CN111369649B - 一种基于高精度三维扫描模型的制作计算机蒙皮动画的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于计算机图形学技术领域，涉及一种三维模型蒙皮动画生成方法，具体是一种基于高精度三维扫描模型的制作计算机蒙皮动画的方法，具体是首先用三维扫描仪扫描的数字三维模型骨架线，利用骨骼的动作模板库，完成骨骼绑定，计算蒙皮权重，实时更新模型顶点坐标，完成计算机蒙皮动画。本发明方法可以处理高精度三维扫描仪扫描出的三维模型，通过算法计算模型顶点的权重，相比人工处理大大节省了模型处理的工作量；利用蒙皮动画原理，只存储模型的纹理坐标、索引、节点权重，在渲染的每一帧过程中根据节点权重计算出新的顶点数据。本发明方法相比帧数据合并法、骨骼动画法，内存空间占用少，非刚性的顶点变形，实现的动画效果更加自然。

Description

一种基于高精度三维扫描模型的制作计算机蒙皮动画的方法
技术领域
本发明属于计算机图形学技术领域，涉及一种三维模型蒙皮动画生成方法，具体是一种基于高精度三维扫描模型的制作计算机蒙皮动画的方法。
背景技术
计算机动画技术飞速发展，被广泛应用于电影、游戏、虚拟现实等领域。特别是网络游戏制作方面。目前主要运用帧数据合并法、骨骼动画法、蒙皮动画法，其中：
(1)帧数据合并法地把动画中的各帧模型合并到一个模型中，每帧都包含顶点位置数据，需要存储大规模的顶点数据，简单而数据量巨大；
(2)骨骼动画法引入了骨骼这一概念，建立了骨架与模型顶点数据的关系，把模型分为腿、躯干、手臂、头这几部分，通过骨骼节点连接，父节点带动子节点移动和旋转，以此类推，形成这个骨架级联移动和旋转，有效地降低数据冗余度，各部分的动画可以各种组合；
(3)蒙皮动画法支持骨骼动画、顶点蒙皮渲染。不直接储存顶点数据，只存储模型的纹理坐标、索引、节点权重，在渲染的每一帧过程中根据节点权重计算出新的顶点数据。对于高精度、顶点数量巨大的三维模型节点权重编辑工作，需要耗费大量的人力和物力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高精度三维扫描模型的制作计算机蒙皮动画的方法，解决现有技术对于高精度、顶点数量巨大的三维模型节点权重编辑工作需要耗费大量的人力和物力的问题。
本发明的实现过程如下：
一种基于高精度三维扫描模型的制作计算机蒙皮动画的方法，首先用三维扫描仪扫描的数字三维模型骨架线，利用骨骼的动作模板库，完成骨骼绑定，计算蒙皮权重，实时更新模型顶点坐标，完成计算机蒙皮动画。
上述基于高精度三维扫描模型的制作计算机蒙皮动画的方法，具体包括如下步骤：
(1)提取高精度三维模型的骨架线；
(2)将步骤(1)提取的三维模型骨架线与模板库中的骨骼做空间坐标的匹配；
(3)计算三维模型骨架线的各顶点与步骤(2)匹配的模板库中骨骼的各骨骼节点的空间欧式距离，所述骨骼节点的空间欧式距离的倒数平方和即为与该骨骼节点相匹配的三维模型骨架线的顶点的权重；
(4)重复步骤(3)，计算三维模型骨架线的各顶点的权重，所述顶点的权重即为相匹配的骨骼节点的权重，作为最终的蒙皮权重；
(5)通过骨骼的层级关系计算顶点新的坐标值，具体公式为：pos＝pos0*M0*W0+pos1*M1*W1+pos i*M i*W i，其中pos为新的顶点坐标值，pos0为骨骼节点0的坐标值，pos1为骨骼节点1的坐标值，pos i为骨骼节点i的坐标值，M0为骨骼节点0的变换矩阵，M1为骨骼节点1的变换矩阵，M i为骨骼节点i的变换矩阵，W0为骨骼节点0的权重，W1为骨骼节点1的权重，W i为骨骼节点i的权重；
(6)在一个连续的时间段内取每一帧的骨骼节点数据，重复步骤(5)，计算每一帧三维模型骨架线的顶点坐标，即制作完成计算机蒙皮动画。
进一步，步骤(1)所述三维模型的骨架线为一组树状结构的多段线，所述多段线上包含点坐标。
进一步，所述三维模型由三角面组成，点云数量大于2万，三角面数量大于10万。
进一步，从三维模型上提取骨架线，利用三维模型骨架线与骨骼模板进行匹配，选择对应的骨骼形状。
进一步，步骤(2)所述三维模型骨架线与模板库中的骨骼做空间坐标匹配的方法是计算骨架线的坐标与骨骼节点坐标的最小欧式距离，距离最小的形成匹配对，如果所有骨架线坐标与所有骨骼节点配对成功，则认为该骨骼为选中的骨骼。
三维空间中的欧氏距离就是两点之间的实际距离。
本发明的积极效果：
(1)本发明方法可以处理高精度三维扫描仪扫描出的三维模型，通过算法计算模型顶点的权重，相比人工处理大大节省了模型处理的工作量；
(2)利用蒙皮动画原理，只存储模型的纹理坐标、索引、节点权重，在渲染的每一帧过程中根据节点权重计算出新的顶点数据。
(3)本发明方法相比帧数据合并法、骨骼动画法，内存空间占用少，非刚性的顶点变形，实现的动画效果更加自然。
附图说明
图1为本发明所述三维模型骨架线的结构示意图；
