CN111862276B - 一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法 - Google Patents

一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法，本发明拟基于三维动画制作软件应用接口，通过形式化动作描述文本的动作解析、参数解码、关键帧生成、中间帧生成等处理环节，实现骨骼动画的自动化制作。本发明可基于动作描述文本，实现高效的骨骼动画制作。

Description

一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法
技术领域
本发明涉及形式语言和骨骼动画制作技术领域，特别是一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法。
背景技术
人体骨骼动画制作，主要分为两个部分：一是以人体解剖学为基础定义的一套骨骼层次，运动数据包含在结构化的骨架中；二是蒙皮，即网格模型，用于提供动画绘制所需要的几何模型和纹理材质信息。进一步，骨架动作制作，主要有手K动画和动作捕捉技术两种方式。其中，手K动画制作以数学模型为基础，利用关键帧动画技术和正反向动力学的方法制作动作姿态。该方法通常需要设计运动过程中多个关键帧时刻人体的静止姿态，并采用插值运算自动生成中间帧画面。手K动画制作虽然无需借助昂贵的设备，但关键帧通常需要由动画师运用三维动画制作软件，如Poser,Blender,Maya,3D Max,等花费大量精力和费用逐帧制作，效率差，周期长，复用性差。动作捕捉技术的出现和发展，在一定程度上弥补了传统手K动画制作存在的劳动密度大、人工干预程度高的缺点，且能够得到更接近人体真实运动的骨骼动画。但是，动作捕捉技术需要十分昂贵的数据捕捉设备，且难以对人体无法完成的高难度动作进行数据采集。此外，基于该技术获得的动作难以被重用到不同的骨架中，并且对部分运动细节进行编辑和修改时处理较为繁琐。面对当前骨架动作制作技术中存在的上述问题，探索基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动化制作方法，对于提高人体骨骼动画制作效率以及高难度虚拟动作模拟具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法，本发明可实现高效的骨骼动画制作。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法，包括以下步骤：
步骤1、读取形式化动作描述文本，将关键帧姿态变换数据存入集合L＝{li|i＝1,…,m}，其中，m为关键帧姿态的数量，li为描述第i个关键帧姿态变换的五元组集合；li＝{xij|j＝1,…,n},其中，n为该关键帧姿态变换数据中五元组的数量，xij＝{aij,cij,dij,pij,tij}为一个五元组，xij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的基本运动，aij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动关节编码，cij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动变换类型编码，dij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动的方向描述编码，pij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动幅度编码，tij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨架关节的运动持续时间编码；
步骤2、采用场景角色选定以及角色重心高度获取方法，选定骨骼动画制作场景、角色并获得角色初始姿态重心高度，将角色默认初始姿态存入关键帧姿态集合W＝{wq|q＝0,1,…,m}，其中，wq为第q个关键帧姿态；
步骤3、将角色默认姿态所处时间点v0,存入关键帧时间点序列集合V＝{vq|q＝0,1,…,m}，vq为第q个关键帧姿态所处的时间点，遍历关键帧姿态变换数据集合L获取各关键帧姿态变换的持续时间，解析得到各关键帧姿态所处的时间点，存入集合V；
