括，
使用同构型的2d网格，以身体、服装、头部等至少一层图像为贴图，不同贴图和不同体型(体型可变)形成不同形象；
设静态虚拟形象的网格为
则时变动态网格为
于是，视频中的肢体动作被迁移到虚拟形象的动态网格，使用对应的贴图，则生成虚拟形象的人体动作动画。
根据本发明另一方面，提供一种二维虚拟形象的人体动作动画生成系统,包括，
拍摄模块，用于拍摄真人动作视频；
提取模块，用于提取视频的初始帧图像；
检测模块，用于初始帧图像进行角点检测；
光流计算模块，用于逐帧计算稀疏特征点光流；
网格变形模块，用于计算2D网格变形；
模态网格计算模块，计算模态网格和权重序列；
编辑模块，模态网格和权重序列进行的编辑；
渲染模块，同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染。
根据本发明另一方面，提供了一种二维虚拟形象的人体动作动画生成的产品，包括适用于虚拟现实、虚拟试衣、虚拟社交、服装、鞋和配饰、影视、广告、游戏、计算机辅助教育、以及非真实接触量体的图像。
有益效果
本发明提供了一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法及系统。该技术方案纯手动做的动画，由于动作来自真人视频，更加生动逼真，尤其是变形的真实性和动作的节奏随机性是很难用手动方法实现的；并且使2d形象具有一定的立体效果，可根据需求通过手工修改来实现动画效果调整，只需要同构型网格，同一套动作数据可以适配不同体型、不同皮肤、不同服装、不同头像的不同形象，动画应用时，实时计算量小。
附图说明
图1是虚拟形象的人体动作动画生成方法的流程图
图2是虚拟形象的人体动作动画生成系统的流程图
图3是视频初始帧及初始帧网格示意图
图4是视频中间帧及变形网格示意图
图5虚拟形象动画的初始帧及网格示意图
图6虚拟形象动画的中间帧及网格示意图
具体实施方式
为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例提供了一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法，包括，一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法,其特征在于，包括，
拍摄真人动作视频；
提取视频的初始帧图像；
初始帧图像进行角点检测；
逐帧计算稀疏特征点光流；
计算2D网格变形；
计算模态网格和权重序列；
模态网格和权重序列进行的编辑；
使用同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染。
优选实施例，本实施例中拍摄真人动作视频，真人穿着服装，初始姿势与虚拟形象相同，拍摄视角与虚拟形象的视觉相同。
优选实施例，本实施例中提取视频的初始帧图像，将虚拟形象所用网格卷绕到覆盖初始帧中的人体，使用手动处理或自动处理方法，使得网格中的人体轮廓与初始帧中真人对齐。
优选实施例，本实施例中通过后续帧特征点与初始帧特征点的位置差异，计算的2D网格变形，形成序列形式的动态网格变形方法，包括，
以特征点位置和网格的坐标为条件，将源网格如图3初始帧网络变形为如图4当前帧网络；
对于网格第i个顶点vi＝(xi，yi)，其坐标：式中：Ni表示网格中与第i个顶点相连接的顶点序号集合，di表示该集合的大小；
设网格的连接关系矩阵A，其元素为：
设对角阵D，其元素Dii＝di，设L＝I-D-1A，则有δ＝Lv，
特征点位置约束可用网格顶点坐标线性示，c＝Tv，
式中，c表示当前帧中特征点的位置坐标，矩阵T根据以下关系求解：
设第s个特征点在网格的三角形(i,j,k)内，则：cs＝Tisvi+Tjsvj+Tksvk，代入c、v可求解Tis、Tjs、Tks，矩阵T的其它元素为0。
设源网格的坐标为x、y分量分别为对下列公式使用最小二乘法可解出变形后目标网格的顶点坐标：
式中，ω为衡量坐标与位置控制之间的重要性对比的权重。
优选实施例，本实施例中网格序列进行主成分分析(PC A)，取前几阶主成分，计算模态网格和权重序列，包括，