图中，pos0为骨骼节点0的坐标值，pos1为骨骼节点1的坐标值，pos i为骨骼节点i的坐标值，M0为骨骼节点0的变换矩阵，M1为骨骼节点1的变换矩阵，M i为骨骼节点i的变换矩阵。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
为了解决现有技术对于高精度、顶点数量巨大的三维模型节点权重编辑工作需要耗费大量的人力和物力的问题，本发明提供一种基于高精度三维扫描模型的制作计算机蒙皮动画的方法。
实施例1
本实施例所述基于高精度三维扫描模型的制作计算机蒙皮动画的方法，具体包括如下步骤：
(1)提取高精度三维模型的骨架线，所述三维模型的骨架线为一组树状结构的多段线，所述多段线上包含点坐标；所述三维模型由三角面组成，点云数量大于2万，三角面数量大于10万；
(2)将步骤(1)提取的三维模型骨架线与模板库中的骨骼做空间坐标的匹配，从三维模型上提取骨架线，利用三维模型骨架线与骨骼模板进行匹配，选择对应的骨骼形状，所述三维模型骨架线与模板库中的骨骼做空间坐标匹配的方法是计算骨架线的坐标与骨骼节点坐标的最小欧式距离，距离最小的形成匹配对，如果所有骨架线坐标与所有骨骼节点配对成功，则认为该骨骼为选中的骨骼
(3)计算三维模型骨架线的各顶点与步骤(2)匹配的模板库中骨骼的各骨骼节点的空间欧式距离，所述骨骼节点的空间欧式距离的倒数平方和即为与该骨骼节点相匹配的三维模型骨架线的顶点的权重；
(4)重复步骤(3)，计算三维模型骨架线的各顶点的权重，所述顶点的权重即为相匹配的骨骼节点的权重，作为最终的蒙皮权重；
(5)通过骨骼的层级关系计算顶点新的坐标值，具体公式为：pos＝pos0*M0*W0+pos1*M1*W1+pos i*M i*W i，其中pos为新的顶点坐标值，pos0为骨骼节点0的坐标值，pos1为骨骼节点1的坐标值，pos i为骨骼节点i的坐标值，M0为骨骼节点0的变换矩阵，M1为骨骼节点1的变换矩阵，M i为骨骼节点i的变换矩阵，W0为骨骼节点0的权重，W1为骨骼节点1的权重，W i为骨骼节点i的权重；
(6)在一个连续的时间段内取每一帧的骨骼节点数据，重复步骤(5)，计算每一帧三维模型骨架线的顶点坐标，即制作完成计算机蒙皮动画。
本发明方法提取三维模型的骨架线，从骨骼动作模板库中选择对应的骨骼动作，通过模型的顶点坐标和骨骼的节点空间坐标进行匹配，记录骨骼节点对应的模型顶点集合；对每个骨骼节点计算骨骼节点的空间坐标与模型顶点之间的空间欧式距离倒的平方和作为权重，累加到每个顶点上，作为模型每个顶点的蒙皮权重；蒙皮的权重与骨骼顶点空间坐标的乘积再与模型顶点的空间坐标相加，即为新的顶点坐标；连续的计算每一帧的蒙皮权重，即得到每一帧新的坐标；在一个连续的时间序列里不断的计算新的模型顶点坐标，即蒙皮动画产生。该方法的优势在于对于高精度，顶点数量、面片数量巨大的三维模型，通过算法计算模型顶点的权重，大大节省了三维模型处理的工作量。该方法相比帧数据合并法、骨骼动画法，内存空间占用少，非刚性的顶点变形，实现的动画效果更加自然。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于高精度三维扫描模型的制作计算机蒙皮动画的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)用三维扫描仪扫描来提取高精度三维模型的骨架线；所述三维模型的骨架线为一组树状结构的多段线，所述多段线上包含点坐标；所述三维模型由三角面组成，点云数量大于2万，三角面数量大于10万；从三维模型上提取骨架线，利用三维模型骨架线与骨骼模板进行匹配，选择对应的骨骼形状；
(2)将步骤(1)提取的三维模型骨架线与模板库中的骨骼做空间坐标的匹配；
(3)计算三维模型骨架线的各顶点与步骤(2)匹配的模板库中骨骼的各骨骼节点的空间欧式距离，所述骨骼节点的空间欧式距离的倒数平方和即为与该骨骼节点相匹配的三维模型骨架线的顶点的权重；
(4)重复步骤(3)，计算三维模型骨架线的各顶点的权重，所述顶点的权重即为相匹配的骨骼节点的权重，作为最终的蒙皮权重；
(5)通过骨骼的层级关系计算顶点新的坐标值，具体公式为：pos＝pos0*M0*W0+pos1*M1*W1+posi*Mi*Wi，其中pos为新的顶点坐标值，pos0为骨骼节点0的坐标值，pos1为骨骼节点1的坐标值，posi为骨骼节点i的坐标值，M0为骨骼节点0的变换矩阵，M1为骨骼节点1的变换矩阵，Mi为骨骼节点i的变换矩阵，W0为骨骼节点0的权重，W1为骨骼节点1的权重，Wi为骨骼节点i的权重；
(6)在一个连续的时间段内取每一帧的骨骼节点数据，重复步骤(5)，计算每一帧三维模型骨架线的顶点坐标，即制作完成计算机蒙皮动画。
2.根据权利要求1所述基于高精度三维扫描模型的制作计算机蒙皮动画的方法，其特征在于：步骤(2)所述三维模型骨架线与模板库中的骨骼做空间坐标匹配的方法是计算骨架线的坐标与骨骼节点坐标的最小欧式距离，距离最小的形成匹配对，如果所有骨架线坐标与所有骨骼节点配对成功，则认为该骨骼为选中的骨骼。
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