一种动漫三维角色动作轨迹融合系统

摘要

本发明公开一种动漫三维角色动作轨迹融合系统，包括：初始状态模型、目标状态模型以及设置在所述初始状态模型与所述目标状态模型之间的中间状态模型；所述中间状态模型至少为两个；所述中间状态模型包括至少一个形变模型和至少一个位移模型，所述形变模型和位移模型的位置为预先设置的；所述形变模型以角色的形变为主要特征，动作位移为次要特征设置，所述位移模型以角色的动作位移为主要特征，形变为次要特征设置；动漫三维角色动作轨迹的各个模型之间采用设置关键帧的方式保证动作轨迹融合。采用本发明的技术方案可以使三维动漫的展示效果较好，画面及动作过度较为平滑。

说明书

技术领域

本发明涉及三维动漫的技术领域，具体涉及一种动漫三维角色动作轨迹融合系统。

背景技术

三维动漫又称3D动漫或3D动画，是随着计算机软硬件技术的发展而产生的一种新兴技术。现有的3D动画的制作方法如下：利用3D动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面。3D动画技术可以通过模拟真实物体的方式使其成为一个有用的工具。由于其精确性、真实性和无限的可操作性等特点，被广泛应用于医学、教育、军事、娱乐等诸多领域。

但是现有3D动画技术在对角色动作轨迹进行融合的过程中，通过插入关键帧的方式依然会存在动画效果不佳，画面跳动，过度不平滑的问题。

发明内容

本发明提供一种动漫三维角色动作轨迹融合系统，用以解决现有存在的动画效果不佳，画面跳动，过度不平滑的问题。

本发明提供一种动漫三维角色动作轨迹融合系统，其特征在于，包括：初始状态模型、目标状态模型以及设置在所述初始状态模型与所述目标状态模型之间的中间状态模型；所述中间状态模型至少为两个；

