CN1710612A - 基于备选关节点集合的皮肤顶点影响权值分配方法 - Google Patents

Abstract

基于备选关节点集合的皮肤顶点影响权值分配方法，(1)顶点法向投影，将所有皮肤顶点和备选关节点集中的点投影到平行截取平面的法向上；(2)附属影响备选关节点，在法向上将所有皮肤顶点按照备选关节点划分，并将相邻的两备选关节点附属到该划分的每个皮肤顶点上；(3)附属影响关节，对已确定的关节，将关节附属到皮肤顶点上；(4)顶点分类，对皮肤顶点按照预定的分类规则进行分类，根据皮肤顶点与两个影响关节位置关系设置该顶点类别属性，并按照相应调整策略调整其所附带的影响关节；(5)设定影响权值，分别对调整后的三种类别的皮肤顶点，设定其影响关节对其影响的权值。本发明节省了建模人员手工构建这些数据的劳动，提高了虚拟人几何建模过程以及虚拟人几何模型与运动数据骨架匹配过程的自动化程度。

Description

基于备选关节点集合的皮肤顶点影响权值分配方法

技术领域

本发明属于计算机虚拟现实和计算机图形学技术领域，特别是涉及虚拟人骨骼动画技术和虚拟骨骼动画中的一种皮肤变形技术。

背景技术

虚拟人技术尤其是虚拟人动画技术(角色动画技术)越来越广泛地被应用于虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统以及计算机角色动画、三维游戏、数字电影技术等领域。在虚拟现实尤其是分布式虚拟现实系统当中，要求其中由人操控的虚拟人具有一定程度逼真的几何模型，同时能够以自然真实的方式模拟真实环境中人的部分动作，以使操作者和观察者能够获得一定程度的沉浸感。在角色动画，三维游戏以及数字电影技术领域，虚拟人作为场景中的重要角色，其外形的逼真、动作的逼真更成为了一个至关重要的因素。

在上述应用领域中(也包括其他相关应用领域)，为了能够逼真地表现虚拟人角色，常常使用虚拟人骨骼动画技术，包括：构建逼真的三维虚拟人几何模型，构建相应的骨架模型，驱动骨架以及驱动虚拟人几何模型运动等技术。在虚拟人骨骼动画中，三维虚拟人几何模型常称为“皮肤”，而顶点混合(VertexBlending)算法是最基本的皮肤变形算法。其中，附属在皮肤之下的骨架结构的中每个关节都与该“皮肤”中的顶点相关联(即可以影响相应的皮肤顶点)，并被赋予一定的权值，在使用运动数据驱动骨架运动的某一帧中，程序根据能够影响虚拟人的皮肤的关节旋转位移信息，按照预先设定的权值对皮肤顶点坐标作相应更新，即可驱动虚拟人几何模型(即皮肤)运动，产生变形效果。

虚拟人的骨架模型是一个树状结构，其根节点称为根关节。该树状结构中的每个关节均带有一个三维坐标属性，同时各自还建立了局部坐标系，当另有一个关节J相对于这个局部坐标系给出其三维坐标属性，则称关节J为这个关节的子关节，而这个关节称为关节J的父关节。若使整个虚拟人的骨架按照预定的动作运动，则需要设定各个子关节相对于父关节局部坐标系的相对平移，相对旋转(用旋转矩阵表示)。根关节的三维坐标近似代表了虚拟人骨架模型的质心坐标，这个坐标在世界坐标系中给出，相应地，其旋转矩阵也是相对世界坐标系给出的。

虚拟人角色动画中的骨骼动画技术以虚拟人的骨架模型为基础，使用基于物理的仿真技术或基于运动捕获数据来驱动骨架模型的运动，结合前面所述的皮肤顶点混合技术，即可得到完整的可变形的虚拟人动画。当建立好虚拟人骨架模型后，在某一时刻，骨骼动画应用程序给出该骨架模型中每个关节相对于父关节的平移，旋转矩阵，特别地，给出根关节相对世界坐标系的平移和旋转矩阵，然后对骨架模型的树状结构执行“先序遍历”算法，依次对每个关节，依据平移和旋转矩阵设置虚拟人骨架的状态，则这一时刻的虚拟人骨架将处于应用程序指定的姿态。在一段时间中骨骼动画应用程序连续地(时间间隔足够小，通常为0.033秒或者更小间隔)指定虚拟人的姿态，这些姿态序列即可连接成视觉上连续的一段虚拟人动画。

