二维动画角色的自动匹配方法及计算实现

摘要

目前二维动画制作一般采用基于关键帧的方法，其主要步骤包括关键帧绘制，中间帧绘制以及着色等。这些步骤枯燥繁琐，且制作效率低，是制约动画发展的瓶颈。随着相关技术的发展，二维动画制作过程中的很多工作和任务已经可以由计算机辅助完成。但是，因二维动画制作流程的特殊性，目前的计算机辅助动画主要还是指动画的后期制作阶段。其主要的中间帧绘制及着色，由于无法实现关键帧中动画角色的自动匹配，需要由动画师手动建立匹配关系，使得新动画的制作效率极低。另一方面，由于错误匹配的存在，动画师对已有的成品和半成品二维动画，无法进行有效的自动检索和复用。因此，实现关键帧中动画角色的“语义理解”，对传统的动画制作及整个动画产业具有深远的理论研究意义和重大的实践应用价值。
　　本文的工作重点就是探索二维动画关键帧中所蕴含的动画角色的复杂结构及形状变化，并利用已有的动画数据的资源优势，实现关键帧中动画角色的自动匹配、中间帧自动生成、动画角色的自动着色以及动画角色的动作重用。本文的创造性研究成果主要有:
　　(1)提出了一种针对二维动画角色的特征描述算法:通过关键帧中动画角色的线长度和曲率信息获得特征点，为每个特征点分配尺度和方向并生成高维特征向量，从而保证了关键帧中的动画角色在变形、缩放、平移以及旋转等条件下具有尺度不变性和旋转不变性。
　　(2)提出了一种针对二维动画角色的自动匹配方法:把动画角色的自动匹配问题转化为基于图模型的一种优化组合问题，并依靠已提取的特征点构造满足邻接关系的马尔可夫随机场模型并把所获得的高维特征向量作为能量函数项，寻找出能量函数的极小值点，从而建立了精确的匹配关系。该方法能够方便、快捷的为计算机二维动画角色的中间帧自动绘制、自动着色、动画数据检索及重用提供了技术保障。
　　(3)提出了一种基于匹配关系的动画角色自动着色的实现方案:通过对动画角色形状匹配算法，建立起动画角色中曲线段“一对一”的匹配关系，再根据曲线段的匹配关系，建立起区域匹配。最后，将参考帧中各区域颜色信息填充到目标帧所匹配的各区域中，实现动画角色的自动着色。该方法为动画角色的自动着色的应用提供了重要的实际应用价值。
　　(4)提出了一种基于匹配关系的中间帧自动生成的实现方案:基于形状匹配算法建立动画角色曲线段的“一对一”匹配关系，再通过插值算法，实现了动画角色中间帧的自动生成。所生成的中间帧画面与关键帧具有一致的运动连续性并在视觉上是自然流畅的运动序列，对动画产业具有重要的应用价值。
　　(5)提出了一种基于匹配关系的动作重用的实现方案:以源动画角色的运动序列为基础提取其运动轨迹数据;再将源动画角色与目标动画角色进行自动匹配。根据所建立的匹配关系，将提取的源动画角色的运动轨迹数据应用到目标动画角色中，从而实现了源动画角色到目标动画角色的动作重用。该方法可以使角色动画师能够方便、快捷的为计算机二维动画角色实现显示不同的动画角色风格，但具有相同的动作风格，为提高动画数据的使用效率提供了技术保障。
　　本文是以动画角色的自动匹配为主线，研究内容涵盖了关键帧动画的几个关键问题，并在这些方面取得了一些突破性成果，已经得到了大量的实验证明。本文所提出的理论、算法及实现技术对于计算机二维动画生成中的中间帧自动绘制，自动着色，动画数据检索及重用具有重要研究价值和应用意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 计算机动画

1．1．1 计算机动画的发展

1．1．2 计算机动画的分类

1．1．3 计算机动画的应用领域

1．2 研究动机

1．3 研究内容

1．4 研究目标

1．5 本文贡献

1．6 论文的组织结构

第二章 动画角色的形状特征描述

2．1 研究现状

2．1．1 基于轮廓的形状特征描述

2．1．2 基于区域的形状特征描述

2．2 问题描述及解决方案

2．2．1 问题描述

2．2．2 解决方案

2．3 动画角色中样本点的提取

2．3．1 曲线曲率的计算

2．3．2 样本点的提取算法

2．4 基于空间相互关系的特征描述算法

2．4．1 算法基本思想

2．4．2 算法实现

2．5 实验结果及分析

2．5．1 样本点提取算法

2．5．2 形状特征描述算法

2．6 本章小结

第三章 动画角色的自动匹配方法

3．1 研究现状

3．1．1 匹配关系研究现状

3．1．2 基于匹配关系的计算机二维动画研究

3．2 问题描述及解决方案

3．2．1 问题描述

3．2．2 解决方案

3．3 基于MAP-ML的动画角色自动匹配算法

3．3．1 算法基本思想

3．3．2 最大后验(MAP)估计标签配置参数

3．3．3 最大似然(ML)估计最优标签

3．3．4 算法实现

3．4 动画角色曲线段匹配关系的麓立

3．5 实验结果及分析

3．5．1 实验配置

3．5．2 实验结果

3．4．3 算法分析

3．6 本章小结

第四章 基于匹配关系的动画角色自动着色

4．1 研究现状

4．2 问题描述及解决方案

4．2．1 问题描述

4．2．2 解决方案

4．3 动画角色的自动着色

4．3．1 算法基本思想

4．3．2 算法实现

4．4 实验结果及分析

4．5 本章小结

第五章 基于匹配关系的中间帧自动生成

5．1 研究现状

5．2 问题描述及解决方案

5．2．1 问题描述

5．2．2 解决方案

5．3 中间帧自动生成

5．4 实验结果厦分析

5．5 本章小结

第六章 基于匹配关系的动画角色动作重用

6．1 研究现状

6．2 问题描述及解决方案

6．2．1 问题描述

6．2．2 解决方案

6．3 动画角色动作重用技术

6．3．1 动画角色的骨架提取

6．3．2 骨架的自动匹配关系

6．3．3 骨架运动数据生成

6．3．4 基于骨架驱动的实时变形

6．4 实验结果及分析

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录 攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