基于语义树的三维角色模型创作方法研究

摘要

作为构建虚拟世界的基石，三维模型是VR时代下数字化设计的重要对象。计算机辅助建模研究的核心任务就是让设计师的工作更加高效，设计结果更加出色。为了追逐这个目标，三维建模研究依次经过了参数化、特征化和结构化等阶段，从具体到抽象、从局部到全局、从几何到语义，逐渐形成了比较完整的模型创建和编辑方法。但是，对于模型设计创意上的辅助和引导，是近几年才受到关注的一个新问题，基于样例的学习方法是这类问题的主要求解方法;其中包含了一些基于三维模型部件组合的设计创新工作，其核心的批量学习和等位置换思想适合于结构类似且部件功能固定的人造物品，而对于游戏影视中的细节多变且创意无限的三维动画角色，仍然存在数据收集困难和缺乏结构创新等问题。在设计理念越来越个性化的发展趋势下，类似于三维角色这种结构多样的特性在人造物品设计中也会日益明显，因此需要探索一种针对结构多变且允许结构创新的三维模型表达以及相应的组合设计求解方法。
　　本文以影视游戏中的三维角色为设计对象，研究其在模型创新设计中批量分割标记与组合建模的指导规则与有效方法，提出了一套基于语义树进行模型结构表达的方法并建立了角色组合创新的示范流程。具体包含了以下四个方面的工作:
　　(1)提出了一种可以有效表达三维角色模型结构的语义树描述
　　在对游戏怪物角色与自然界脊椎类生物进行类比分析后，设计了角色语义树的符号描述和基本视图表达，并赋予分支、骨骼和设计三种观察视图，用以支持不同策略的分割操作以及设计组合思路。针对公开数据库中三维角色数据较少且单调的问题，建立了一个多来源的小型角色数据库，进行了这些角色视图建立的实验与分析工作。
　　(2)提出了一种同构三维角色模型批量分割与标记方法
　　在分支视图指导下，利用角色模型的管状分支特性，构建不同分支分割顺序以及分割特征的约束规则。首先通过测地距离依次确定分支终点，然后对显著曲率变化区域搜索找到分支分割点，最后将过分割点的最短封闭环作为分割切口以满足部件连接的需要。该方法可通过修改约束快速适应不同结构角色的分割任务，从而解决三维角色分支结构多变且难以收集训练数据的问题。
　　(3)提出一种基于蒙皮的复杂角色模型分割与标记方法
　　蒙皮是动画角色特有的描述顶点与骨骼相关性的信息，反映了同一部件中的顶点类似的运动趋向。因此在已有骨骼视图的语义标注下，可利用蒙皮进行初始分割，再对切口进行拓扑修正和优化。可对结构复杂、视觉干扰大、非完整水密模型等无法使用现有分割方法的动画角色进行有意义的分割。
　　(4)提出一种基于非等位置换的角色协同进化方法
　　在设计视图支持下，将进化设置为对一组角色子树基因组的置换，通过概率图进行结构学习快速筛选不合理解，并使用保持初代、多源角色优先、多部件优先等协同策略保证对解空间的稳态搜索。可以得到等位置换方法无法产生的新角色，并在可视化、创造性和启发性方面得到了用户的肯定。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 问题的提出

1．3 国内外研究现状

1．3．1 三维模型辅助设计

1．3．2 模型分割

1．3．3 模型组合

1．3．4 模型语义和三维角色

1．4 研究目的与主要贡献

1．4．1 研究目的

1．4．2 主要贡献

1．5 本文的组织结构

第二章 三维角色的多视图语义树模型

2．1 三维角色的分类与定义

2．1．1 动物分类及其特征

2．1．2 基于形态的角色分类

2．1．3 部件分类与符号描述

2．2 三维角色的多视图语义树

2．2．1 基础视图(用于描述)

2．2．2 骨骼视图(用于分割)

2．2．3 分支视图(用于分割)

2．2．4 设计视图(用于组合)

2．3 多视图语义树的获取与表示

2．3．1 基础视图的获取

2．3．2 从基础视图到分支视图

2．3．3 从基础视图到设计视图

2．3．4 语义树的表示

2．4 三维角色数据准备与实验

2．4．1 多源三维模型数据库

2．4．2 基础视图的获取

2．4．3 分岐视图的获取

2．4．4 设计视图的获取

2．5 本章小结

第三章 语义树指导下的三维角色模型分割与标记

3．1 基于分支视图的三维角色模型分割与标记

3．1．1 分支视图的约束描述

3．1．2 几何计算与判断

3．1．3 分支约束指导下的分割方法

3．1．4 实验结果与分析

3．2 基于骨骼视图的三维角色模型分割与标记

3．2．1 动画角色的骨骼和蒙皮

3．2．2 骨骼视图下的蒙皮预分割

3．2．3 去噪与修复

3．2．4 边界优化

3．2．5 实验结果与分析

3．3 本章小结

第四章 基于子树基因组的三维角色模型进化方法

4．1 总体思路

4．1．1 基本概念

4．1．2 进化算法描述

4．2 角色语义结构的概率图模型

4．2．1 模型设计

4．2．2 模型表达与训练

4．2．3 概率表更新

4．3 角色进化过程

4．3．1 选择方法

4．3．2 进化算子

4．4 几何处理过程

4．4．1 归一化操作

4．4．2 组合操作

4．4．3 变异操作

4．5 实验结果与分析

4．5．1 自动进化实验

4．5．2 用户参与实验

4．6 本章小结

第五章 三维角色模型上的设计应用

5．1 3DSMAX的动画角色融合系列插件

5．1．1 系统流程

5．1．2 结果展示

5．2 面向三维角色模型创作的进化演算系统

5．2．1 系统设计

5．2．2 结果展示

5．3 角色玩具的可活动关节设计辅助工具

5．3．1 关键技术介绍

5．3．2 结果展示

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况