对虚拟人应用骨骼动画技术要求虚拟人的几何模型与骨架模型相互匹配，在实际应用中一般是预先指定一套公共的骨架定义，在建模时即在虚拟人几何模型(皮肤)下相应建立符合这套定义的骨架结构，并将皮肤上的所有顶点附着在该套骨架结构的一个或多个关节上，设定这些关节对顶点的影响权值。另一方面，在采集运动数据时也采用相同的骨架结构，对其中的每个关节均有相应的数据通道，最终，这些数据按时间关系组织起来，在相同时刻采集的所有数据通道中的数据为一组，称为该运动数据的一帧(一帧运动数据正好采集了模特在该时刻的姿态。)按照时间顺序和指定间隔依次播放这些数据帧，即重现所采集的运动，这里的播放一帧运动数据是指将该数据帧赋值给虚拟人骨架结构中的相应关节，并按照这些数据更新整个骨架的状态，使虚拟人骨架呈现预期的姿态。如此，在运动数据驱动骨架运动的基础上，使用前述顶点混合方法，驱动虚拟人几何模型的运动并产生一定的变形效果。

上述骨骼动画的实施需要模型和采集的运动数据使用相同的一套骨架结构，但事实上建模与采集运动数据这两个过程具有相对较高的独立性，因此大量已建立的虚拟人模型或者不附骨架结构，或者所附的骨架与待用的运动数据的骨架定义不相匹配，为骨骼动画的应用带来一定影响。为此，产生了一批自动匹配模型与运动数据的骨架结构的方法。其中一种称为基于语义分析的懒匹配算法，使用平行平面对虚拟人几何模型(多边形网格模型)进行截取，取得的截面并计算中心点，所有这些中心点在该算法中称为备选关节点，备选关节点组成的集合称为备选关节点集，备选关节点集中的部分关节点将在随后匹配为虚拟人骨架结构的关节，本发明即是为解决该算法中将虚拟人皮肤顶点附着到相应的备选关节点并最终附着到骨架结构上，以及如何分配影响权值的问题而提出的。

发明内容

本发明的技术解决问题：提出一种基于备选关节点集合的皮肤顶点影响权值分配方法，将备选关节点集中的备选关节点与虚拟人模型的皮肤顶点联系起来，并赋予适当的权值，进而与骨架联系起来，使所得结果可直接应用于骨骼动画中驱动虚拟人模型完成指定的动作，并产生适当的变形效果。

本发明的技术解决方案：基于备选关节点集合的皮肤顶点影响权值分配方法，其特点在于：以皮肤顶点坐标为划分皮肤顶点的依据，将皮肤顶点附着到相应的备选关节点上，按照皮肤顶点到该备选关节点距离的函数赋予影响权值，然后依据备选关节点所在的关节，对皮肤顶点的影响权值进行归一化处理，为避免骨骼动画皮肤顶点混合中的失真情况出现，对部分皮肤顶点的影响权值进行处理，具体步骤如下：

(1)顶点法向投影，将所有皮肤顶点和备选关节点集中的点投影到平行截取平面的法向上；

(2)附属影响备选关节点，在法向上将所有皮肤顶点按照备选关节点划分，并将相邻的两备选关节点(即两个端点)附属到该划分的每个皮肤顶点上；

(3)附属影响关节，对已确定的关节，将关节附属到皮肤顶点上；

(4)顶点分类，对皮肤顶点按照预定的分类规则进行分类，根据皮肤顶点与两个影响关节位置关系设置该顶点类别属性，该属性是第一类顶点、第二类顶点和第三类顶点，并按照相应调整策略调整其所附带的影响关节。

(5)设定影响权值，分别对调整后的三种类别的皮肤顶点，设定其影响关节对其影响的权值。

本发明的原理：由于备选关节点是由平行平面截取虚拟人模型并取截面中心点所得，因此各备选关节点在平行平面法向的投影以一定间隔出现。在两相邻平行平面之间的所有皮肤顶点都将附着到这两个相邻平行平面所产生的备选关节点上。若对平行平面进行排序，为判断某个皮肤顶点所在范围，首先将该皮肤顶点投影到平行平面法向上，与该投影距离最近的两个备选关节点投影即与影响该皮肤顶点的备选关节点对应。如此，可将这两个备选关节点依次加入到该皮肤顶点属性中。

在确定作为虚拟人骨架结构中的关节的备选关节点子集后(以下称该子集中的点为关节)，就可确定与皮肤顶点关联的关节及其对该皮肤顶点的影响权值。对每个皮肤顶点，以及该皮肤顶点所附带的每个备选关节点(如上段所述，每个皮肤顶点附带两个备选关节点)，确定该备选关节点最近的两个关节，两个备选关节点共确定四个关节，由于该皮肤顶点所附的两个备选关节点是相邻，因此所确定的四个关节实际上只是两个骨架树状结构中的两个相邻的关节，即这两个关节互为父子关节(对于特殊情况：该皮肤顶点附带的备选关节点自身即是一个关节，可定义“选择规则”，以统一的方式选择最近的两个关节即可)。