步骤4、基于第i个关键帧姿态所处的时间点vi，采用动画帧设置方法，设置关键帧姿态wi所处的时间点；
步骤5、从第i个关键帧姿态变换的五元组集合li读取一五元组xij＝{aij,cij,dij,pij,tij}，解析得到aij对应的参数信息aij'，dij对应的变换方向参数dij'，pij对应的运动幅度参数pij'，存入集合xij'＝{aij',dij',pij'}；
步骤6、基于xij'所确定参数信息aij'、dij'、pij'，采用骨骼关节选定、骨骼关节变换类型设置、骨骼关节变换幅度设置方法，依次进行选中骨骼关节、设置变换方向以及设置距离或角度参数处理；
步骤7、循环执行步骤5-步骤6，直至完成li中所有五元组的处理，得到第i个关键帧姿态wi，存入关键帧姿态集合W；
步骤8、基于第i个关键帧姿态wi与第i-1个关键帧姿态wi-1，以及第i个关键帧姿态所处的时间点vi与第i-1个关键帧姿态所处的时间点vi-1，调用线性插值方法，插值得到wi与wi-1之间所有运动结点动作的中间帧；
步骤9、循环执行步骤4–步骤8，直至完成所有关键帧的处理，得到骨骼动画文件。
作为本发明所述的一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法进一步优化方案，步骤3具体包括：
步骤3-1、从关键帧姿态变换数据集合L取第i个关键帧姿态变换的五元组集合li；
步骤3-2、针对li，读取第一个五元组xi1所确定的时间参数ti1，根据时间编码表解析得到对应的运动时间参数ti1'；
步骤3-3、将第i个关键帧姿态所处的时间点vi赋值为vi-1+ti1'，并存入关键帧时间点序列集合V；
步骤3-4、重复执行步骤3-1至步骤3-3，直至得到所有关键帧姿态所处的时间点序列集合V。
作为本发明所述的一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法进一步优化方案，步骤5具体包括：
步骤5-1、依据人体骨架信息解码表，解析得到aij对应的骨骼关节名称aij'；
步骤5-2、若cij＝0，执行步骤5-3；否则，执行步骤5-4；
步骤5-3、依据平移变换解码表获取dij和pij对应的变换方向参数dij'和运动幅度参数pij'；
步骤5-4、依据旋转变换解码表获取dij和pij对应的变换方向参数dij'和运动幅度参数pij'。
作为本发明所述的一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法进一步优化方案，步骤6具体包括：
步骤6-1、采用骨骼关节选定方法选定aij'；
步骤6-2、若cij＝0，则执行步骤6-3；否则，执行步骤6-4；
步骤6-3、基于步骤5-3获得的dij'和pij'，调用骨骼关节变换类型设置、关节变换参数设置方法，实现骨骼关节平移变换；
步骤6-4、基于步骤5-4获得的dij'和pij'，调用骨骼关节变换类型设置、关节变换参数设置方法，实现骨骼关节旋转变换。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明拟基于三维动画制作软件应用接口，通过形式化动作描述文本的动作解析、参数解码、关键帧生成、中间帧生成等处理环节，实现骨骼动画的自动化制作；可实现高效的骨骼动画制作。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是实验数据；其中，(a)是拳谱语句转化为五元组，(b)是形式化动作描述文本。
图3是人体骨架信息解码表。
图4是变换类型信息解码表。
图5是平移变换信息解码表。
图6是旋转变换信息解码表。
图7是时间信息解码表。
图8是bvh格式骨骼动画文件。
图9是骨骼动画关键帧示例；其中，(a)是初始姿态w0，(b)是关键帧姿态w1，(c)是关键帧姿态w2，(d)是关键帧姿态w3。
图10是关键帧姿态w2与关键帧姿态w3之间的中间帧示例；其中，(a)是中间帧姿态1(第35帧)，(b)是中间帧姿态2(第42帧)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例选取了《陈氏太极拳》一组拳谱动作的结构化编码文本作为实验数据，拳谱自然语言描述为“身体缓缓下沉。左脚跟抬起。左脚横开与肩同宽。左脚踏实,重心在两腿之间。双手缓缓抬起，与肩同宽，同高。”拳谱语句转化为五元组如图2中的(a)所示，形式化动作描述文本如图2中的(b)所示。实施例中采用的方法为三维动画制作软件poser的API。