设网格顶点数量为n，由于是2d网格，顶点的维数为2，则每个网格可以视为2n维的向量V
设视频段的总帧数为k，则网格序列可以视为k个网格向量的数据
为了减小网格序列的数据量，以及方便对其进行手动修改，对网格序列进行PCA处理
设PCA计算中保留的主成分个数为m，
第i帧的网格数据：
网格序列的数据包括：
1个平均网格向量和m个主成分向量对应的权重序列
和的维数都是2n；
对权重归一化处理：
取
取
则有：
称Pj为动作网格的第j模态，称wj，i(i＝0,1,2,...,k)为第j模态的权重序列，同时，可将离散的权重序列连成连续的折线函数wj(t)，称为第j模态的时变权重；
设第i帧的时间为ti；
当时间t在范围[ti,ti+1]内时
连续时间的动态网格表示为：
至此，肢体动作被拆分为各个模态的时变权重叠加。
优选实施例，本实施例中对模态网格和权重序列进行的编辑，包括，
编辑模态网格，根据需要的变形效果，对模态网格的顶点位置进行人工修改；
将权重序列拟合为时序样条曲线，对样条曲线进行人工编辑，用样条曲线函数替换wj(t)，或者对编辑后的样条曲线重新采样权重序列。
现视频中的肢体动作，包括，
使用同构型的2d网格，以身体、服装、头部等至少一层图像为贴图，不同贴图和不同体型(体型可变)形成不同形象；
设静态虚拟形象优选实施例，本实施例中应用到同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染，重的网格为
则时变动态网格为
于是，视频中的肢体动作被迁移到虚拟形象的动态网格，使用对应的贴图，则生成虚拟形象的人体动作动画(如图5-图6)。
本实施例提供一种二维虚拟形象的人体动作动画生成系统,包括，
拍摄模块，用于拍摄真人动作视频；
提取模块，用于提取视频的初始帧图像；
检测模块，用于初始帧图像进行角点检测；
光流计算模块，用于逐帧计算稀疏特征点光流；
网格变形模块，用于计算2D网格变形；
模态网格计算模块，计算模态网格和权重序列；
编辑模块，模态网格和权重序列进行的编辑；
渲染模块，同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染。
本实施例提供了一种二维虚拟形象的人体动作动画生成的产品，包括适用于虚拟现实、虚拟试衣、虚拟社交、服装、鞋和配饰、影视、广告、游戏、计算机辅助教育、以及非真实接触量体的图像。
实施例2
本实施例提供了一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法，包括，一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法,其特征在于，包括，
拍摄真人动作视频；
提取视频的初始帧图像；
初始帧图像进行角点检测；
逐帧计算稀疏特征点光流；
计算2D网格变形；
计算模态网格和权重序列；
模态网格和权重序列进行的编辑；
使用同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染。
优选实施例，本实施例中拍摄真人动作视频，真人穿着显著特征点图案的服装，初始姿势与虚拟形象相同，拍摄视角与虚拟形象的视觉相同，使用纯色背景。
优选实施例，本实施例中提取视频的初始帧图像，将虚拟形象所用网格卷绕到覆盖初始帧中的人体，使用手动处理或自动处理方法，使得网格中的人体轮廓与初始帧中真人对齐。
优选实施例，本实施例中对初始帧图像进行Sh i-Tomas i角点检测，提取特征点，并手动剔除位于视频背景的点。
优选实施例，本实施例中逐帧计算稀疏特征点金字塔Lucas-Kanade光流，计算初始帧特征点在后续帧中的新位置。
优选实施例，本实施例中通过后续帧特征点与初始帧特征点的位置差异，计算的2D网格变形，形成序列形式的动态Laplacian网格变形方法，包括，
以特征点位置和网格的Laplacian坐标为条件，将初始帧网络如图3变形为当前帧网络如图4；
对于网格第i个顶点vi＝(xi，yi)，其Laplacian坐标：式中：Ni表示网格中与第i个顶点相连接的顶点序号集合，di表示该集合的大小；
设网格的连接关系矩阵A，其元素为：