所述中间状态模型包括至少一个形变模型和至少一个位移模型，所述形变模型和位移模型的位置为预先设置的；

所述形变模型以角色的形变为主要特征，动作位移为次要特征设置，所述位移模型以角色的动作位移为主要特征，形变为次要特征设置；

动漫三维角色动作轨迹的各个模型之间采用设置关键帧的方式保证动作轨迹融合。

可选的，所述形变模型和所述位移模型的数量的设置参考所述角色的形变和运动轨迹的变化。

可选的，所述形变模型和位移模型的位置为预先设置的，包括：

所述形变模型和位移模型为依次交替设置。

可选的，所述形变模型和位移模型的位置为预先设置的，包括：

所述形变模型和位移模型为成对设置，每设置一个形变模型，相应的设置一个位移模型。

可选的，所述位移模型的位移参数包括以下数据：

角色的顶点坐标的位移；

角色做圆弧运动时，以其圆心作为控制点的圆心的位移；

角色的角度的位移。

可选的，所述角色的任一属性的参数变化为曲线时，则根据曲线的复杂程度设置若干个关键帧；

所述参数变化包括以下数据中的一种或者多种情况：直线位移、角度位移、位移速度、角度变化速度、形变速度。

可选的，所述关键帧中包括动作轨迹融合的插值的计算；

所述插值采用线性插值方法计算，计算公式如下：

其中，x

可选的，所述插值计算包括：

确定插值函数保证所述插值函数的高阶导数的连续性。

可选的，所述角色动作轨迹包括若干个角色的若干个动作轨迹；该系统还包括：分类装置；

所述分类装置将按照不同角色的相同动作轨迹，或相同角色的不同动作轨迹进行分类，将分为同一类的设置相应的初始状态模型、中间状态模型和目标状态模型；

所述分类装置根据形变或位移特征对角色的动作轨迹，将相同形变或位移的属性划分为同一类，同一类中可以是不同角色的相同动作轨迹，或相同角色的不同动作轨迹；

将同一类的初始状态模型、中间状态模型和目标状态模型之间采用设置关键帧的方式保证动作轨迹融合；

将上述设置好的具有关键帧的所有模型打包设置为具有相同特性的模块；

为所述模块设定调用接口；

根据所述调用接口，可调用所述模块所设置的所有数据及设置方式。

可选的，预先建立分类模型，所述分类装置是将动作轨迹数据输入至所述分类模型，所述分类模型将输入的动作轨迹的数据划分为不同的类；

所述分类模型建立方式如下：

采集角色动作轨迹数据形成轨迹集合；

对所述轨迹集合中的数据进行聚类计算，计算公式如下：

其中，q∈[1,∞]；D

根据x

预设归类值的阈值为A

所述轨迹集合中的数据中y轴，z轴以及θ角度的计算方式采用上述x轴计算方法；

依次对各个测量数据按上述方式进行分类，建立分类模型。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中一种动漫三维角色动作轨迹融合系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本发明实施例提供了一种动漫三维角色动作轨迹融合系统，包括：初始状态模型、目标状态模型以及设置在所述初始状态模型与所述目标状态模型之间的中间状态模型；所述中间状态模型至少为两个；

所述中间状态模型包括至少一个形变模型和至少一个位移模型，所述形变模型和位移模型的位置为预先设置的；

所述形变模型以角色的形变为主要特征，动作位移为次要特征设置，所述位移模型以角色的动作位移为主要特征，形变为次要特征设置；

动漫三维角色动作轨迹的各个模型之间采用设置关键帧的方式保证动作轨迹融合。

上述技术方案的工作原理为：通过在初始状态模型和目标状态模型之间设置中间状态模型，且所述中间状态模型包括至少一个形变模型和至少一个位移模型。所述形变模型以角色的形变为主要特征，动作位移为次要特征设置，所述位移模型以角色的动作位移为主要特征，形变为次要特征设置。

也就是将角色的随时间的变化解析为形变和位移两类，按照这两个分类可以分别设置多个形变模型和多个位移模型，所述形变模型的侧重点在形变上，相应的，所述位移模型的侧重点在位移上，通过形变和位移的变化，展示角色的整体的变化。

通过设置形变模型和位移模型，这两种模型的侧重分别为形变和位移，相应的设置关键帧时的计算方法也可以根据这两个类型进行区分，设置重点计算方法，计算起来也更精确，因此，不但实现角色的动作变化，在形变和位移上均可实现精确的变化，相应的，动作过度时会更平滑一些，则展示的效果会更好一些。

以下再对各个具体的概念进行介绍和说明。

动作轨迹是动作构成要素之一，指动作时身体或身体一部分移动的路线。它具有形式、方向、幅度三方面特征。轨迹形式有直线和曲线两种。直线运动的方向恒定，身体或身体某部分沿最短距离移动，如100米跑，击剑的直刺等。曲线运动的路线曲折，方向有变化，如弯道跑，两臂经前方侧平举等。

另外，转动(如单杠的大回环、体操的空翻、臂绕环等)和抛物线运动(如跳高、跳远)是曲线运动的两种具体表现形式。动作的轨迹有六个基本方向：前后、左右、上下，是根据人体的额状面、矢状面、水平面确定的。在基本方向基础上，还可分出前上方、后下方、左前上方等斜方向。此外，还可以外部标志物为方向或以身体为标志确定内外方向。轨迹的幅度指活动范围的大小，一般用角度和长度(弦)衡量。如步幅的大小。动作轨迹的幅度取决于人体关节的灵活性和韧带、肌肉的弹性。不同性质的动作有不同的幅度要求，并非愈大愈好。如掷铁饼的挥摆动作幅度要大，乒乓球的快速推挡动作幅度要小而快，跑的步幅要适当，过大影响步频，过小则影响速度。

在动作的过程中，由于存在内力和外力的作用，角色相应部位的形状也会发生变化，因此，也需要对相应位置的形变进行考虑和设定。

此外，动漫三维角色动作轨迹的各个模型之间采用设置关键帧的方式保证动作轨迹融合。

关键帧是类似于在做曲线拟合时的节点，就是在设置动画的时候，不必制作出每一帧的场景，只需要制作出一些关键位置或有特殊要求位置的场景，把这些特别制作的帧叫关键帧(也可称为关键点)，而每两个关键帧之间的非关键帧则由计算机像作曲线拟合一样，根据前后关系计算出来。就像只要确定两点就可以连出一条线一样，只要有两个关键帧，一般情况下计算机就可以自动完成动画的过程了，当然，像这样的动画设置、物体或场景的变化等都是比较简单的，像本发明所涉及的较为复杂的运动状态，则需要设置多个关键帧，且需要通过插值计算方法对关键帧进行设置。