参见图1，本实施例反映了一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法，包括：
步骤1、读取形式化动作描述文本，将关键帧姿态变换数据存入集合L＝{li|i＝1,…,m}，其中，m为关键帧姿态的数量，li为描述第i个关键帧姿态变换的五元组集合；li＝{xij|j＝1,…,n},其中，n为该关键帧姿态变换数据中五元组的数量，xij＝{aij,cij,dij,pij,tij}为一个五元组，xij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的基本运动，aij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动关节编码，cij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动变换类型编码，dij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动的方向描述编码，pij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动幅度编码，tij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨架关节的运动持续时间编码。
本实施例中，读取图2中的(b)所示的形式化动作描述文本，存入集合L＝{li|i＝1,…,m}，其中，关键帧姿态数量m为3，对于描述关键帧姿态变换的五元组集合l1,l2,l3，其关键帧姿态中的五元组数量n分别为2,3,2，五元组数据如下表所示。
步骤2、采用场景角色选定以及角色重心高度获取方法，选定骨骼动画制作场景、角色并获得角色初始姿态重心高度，将角色默认初始姿态存入关键帧姿态集合W＝{wq|q＝0,1,…,m}，其中，wq为第q个关键帧姿态。
本实施例中，调用FigureMeasure方法获取角色初始姿态重心高度h＝0.397，角色默认初始姿态w0如图9中的(a)所示。
步骤3、将角色默认姿态所处时间点v0,存入关键帧时间点序列集合V＝{vq|q＝0,1,…,m}，vq为第q个关键帧姿态所处的时间点，遍历关键帧姿态变换数据集合L获取各关键帧姿态变换的持续时间，解析得到各关键帧姿态所处的时间点，存入集合V。
步骤3具体包括：
步骤3-1、从关键帧姿态变换数据集合L取第i个关键帧姿态变换的五元组集合li。
步骤3-2、针对li，读取第一个五元组xi1所确定的时间参数ti1，根据时间编码表解析得到对应的运动时间参数ti1'。
步骤3-3、将第i个关键帧姿态所处的时间点vi赋值为vi-1+ti1'，并存入关键帧时间点序列集合V。
步骤3-4、重复执行步骤3-1至步骤3-3，直至得到所有关键帧姿态所处的时间点序列集合V。
本实施例中，关键帧姿态变换数据集合为L＝{li|i＝1,2,3}，关键帧姿态l1，l2，l3中的第一个五元组分别为x11＝{0,0,20,0.1,0.4},x21＝{0000,0,11,0.2,0.5}和x31＝{011100,1,10,90,0.6}，其中t11＝0.4，t21＝0.5，t31＝0.6，根据时间信息解析表获取对应t11'＝t11*f＝12，t21'＝t21*f＝15，t31'＝t31*f＝18，f为帧率，取值30fps。将v1＝v0+t11'＝12，v2＝v1+t21'＝27，v3＝v2+t31'＝45依次存入关键帧时间序列集合V。
步骤4、基于第i个关键帧姿态所处的时间点vi，采用动画帧设置方法，设置关键帧姿态wi所处的时间点。
本实施例中，调用SetFrame方法，设置关键帧姿态w1，w2，w3所处的时间点分别为v1＝12，v2＝27，v3＝45。
步骤5、从第i个关键帧姿态变换的五元组集合li读取一五元组xij＝{aij,cij,dij,pij,tij}，解析得到aij对应的参数信息aij'，dij对应的变换方向参数dij'，pij对应的运动幅度参数pij'，存入集合xij'＝{aij',dij',pij'}；
步骤5具体包括：
步骤5-1、依据人体骨架信息解码表，解析得到aij对应的骨骼关节名称aij'；
步骤5-2、若cij＝0，执行步骤5-3；否则，执行步骤5-4；
步骤5-3、依据平移变换解码表获取dij和pij对应的变换方向参数dij'和运动幅度参数pij'；
