基于运动捕捉数据的骨骼蒙皮动画设计与实现

摘要

近年来，随着计算机软硬件技术的快速发展，各种三维虚拟人物角色动画和游戏在人们日常生活和休闲娱乐中逐渐占有着越来越重要的地位。计算机三维虚拟人物角色动画已经成为计算机动画技术、虚拟现实和增强现实的核心技术，而通过三维虚拟人物角色来模拟现实中人类的真实动作和行为，即三维虚拟人体模型的动态仿真技术已经成为当前信息领域学术界和工业界研究与应用的热点问题。如何能够更逼真地模拟人体运动有三个关键的问题：1）三维虚拟人体建模技术；2）运动和行为控制技术；3）骨骼皮肤绑定技术。基于此，本文主要研究三维虚拟人的建模技术，并基于ASF/AMC运动捕捉数据，提出一种骨骼皮肤绑定的方法，使得运动数据可以驱动三维虚拟人模型，实现动画仿真效果。 （1）本文对ASF/AMC运动捕捉数据文件进行详细的解析与说明。ASF文件定义了虚拟人骨骼的初始模型，基于此，本文建立了虚拟人骨骼模型，该模型包括31个关节点和对应的30段骨骼，并建立了关节点的树形拓扑结构；AMC文件则定义了虚拟人运动的关键帧序列。此外，通过Maya软件构建了虚拟人的皮肤模型，该模型是由大量具有一定拓扑关系的皮肤顶点所组成的多边形网格构成，并采用贴图技术对皮肤模型进行贴图，使之更加形象逼真。 （2）本文提出了一种虚拟人皮肤顶点权重计算方法。在将所建立的皮肤模型和骨骼模型进行初始姿态匹配之后，提出骨骼包围盒的思想，对骨骼在皮肤模型上的影响区域进行划分，然后使用“骨骼投影方向线性渐变”的方法来计算皮肤顶点受骨骼影响的权重值，从而使模型表面相邻的两个顶点的权重过渡平滑，使运动数据可以正确驱动虚拟人模型皮肤变形。 （3）本文重点研究了基于ASF/AMC运动捕捉数据的多边形网格皮肤模型的蒙皮算法，主要采用线性混合蒙皮算法（LBS）和对偶四元数混合蒙皮算法（DQBS）对骨骼蒙皮动画进行实现。首先，本文采用LBS算法实现蒙皮效果，发现在运动数据的驱动下会产生“塌陷”和“裹糖纸”等皮肤失真现象。对这种现象进行分析，其产生的原因是由于直接对刚性变换矩阵进行直接线性加权混合后的矩阵不能保证刚性，不能保证皮肤体积。因此本文又采用 DQBS算法对上述缺陷进行改进，解决了LBS算法的不足，最后对这两种算法的实现效果进行了对比分析。 （4）本文使用C++语言开发了一套仿真程序，并通过ASF/AMC运动捕捉数据驱动所建立的三维虚拟人体模型进行皮肤变形实验。实验结果表明，本文采用的虚拟人体模型构造、皮肤顶点权值算法以及 DQBS蒙皮算法在相互协同的作用下能实现较好的动画效果。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目标、内容与章节安排

第2章 运动捕捉数据解析与三维人体建模

2.1 运动捕捉数据解析

2.2 基于ASF的人体骨骼模型构建

2.3 三维人体建模技术

2.4 三维人体模型皮肤层的构造

2.5 本章小结

第3章 虚拟人体模型皮肤顶点的权值计算

3.1 虚拟人体皮肤与骨骼初始姿态匹配

3.2 骨骼影响区域的划分

3.3 皮肤顶点权重值的计算

3.4 权重计算算法对比分析

3.5 本章小结

第4章 多边形网格皮肤模型的蒙皮算法

4.1 空间矩阵变换基础

4.2 人体运动模型的建立

4.3 线性混合蒙皮LBS算法

4.4 对偶四元数混合蒙皮DQBS算法

4.5 LBS与DQBS动画效果对比

4.6 本章小结

第5章 蒙皮动画仿真系统设计与实现

5.1 开发环境与工具

5.2 仿真系统流程图

5.3 程序实现流程图

5.4 功能模块介绍

5.5 实验结果与分析

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