古建动画自动生成系统中复杂动作的设计与实现

摘要

随着人工智能、计算机图形学和软硬件技术的高速发展，计算机动画已经广泛应用于工程、科研、文娱等众多领域。中科院陆汝钤院士于90年代提出的全过程计算机辅助自动生成动画技术将人工智能技术和基于知识的方法引入动画生成的全过程，其目标是有一个适当的故事，以受限自然语言的形式输入计算机，基于情节库、场景库、动作库等知识库，将动画制作的全过程依靠计算机自动完成，最终生成3D动画。2007年，项目组承担了国家科技支撑项目子课题--基于语义理解的古代建筑场景动画自动辅助生成技术研究，开始研制中国古代建筑搭建动画自动生成系统（简称古建动画自动生成系统）。该课题将动画自动生成技术应用于古建筑领域，通过计算机辅助自动生成古建筑搭建过程的三维动画演示。
　　 本文以古建动画自动生成系统为背景，着重介绍了古建动画自动生成系统当中，人物动画部分处于最为核心地位的运动规划、时间规划两个模块的设计思路以及实现方法；以及古建构件核算部分构件尺寸计算的方法。
　　 动作规划是古建动画自动生成系统当中人物动作部分的核心模块，它以人物角色的动作为核心，由定性层和定量层两部分组成。定性层的运动规划称为动作规划，它将场景中运动角色的动作进行组织，并以动作的定性描述语言ADL表达。定量层的运动规划称为动作计算，它以ADL中的定性动作描述作为输入，依据其进行定量计算，并以底层动画软件可以识别的方式输出，在这一过程中使用到动作库作为支持。本文介绍了动作计算模块的设计思路及实现方法，给出了动作计算的整体流程，中间用到的接口文件结构及数据结构，动作库组织结构及使用方法，并详细阐述了动作分类以及各类人物动作的运动信息的计算方法。
　　 时间规划模块是古建动画自动生成系统中对原有设计改动最大的模块，它用于处理动作的定性时间信息，结合定性的时间信息和定量的动作长度规划动作间的相互关系，最后定量的给出每个动作具体的发生时刻。该模块使用到了Allen的13种时间关系模型及其时间关系传递理论。时间规划模块也可以分为定性和定量两部分，定性层完成了三部分的内容，分别是：处理输入ADL文件中的时间信息，扩展ADL中的时间信息生成时间关系矩阵，逻辑检查并生成所有的动作关系组合序列；定量层也完成三部分内容，分别是：挑选最优动作关系组合序列，为每个角色建立时间轴、并确定轴上关键时间点间的关系，确定每个动作的开始时刻与结束时刻。由于时间规划模块的引入，使得动作间的交互程度得以提高和动作的连贯性得以增强。
　　 核算模块是古建系统当中的基础模块，它处理用户输入的描述建筑基本特征的类自然语言，精确计算出构件的尺寸、位置、方向以及搭建顺序，为后续的动画展示提供数据。尺寸计算模块是其中重要的组成部分，同时也是位置方向计算的基础。本文介绍了硬山、歇山、庑殿三种房屋形制中，20余类构件的尺寸计算方法。并给出了在Java面向对象编程环境以及Jess推理环境下的具体实现过程。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 研究现状

1.2.1 动画自动生成系统研究现状

1.2.2 人物动作规划研究现状

1.2.3 时间规划研究现状

1.3 本课题研究内容

1.4 本文结构

第2章 动作计算模块的设计与实现

2.1 古建动画自动生成系统概述

2.1.1 自定义语言概述

2.1.2 系统模块功能概述

2.2 动作计算模块概述

2.3 动作计算模块用到的中间语言设计

2.3.1 定性故事描述语言ADL设计

2.3.2 定量故事描述语言CAL设计

2.4 动作计算模块关键数据结构

2.4.1 动作类和动作列表

2.4.2 角色表

2.5 动作计算模块动作库

2.5.1 动作库数据的采集

2.5.2 动作库结构

2.5.3 动作库数据的使用

2.6 动作计算模块单个动作计算

2.6.1 计算流程概述

2.6.2 骨架关节信息计算

2.6.3 关节信息计算准备工作

2.6.4 动作数据的使用

2.6.5 位移类动作的计算方法

2.6.6 情节类动作的计算方法

2.6.7 新旧版本动作计算模块单个动作计算方法对比

2.7 本章小结

第3章 时间规划模块的设计与实现

3.1 引言

3.2 时间规划相关理论介绍

3.2.1 13种时间关系模型

3.2.2 时间关系传递推导方法

3.3 时间规划模块计算流程

3.3.1 定性时间规划部分

3.3.2 定量时间规划部分

3.4 时间信息输入处理

3.4.1 时间信息输入格式

3.4.2 ADL剧本说明

3.5 时间关系矩阵与时间信息固化

3.6 完整时间关系矩阵的推导方法

3.6.1 利用现有关系推导未知关系

3.6.2 完成时间关系矩阵的推导

3.6.3 时间关系矩阵的化简

3.7 动作关系组合序列的推导方法

3.7.1 建立以时间关系为结点的搜索树

3.7.2 动作关系组合序列正确性检查

3.7.3 搜索树剪枝策略

3.8 最优动作关系组合序列的挑选

3.9 角色表上动作的码放

3.10 时间轴上关键点间关系的确定

3.10.1 分析关键点间关系的原因

3.10.2关键点关系分析方法

3.11 具体动作时间计算

3.11.1 动作挑选

3.11.2 动作时间定量信息计算

3.11.3 矛盾处理

3.12 实验结果

3.13 本章小结

第4章 构件尺寸计算的设计与实现

4.1 古建动画自动生成系统中核算模块

4.1.1 模块输入

4.1.2 模块输出

4.1.3 模块计算顺序

4.2 核算模块中的构件尺寸计算

4.2.1 尺寸计算的准备工作

4.2.2 尺寸的计算顺序

4.2.3 尺寸计算主要方法

4.2.4 具体构件的尺寸计算方法

4.2.5 构件的出长处理

4.2.6 尺寸计算结果的使用

4.3 核算模块的具体实现方法

4.3.1 Java程序计算构件尺寸

4.3.2 Jess推理构件尺寸

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

附录

致谢