需要说明的是，动画是一个过程，是创建和编辑对象的属性随时间推移而发生的变化，关键帧是一个任意的标记，它表明对象属性在某个特定时间上的值。一旦创建了要产生动画的对象，可以设置关键帧来描述对象的属性在动画过程中何时变化，总之，动画就是在关键帧与关键帧之间生成的有顺序的动作。

上述技术方案的有益效果为：通过设置形变模型和位移模型，这两种模型的侧重分别为形变和位移，相应的设置关键帧时的计算方法也可以根据这两个类型进行区分，设置重点计算方法，计算起来也更精确，因此，不但实现角色的动作变化，在形变和位移上均可实现精确的变化，相应的，动作过度时会更平滑一些，则展示的效果会更好一些。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述形变模型和所述位移模型的数量的设置参考所述角色的形变和运动轨迹的变化。

上述技术方案的工作原理为：三维角色动作发生移动时，一般情况下，会伴随动作变形，也就是形变，因此，根据每个动作变化时，需要考虑形变和位移两种情况。

具体的，动作发生变化时，可根据动作发生变化的特征判断是位移变化多一些还是形变多一些。若是位移变化多，则可相应的多设置位移模型，而形变多时，则相应的多设置形变模型。

所述形变模型不是仅涉及形变情况，而是以形变为主要参数进行关键帧设置，其位移作为次要参数，其位移计算出现误差也是被允许的，但是在形变模型中，其涉及形变的关键帧设置时需要精准。

上述技术方案的有益效果为：根据动作的特征可对形变模型和位移模型的数量进行设置，而形变模型和位移模型分别是针对形变和位移的，可以做到对形变和位移均在设置关键帧参数时其数据是准确的，从而保证不管是形变还是位移，均可保证通过插入关键帧使动作过度更加平滑。

实施例3：

在实施例1的基础上，所述形变模型和位移模型的位置为预先设置的，包括：

所述形变模型和位移模型为依次交替设置。

上述技术方案的工作原理为：所述形变模型和位移模型为依次交替的方式设置可以保证形变或位移的连续性，形变和位移按照交替的方式依次作为主要参数设置相应的关键帧，使得设置关键帧之后，不管在形变还是在位移上，都可以保证画面不会发生跳动的情况，过度状态较为平滑。

上述技术方案的有益效果为：所述形变模型和位移模型为依次交替的方式设置可以保证画面不会发生跳动的情况，过度状态较为平滑。

实施例4：

在实施例3的基础上，所述形变模型和位移模型的位置为预先设置的，包括：

所述形变模型和位移模型为成对设置，每设置一个形变模型，相应的设置一个位移模型。

上述技术方案的工作原理为：虽然也可以设置形变模型和位移模型的数量不相同，但是，将所述形变模型和位移模型为成对设置，可以确保形变和位移的变化的连续性。

上述技术方案的有益效果为：所述形变模型和位移模型为成对设置，可以确保形变和位移的变化的连续性。

实施例5：

在实施例1的基础上，所述位移模型的位移参数包括以下数据：

角色的顶点坐标的位移；

角色做圆弧运动时，以其圆心作为控制点的圆心的位移；

角色的角度的位移。

上述技术方案的有益效果为：所述位移模型涉及的参数均是三维角度的，可以是简单的直线的运动，即顶点坐标的位移，所述顶点是多个，角色每个面上包含的顶点，以及多个面组成的体的顶点等，均属于顶点坐标的位移。

另外，若是做圆弧运动时，则需要考虑的转动的角度以及角速度等涉及到以圆弧运动的圆心为控制点的圆心的移动参数，该参数变化也是在三维角度的变化。

通过对位移参数进行划分，可以根据不同运动规律快速的计算相应的参数变量。

实施例6：

在实施例1的基础上，所述角色的任一属性的参数变化为曲线时，则根据曲线的复杂程度设置若干个关键帧；

所述参数变化包括以下数据中的一种或者多种情况：直线位移、角度位移、位移速度、角度变化速度、形变速度。

上述技术方案的有益效果为：当角色的属性的参数变化不是线性时，而是非线性的情况时，这种情况在三维动漫技术中经常应用，因为按照人的运动规律，一般具有不同加速度或速度随意变化时，其展示的动态效果更好，因此，根据上述情况，所述参数变化可以是直线位移、角度位移、位移速度、角度变化速度、形变速度中的一种或者多种组合的情况，其具体的计算方式按照相应的规律进行计算即可。