步骤5-4、依据旋转变换解码表获取dij和pij对应的变换方向参数dij'和运动幅度参数pij'。
本实施例中，以第1个关键帧姿态变换的五元组集合l1＝{x1j|j＝1,2}中第一个五元组x11＝{0,0,20,0.07,0.5}和第3个关键帧姿态变换的五元组集合l3＝{x1j|j＝1,2}中的第一个五元组x31＝{011100,1,10,90,0.6}为例。
对于x11＝{0,0,20,0.07,0.5}，其中a11＝0，依据图3所示的人体骨架信息解码表，解析得到a11'＝Hip；c11＝0，则执行步骤5-3。基于d11＝20、p11＝0.07，依据图5所示的平移变换解码表，解析得到对应的平移变换方向参数d11'＝kParmCodeXTRAN，p11'＝-p11*h＝-0.02779；由此得到x11'＝{Hip,kParmCodeXTRAN,-0.02779}。
对于x31＝{011100,1,10,90,0.6}，其中a31＝0，依据图3所示的人体骨架信息解码表，解析得到a31'＝Left Shoulder；c31＝1，则则执行步骤5-4。基于d31＝10、p31＝90，依据图6所示的旋转变换解码表，解析得到对应的平移变换方向参数d31'＝kParmCodeYROT，p31'＝-p31＝-90由此得到x31'＝{Left Shoulder,kParmCodeYROT,-90}；
步骤6、基于xij'所确定参数信息aij'、dij'、pij'，采用骨骼关节选定、骨骼关节变换类型设置、骨骼关节变换幅度设置方法，依次进行选中骨骼关节、设置变换方向以及设置距离或角度参数处理；图4是变换类型信息解码表。
步骤6具体包括：
步骤6-1、采用骨骼关节选定方法选定aij'。
步骤6-2、若cij＝0，则执行步骤6-3；否则，执行步骤6-4。
步骤6-3、基于步骤5-3获得的dij'和pij'，调用骨骼关节变换类型设置、关节变换参数设置方法，实现骨骼关节平移变换。
步骤6-4、基于步骤5-4获得的dij'和pij'，调用骨骼关节变换类型设置、关节变换参数设置方法，实现骨骼关节旋转变换。
本实施例中，对于x11＝{0,0,20,0.07,0.5}所确定的x11'＝{Hip,kParmCodeXTRAN,-0.02779}，基于步骤5-1获得的a11'＝Hip，调用Actor方法选定变换骨骼关节。由于c11＝0，故基于步骤5-3获得的d11'＝kParmCodeXTRAN和p11'＝-0.02779，分别调用骨骼关节变换类型设置方法ParameterByCode和关节变换参数设置方法SetValue，实现结点该节点的平移变换。
对于x31＝{011100,1,10,90,0.6}所确定得到x31'＝{Left Shoulder,kParmCodeYROT,-90}，基于步骤5-1获得的a31'＝Left Shoulder，调用Actor方法选定变换骨骼关节。由于c31＝1，故基于步骤5-4获得的d31'＝kParmCodeYROT和p31'＝-90，分别调用骨骼关节变换类型设置方法ParameterByCode和关节变换参数设置方法SetValue，实现结点该节点的旋转变换。
步骤7、循环执行步骤5-步骤6，直至完成li中所有五元组的处理，得到第i个关键帧的骨架姿态wi，存入关键帧姿态集合W。
本实施例中，第1个关键帧的骨架姿态w1如图9中的(b)所示，第2个关键帧的骨架姿态w2如图9中的(c)所示，第3个关键帧的骨架姿态w3如图9中的(d)所示。
步骤8、基于第i个关键帧姿态wi与第i-1个关键帧姿态wi-1，以及第i个关键帧姿态所处的时间点vi与第i-1个关键帧姿态所处的时间点vi-1，调用线性插值方法，插值得到wi与wi-1之间的中间帧。图7是时间信息解码表。
本实施例中，调用线性插值方法SetRangeLinear，插值得到关键帧姿态w0与w1，w1与w2，w2与w3之间的中间帧，其中关键帧姿态w2与关键帧姿态w3之间的中间帧示例如图10所示。
步骤9、循环执行步骤4–步骤8，直至完成所有关键帧的处理，得到骨骼动画文件。
本实施例中，最终得到的bvh格式骨骼动画文件如图8所示。