设对角阵D，其元素Dii＝di，设L＝I-D-1A，则有δ＝Lv，
特征点位置约束可用网格顶点坐标线性示，c＝Tv，
式中，c表示当前帧中特征点的位置坐标，矩阵T根据以下关系求解：
设第s个特征点在网格的三角形(i,j,k)内，则：cs＝Tisvi+Tjsvj+Tksvk，代入c、v可求解Tis、Tjs、Tks，矩阵T的其它元素为0。
设源网格的Laplacian坐标为x、y分量分别为对下列公式使用最小二乘法可解出变形后目标网格的顶点坐标：
式中，ω为衡量坐标与位置控制之间的重要性对比的权重。
优选实施例，本实施例中网格序列进行主成分分析(PCA)，取前几阶主成分，计算模态网格和权重序列，包括，
设网格顶点数量为n，由于是2d网格，顶点的维数为2，则每个网格可以视为2n维的向量V；
设视频段的总帧数为k，则网格序列可以视为k个网格向量的数据；
为了减小网格序列的数据量，以及方便对其进行手动修改，对网格序列进行PCA处理；
设PCA计算中保留的主成分个数为m，
第i帧的网格数据：
网格序列的数据包括：
1个平均网格向量和m个主成分向量对应的权重序列
和的维数都是2n；
对权重归一化处理：
取
取
则有：
称Pj为动作网格的第j模态，称wj，i(i＝0,1,2,...,k)为第j模态的权重序列，同时，可将离散的权重序列连成连续的折线函数wj(t)，称为第j模态的时变权重；
设第i帧的时间为ti；
当时间t在范围[ti,ti+1]内时
连续时间的动态网格表示为：
至此，肢体动作被拆分为各个模态的时变权重叠加。
优选实施例，本实施例中对模态网格和权重序列进行的编辑，包括，
编辑模态网格，根据需要的变形效果，对模态网格的顶点位置进行人工修改；
将权重序列拟合为时序样条曲线，对样条曲线进行人工编辑，用样条曲线函数替换wj(t)，或者对编辑后的样条曲线重新采样权重序列。
现视频中的肢体动作，包括，
使用同构型的2d网格，以身体、服装、头部等至少一层图像为贴图，不同贴图和不同体型(体型可变)形成不同形象；
设静态虚拟形象优选实施例，本实施例中应用到同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染，重的网格为
则时变动态网格为
于是，视频中的肢体动作被迁移到虚拟形象的动态网格，使用对应的贴图，则生成虚拟形象的人体动作动画(如图5-图6)。
本实施例提供一种二维虚拟形象的人体动作动画生成系统,包括，
拍摄模块，用于拍摄真人动作视频；
提取模块，用于提取视频的初始帧图像；
检测模块，用于初始帧图像进行角点检测；
光流计算模块，用于逐帧计算稀疏特征点光流；
网格变形模块，用于计算2D网格变形；
模态网格计算模块，计算模态网格和权重序列；
编辑模块，模态网格和权重序列进行的编辑；
渲染模块，同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染。
本实施例提供了一种二维虚拟形象的人体动作动画生成的产品，包括适用于虚拟现实、虚拟试衣、虚拟社交、服装、鞋和配饰、影视、广告、游戏、计算机辅助教育、以及非真实接触量体的图像。
上述描述具有广泛的应用。例如，虽然本发明所公开的实施例可能将重点放在虚拟形象的人体动作动画生成的的方法及系统上，但应当了解，本发明所公开的概念可同等地适用于其他领域。类似地，尽管可结合虚二维虚拟形象的人体动作动画生成方法及系统对各个实施例进行了讨论，但是二维虚拟形象的人体动作动画生成方法及系统任何独立特征均可单独使用或集成到一起使用。因此，对任何实施例的讨论仅旨在作为例子，并非意图提出将本公开(包括权利要求书)的范围限制于这些例子中。

Claims (9)

1.一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法,其特征在于，包括，
拍摄真人动作视频；
提取视频的初始帧图像；
初始帧图像进行角点检测；
逐帧计算稀疏特征点光流；
计算2D网格变形；
计算模态网格和权重序列；
模态网格和权重序列进行的编辑；
使用同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染。