如此，每个皮肤顶点经上述过程后将确定两个影响关节。为对每个影响关节赋予影响权值，计算该皮肤顶点到影响关节的在法向投影距离与相邻关节的投影距离之比来确定，具体方法可使用如下的分类规则或参考实施例及附图2中的皮肤顶点分类示例。

为避免所有的皮肤顶点都受到两个关节的影响而导致虚拟人变形效果的失真，本发明使用影响关节的相对关系对皮肤顶点进行分类并采用相应的调整策略，分类规则是按照该皮肤顶点与其所附两个关节中的父关节的法向投影距离与这两个关节的法向投影距离之比给出(这里的法向为平行截取平面的法向)。该比值在0到1之间，本发明将0到1实数区间分为三个子区间：(0到a，a到b，和b到1，其中a，b为介于0，1之间的实数且a小于b；实数a和b的选取可结合具体应用决定)，则皮肤顶点的分类及相应调整策略根据该比值落于三个子区间的情况确定。

1.若比值落于半闭半开区间0到a，称为第一类，则将该皮肤顶点附带的子关节替换为父关节的父关节，并同时受到替换操作之后的两个关节的影响；

2.若比值落于半闭半开区间a到b，称为第二类，则该皮肤顶点只受到父关节的影响。

3.若比值落于闭区间b到1，称为第三类，则该皮肤顶点同时受到父子关节的影响。

本发明给出的确定影响权值的方法是，在上面第1和第3中情况中，将两个实值一元函数(可以是相同的函数)作用到皮肤顶点到两个关节的投影距离上，然后分别以所得的两个函数值占两函数值之和的比例设定为相应关节的影响权值。对于上述第2种情况，只简单地将父关节影响权值设定为1，而子关节影响权值设定为0。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明可以配合相关技术自动为虚拟人几何模型的顶点分配骨架的影响关节及其影响权值的设定，节省了建模人员手工构建这些数据的劳动，提高了虚拟人几何建模过程以及虚拟人几何模型与运动数据骨架匹配过程的自动化程度。

附图说明

图1为本发明皮肤顶点影响权值分配方法总流程图；

图2本发明的附属备选关节点到皮肤顶点示意图；

图3本发明的皮肤顶点分类说明图，其中图3a为第一类，图3b为第二类，图3c为第三类。

具体实施方式

实施例：对虚拟人模型的皮肤顶点确定影响关节并设定权值。具体对虚拟人模型的一个局部进行，如图3(1)所示，该部分具有多个备选关节点，并且最终有三个备选关节点被确定为关节。

如图1所示，本发明包括为皮肤顶点确定影响关节以及设定影响权值两个部分共五个步骤。其中确定影响关节部分被细分为四个步骤：(1)顶点法向投影，将所有皮肤顶点和备选关节点集中的点投影到平行截取平面的法向上；(2)附属影响备选关节点，在法向上将所有皮肤顶点按照备选关节点划分，并将相邻的两备选关节点(即两个端点)附属到该划分的每个皮肤顶点上；(3)附属影响关节，对已确定的关节，将关节附属到皮肤顶点上；(4)顶点分类，对皮肤顶点按照预定的分类规则进行分类，共分为三类，并按照相应调整策略调整其所附带的影响关节；(5)设定影响权值，设定权值部分相对简单，只包含一个步骤，分别对调整后的三种类别的皮肤顶点，设定其影响关节对其影响的权值。

下面按照图1所示的顺序依次叙述皮肤顶点影响权值分配方法总流程中的各个步骤。

(1)顶点法向投影：根据生成备选关节点所取的平行截取平面的法向直线，将每个备选关节点，以及每个皮肤顶点投影到该直线上，并在该直线适当位置选取原点，给出这些备选关节点以及皮肤顶点投影的有向坐标。备选关节点集合的投影点集合在将皮肤顶点的投影点集合划分为多个不交的子集合。

(2)附属影响备选关节点，对皮肤顶点，如图2中的v1和v2，其投影在备选关节点投影a和备选关节点投影b之间。因此，将投影点a和b所对应的备选关节点都附属到皮肤顶点v1和v2上，即v1同时受到投影点a和b对应的备选关节点影响，v2也同时受到投影点a和b对应的备选关节点影响。