本实施例中仅基于太极拳的形式化描述文本进行了骨骼动画制作方法示例；该方法也同样适用于其它涉及人体动作的形式化描述文本进行骨骼动画自动化制作。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、读取形式化动作描述文本，将关键帧姿态变换数据存入集合L＝{li|i＝1,…,m}，其中，m为关键帧姿态的数量，li为描述第i个关键帧姿态变换的五元组集合；li＝{xij|j＝1,…,n},其中，n为该关键帧姿态变换数据中五元组的数量，xij＝{aij,cij,dij,pij,tij}为一个五元组，xij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的基本运动，aij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动关节编码，cij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动变换类型编码，dij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动的方向描述编码，pij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨骼关节的运动幅度编码，tij表示第i个关键帧姿态变换数据中的第j个骨架关节的运动持续时间编码；
步骤2、采用场景角色选定以及角色重心高度获取方法，选定骨骼动画制作场景、角色并获得角色初始姿态重心高度，将角色默认初始姿态存入关键帧姿态集合W＝{wq|q＝0,1,…,m}，其中，wq为第q个关键帧姿态；
步骤3、将角色默认姿态所处时间点v0,存入关键帧时间点序列集合V＝{vq|q＝0,1,…,m}，vq为第q个关键帧姿态所处的时间点，遍历关键帧姿态变换数据集合L获取各关键帧姿态变换的持续时间，解析得到各关键帧姿态所处的时间点，存入集合V；
步骤4、基于第i个关键帧姿态所处的时间点vi，采用动画帧设置方法，设置关键帧姿态wi所处的时间点；
步骤5、从第i个关键帧姿态变换的五元组集合li读取一五元组xij＝{aij,cij,dij,pij,tij}，解析得到aij对应的参数信息aij'，dij对应的变换方向参数dij'，pij对应的运动幅度参数pij'，存入集合xij'＝{aij',dij',pij'}；
步骤6、基于xij'所确定参数信息aij'、dij'、pij'，采用骨骼关节选定、骨骼关节变换类型设置、骨骼关节变换幅度设置方法，依次进行选中骨骼关节、设置变换方向以及设置距离或角度参数处理；
步骤7、循环执行步骤5-步骤6，直至完成li中所有五元组的处理，得到第i个关键帧姿态wi，存入关键帧姿态集合W；
步骤8、基于第i个关键帧姿态wi与第i-1个关键帧姿态wi-1，以及第i个关键帧姿态所处的时间点vi与第i-1个关键帧姿态所处的时间点vi-1，调用线性插值方法，插值得到wi与wi-1之间所有运动结点动作的中间帧；
步骤9、循环执行步骤4–步骤8，直至完成所有关键帧的处理，得到骨骼动画文件；
步骤5具体包括：
步骤5-1、依据人体骨架信息解码表，解析得到aij对应的骨骼关节名称aij'；
步骤5-2、若cij＝0，执行步骤5-3；否则，执行步骤5-4；
步骤5-3、依据平移变换解码表获取dij和pij对应的变换方向参数dij'和运动幅度参数pij'；
步骤5-4、依据旋转变换解码表获取dij和pij对应的变换方向参数dij'和运动幅度参数pij'；
步骤6具体包括：
步骤6-1、采用骨骼关节选定方法选定aij'；
步骤6-2、若cij＝0，则执行步骤6-3；否则，执行步骤6-4；
步骤6-3、基于步骤5-3获得的dij'和pij'，调用骨骼关节变换类型设置、关节变换参数设置方法，实现骨骼关节平移变换；
步骤6-4、基于步骤5-4获得的dij'和pij'，调用骨骼关节变换类型设置、关节变换参数设置方法，实现骨骼关节旋转变换。
2.根据权利要求1所述的一种基于形式化动作描述文本的骨骼动画自动制作方法，其特征在于，步骤3具体包括：
步骤3-1、从关键帧姿态变换数据集合L取第i个关键帧姿态变换的五元组集合li；
步骤3-2、针对li，读取第一个五元组xi1所确定的时间参数ti1，根据时间编码表解析得到对应的运动时间参数ti1'；
步骤3-3、将第i个关键帧姿态所处的时间点vi赋值为vi-1+ti1'，并存入关键帧时间点序列集合V；
步骤3-4、重复执行步骤3-1至步骤3-3，直至得到所有关键帧姿态所处的时间点序列集合V。
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