2.如权利要求1所述的一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法，其特征在于，所述的拍摄真人动作视频，真人穿着服装，初始姿势与虚拟形象相同，拍摄视角与虚拟形象的视觉相同。
3.如权利要求1所述的一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法，其特征在于，所述的提取视频的初始帧图像，将虚拟形象所用网格卷绕到覆盖初始帧中的人体，使用手动处理或自动处理方法，使得网格中的人体轮廓与初始帧中真人对齐。
4.如权利要求1所述的一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法，其特征在于，所述的通过后续帧特征点与初始帧特征点的位置差异，计算的2D网格变形，形成序列形式的动态网格变形方法，以特征点位置和网格的坐标为条件，将初始帧网格变形为当前帧网格。
5.如权利要求1所述的一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法，其特征在于，所述的网格序列进行主成分分析PCA，取前几阶主成分，计算模态网格和权重序列，包括，
设网格顶点数量为n，由于是2d网格，顶点的维数为2，则每个网格可以视为2n维的向量V；
设视频段的总帧数为k，则网格序列可以视为k个网格向量的数据；
为了减小网格序列的数据量，以及方便对其进行手动修改，对网格序列进行PCA处理；
设PCA计算中保留的主成分个数为m，
第i帧的网格数据：
网格序列的数据包括：
1个平均网格向量和m个主成分向量 对应的权重序列
和的维数都是2n；
对权重归一化处理：
取
取
则有：
称Pj为动作网格的第j模态，称wj，i(i＝0,1,2,...,k)为第j模态的权重序列，同时，可将离散的权重序列连成连续的折线函数wj(t)，称为第j模态的时变权重；
设第i帧的时间为ti；
当时间t在范围[ti,ti+1]内时
连续时间的动态网格表示为：
至此，肢体动作被拆分为各个模态的时变权重叠加。
6.如权利要求1所述的一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法，其特征在于，所述的对模态网格和权重序列进行的编辑，包括，
编辑模态网格，根据需要的变形效果，对模态网格的顶点位置进行人工修改；
将权重序列拟合为时序样条曲线，对样条曲线进行人工编辑，用样条曲线函数替换wj(t)，或者对编辑后的样条曲线重新采样权重序列。
7.如权利要求1所述的一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法，其特征在于，所述的应用到同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染，重现视频中的肢体动作，包括，
使用同构型的2d网格，以身体、服装、头部等至少一层图像为贴图，不同贴图和不同体型形成不同形象；
设静态虚拟形象的网格为
则时变动态网格为
于是，视频中的肢体动作被迁移到虚拟形象的动态网格，使用对应的贴图，则生成虚拟形象的人体动作动画。
8.一种二维虚拟形象的人体动作动画生成系统,其特征在于，包括，
拍摄模块，用于拍摄真人动作视频；
提取模块，用于提取视频的初始帧图像；
角点检测模块，用于初始帧图像进行角点检测；
光流计算模块，用于逐帧计算稀疏特征点光流；
网格变形模块，用于计算2D网格变形；
模态网格计算模块，计算模态网格和权重序列；
编辑模块，模态网格和权重序列进行的编辑；
渲染模块，使用同构型的2d网格，对虚拟形象进行动画渲染。
9.一种二维虚拟形象的人体动作动画生成的产品，其特征在于，包括适用于虚拟现实、虚拟试衣、虚拟社交、服装、鞋和配饰、影视、广告、游戏、计算机辅助教育、以及非真实接触量体的图像，其特征在于，所述的一种二维虚拟形象的人体动作动画生成的产品为权利要求1至8中任意一项所述的一种二维虚拟形象的人体动作动画生成方法及系统。
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