基于图像空间的三维动画线绘制方法研究

摘要

近年来随着计算机图形学的发展，非真实感渲染技术(NPR)已经越来越受到人们的关注，而线绘制则是其中的一种最简洁有效的表达方法，能够用最少的视觉抽象表达出尽可能多的信息，同时也是其他风格化处理方式的基础，可以与其他方法结合用于不同类型的风格化渲染。
　　对三维空间模型来说，线绘制方法基本分为两大类，分别为物体空间算法和图像空间算法。物体空间方法直接作用于物体网格本身，得到的线绘制结果质量较高，但是其算法复杂，算法效率与物体本身的复杂度直接相关。图像空间法和物体空间法相比，虽然算法实现简单并且效率要高得多，但是线条质量却不如物体空间方法，因为其线条质量与得到的渲染图效果密切相关，对渲染图中出现的噪声和多余细节具有高度敏感性。而对三维动画的线绘制来说，每一帧的表面法向量都需要重新计算，这既是线绘制的最关键步骤同时也是线绘制的瓶颈操作。虽然也可以利用现有的方法分别对动画数据的每一帧进行逐帧的重新操作，但是对大规模的数据来说这种方法效率过低。
　　本文针对动态模型数据序列相邻帧之间存在某种相关性，选用图像空间方法为基础对其作出改进，提出了一个适用于对大规模动态数据进行渲染并得到线绘制效果的框架，在充分利用图像空间方法高效率优点的同时对其线条质量进行提升。基本思路是首先利用蒙皮网格序列之间的相关性来加快对网格的表面法向量的计算，并利用这个法向量快速生成适用于图像空间线条画的渲染图，然后利用基于L0范数梯度最小化的机制对渲染图进行稳定化去除噪声等多余信息，并把最终得到的高质量渲染图进行图像空间的线条抽取得到每一帧的线条画。实验表明，本文提出的算法能够高效地传达出复杂动画序列的线绘制所需轮廓信息，并且绘制质量能够接近于物体空间法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究内容

1．4 论文组织结构

第二章 相关技术介绍

2．1 线条与线绘制

2．2 一般轮廓线定义

2．3 启发性轮廓定义

2．4 骨骼蒙皮动画技术

2．4．1 三维动画技术

2．4．2 骨架层次模型

2．4．3 骨骼蒙皮动画

2．5 本章小结

第三章 蒙皮网格表面法向量的高效计算

3．1 蒙皮网格的变形

3．2 蒙皮模型的光照

3．3 蒙皮雅克比矩阵精准计算

3．3．1 逐三角形的线性混合蒙皮雅可比矩阵

3．3．2 逐顶点的线性混合蒙皮雅克比矩阵

3．4 表面法向量的快速计算

3．4．1 简化雅可比矩阵

3．4．2 数值稳定性和带宽的优化

3．4．3 处理反转法线

3．5 表面法向量计算算法流程

3．6 本章小结

第四章 基于L0范数的线绘制稳定机制

4．1 L0范数稳定机制

4．1．1 L0平滑原理

4．1．2 L0范数梯度最小化

4．2 快速求解L0梯度最小化

4．3 渲染图L0稳定算法流程

4．4 本章小结

第五章 图像空间线条绘制

5．1 物体轮廓线生成策略

5．1．1 物体空间法

5．1．2 图像空间法

5．2 图像空间线条画流程

5．3 一般性轮廓线生成算法

5．4 启发性轮廓线生成算法

5．5 本章小结

第六章 实验过程及结果分析

6．1 实验流程

6．2 实验结果展示与分析

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 进一步研究方向

参考文献

攻读硕士研究生期间发表的学术论文

致谢