(3)附属影响关节点，当有备选关节点被选中成为关节点，如图2中的关节J1和关节J2，并且可以确定父子关系，在图2中，关节J1为父关节，而关节J2为子关节，v1和v2是皮肤顶点，a，b是备选关节点。对于皮肤顶点v1，其附属的备选关节点分别是a和b对应的备选关节点，因此可将关节J1和关节J2替换掉a、b所对应的备选关节点成为皮肤顶点v1的附属关节，v2以及其他的皮肤顶点用同样方法给出附属关节。当a或b所对应的备选关节点恰有一个被选中成为关节时(由于平行平面间隔足够小，两者不可能同时被选中为关节)，例如是a对应的备选关节点恰为关节J1，则另一个影响关节为J2。(4)顶点分类，如图3所示：假设在通过第3步后，某个皮肤顶点的影响关节为J2和J3，根据该皮肤顶点在法向上投影坐标减去父关节J2的法向投影坐标，去比子关节J3的法向投影坐标减去父关节J2的法向投影坐标所得的比值分为三类，(1)若比值落在半开半闭区间0到a时，为第一类，见图3a；(2)若比值落在半开半闭区间a到b时，为第二类，见图3b；(3)若比值落在闭区间b到1时，为的三类，见图3c。对于这三类皮肤顶点，分别采用如下调整影响关节的调整策略，(1)对第一类顶点，将影响关节调整为父关节J1和子关节J2；(2)对第二类顶点，其影响关节不变，仍为父关节J2和子关节J3；(3)对第三类顶点，其影响关节不变，仍为父关节J2和子关节J3。

(5.)设定影响权值：继续按照步骤(4)中的顶点分类进行处理，若皮肤顶点是第一类顶点，则其影响关节J1和J2的影响权值各设定为0.5；若皮肤顶点是第二类顶点，则其影响关节J2的影响权值设定为1，而影响关节J3的影响权值设定为0；若皮肤顶点为第三类顶点，则将影响关节J2和J3的影响权值各设定为0.5。本发明对更为复杂的影响权值设定作如下安排，即使用投影距离的一元函数作为初始影响值，然后进行归一化，即各值占函数值总和的比例作为最终设定的影响权值。

通过如上5个步骤，最终将为每个皮肤顶点确定其影响关节和相应的影响权值，使得虚拟人的几何模型(皮肤)能够在后续的骨骼动画中由相应的骨架结构驱动而运动，并可在执行动作时利用本发明为皮肤确定的影响关节和权值进行虚拟人模型在运动中的变形效果处理。

Claims (4)

1、基于备选关节点集合的皮肤顶点影响权值分配方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)顶点法向投影，将所有皮肤顶点和备选关节点集中的点投影到平行截取平面的法向上；

(2)附属影响备选关节点，在法向上将所有皮肤顶点按照备选关节点划分，并将相邻的两备选关节点附属到该划分的每个皮肤顶点上；

(3)附属影响关节，对已确定的关节，将关节附属到皮肤顶点上；

(4)顶点分类，对皮肤顶点按照预定的分类规则进行分类，根据皮肤顶点与两个影响关节位置关系设置该顶点类别属性，该属性是第一类顶点、第二类顶点和第三类顶点，并按照相应调整策略调整其所附带的影响关节；

(5)设定影响权值，分别对调整后的三种类别的皮肤顶点，设定其影响关节对其影响的权值。

2、根据权利要求1所述的基于备选关节点集合的皮肤顶点影响权值分配方法，其特征在于：所述的步骤(4)中的分类规则是按照该皮肤顶点与其所附两个关节中的父关节的法向投影距离与这两个关节的法向投影距离之比给出，该比值在0-1之间，将0-1实数区间分为三个子区间：0到a为第一类顶点，a到b为第二类顶点，b到1为第三类顶点，其中a，b为介于0，1之间的实数且a小于b。

3、根据权利要求1或2所述的基于备选关节点集合的皮肤顶点影响权值分配方法，其特征在于：所述步骤(4)的调整策略是：对第一类顶点，将影响关节调整为父关节J1和子关节J2；对第二类顶点，其影响关节不变，仍为父关节J2和子关节J3；对第三类顶点，其影响关节不变，仍为父关节J2和子关节J3。

4、根据权利要求1所述的基于备选关节点集合的皮肤顶点影响权值分配方法，其特征在于：所述的设定影响权值为：若皮肤顶点是第一类顶点，则其影响关节J1和J2的影响权值各设定为0.5；若皮肤顶点是第二类顶点，则其影响关节J2的影响权值设定为1，而影响关节J3的影响权值设定为0；若皮肤顶点为第三类顶点，则将影响关节J2和J3的影响权值各设定为0.5。

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