实施例7：

在实施例6的基础上，所述关键帧中包括动作轨迹融合的插值的计算；

所述插值采用线性插值方法计算，计算公式如下：

其中，x

上述技术方案的工作原理为：

所述关键帧中包括用于动作轨迹融合的插值；所述插值是根据相邻两个模型确定权重，根据权重进行插值计算确定的；

所述插值计算是采用线性插值的方法进行的计算，计算公式如下：

设定相邻两个模型分别在x

设插值函数ρ

可得：

因此整理变形上式，得：

其中：

所述插值是在离散数据的基础上补插连续函数，使得这条连续曲线通过全部给定的离散数据点。

插值是离散函数逼近的重要方法，利用它可通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值。

利用插值计算可以用来填充图像变换时像素之间的空隙，也可以用来填补两个运动状态之间的中间状态。

所述插值可以是形变插值、参数插值和样条插值。针对运动为圆弧曲线的情况，为保证过度状态的平滑性，可以通过三次样条插值算法的方式设置关键帧。

在插值问题中，样条插值通常比多项式插值好用。用低阶的样条插值能产生和高阶的多项式插值类似的效果，并且可以避免被称为龙格现象的数值不稳定的出现。并且低阶的样条插值还具有“保凸”的重要性质。

在计算机科学的计算机辅助设计和计算机图形学中，样条通常是指分段定义的多项式参数曲线。由于样条构造简单，使用方便，拟合准确，并能近似曲线拟合和交互式曲线设计中复杂的形状，样条是这些领域中曲线的常用表示方法。

在使用关键帧插值的三维动漫技术中，究竟使用哪种插值算法比较合适，这要根据运动的具体描述来确定，若对于弹性较差的运动，利用参数关键帧插值比较合适，若对于弹性运动，不仅要涉及角色位置的改变，还涉及角色的形状改变，因此采用形状关键帧插值要更准确。

上述技术方案的有益效果为：通过使用更为符合运动规律的插值计算方法，可以保证设置的关键帧之后，画面的平滑过度。

实施例8：

在实施例7的基础上，所述插值计算包括：

确定插值函数保证所述插值函数的高阶导数的连续性。

上述技术方案的有益效果为：插值函数及函数一阶导数连续时，并不能保证画面不发生跳动的情况，一般情况下，若一阶导数连续时，依然会出现画面跳动不连贯的情况，所以，在设定插值函数时，需要保证插值函数的高阶导数的连续性。

实施例9：

在实施例1的基础上，所述角色动作轨迹包括若干个角色的若干个动作轨迹；该系统还包括：分类装置；

所述分类装置将按照不同角色的相同动作轨迹，或相同角色的不同动作轨迹进行分类，将分为同一类的设置相应的初始状态模型、中间状态模型和目标状态模型；

所述分类装置根据形变或位移特征对角色的动作轨迹，将相同形变或位移的属性划分为同一类，同一类中可以是不同角色的相同动作轨迹，或相同角色的不同动作轨迹；

将同一类的初始状态模型、中间状态模型和目标状态模型之间采用设置关键帧的方式保证动作轨迹融合；

将上述设置好的具有关键帧的所有模型打包设置为具有相同特性的模块；

为所述模块设定调用接口；

根据所述调用接口，可调用所述模块所设置的所有数据及设置方式。

上述技术方案的有益效果为：通过对按照不同角色的相同动作轨迹，或相同角色的不同动作轨迹进行分类，可按照分类结果对每个类设置相应的关键帧，并且可以将上述设置之后打包形成模块，在后续过程中可以直接调用。也就是，当后续出现相同运动轨迹时，可以直接调用已经设置好的模块，直接应用该模块中设置的参数等，节省计算时间，通过调用方式还不会因为认为误操作造成失误的情况。结合本实施例，也可以预先设置几个常用模块，后续操作过程中，若遇到相同或相似的情况，可以直接调用预设的模块，或者调用之后经过简单的修改适用当下的情况，通过这种方式可以节省人工时间，提高操作效率。

实施例10：

在实施例9的基础上，预先建立分类模型，所述分类装置是将动作轨迹数据输入至所述分类模型，所述分类模型将输入的动作轨迹的数据划分为不同的类；

所述分类模型建立方式如下：

采集角色动作轨迹数据形成轨迹集合；

对所述轨迹集合中的数据进行聚类计算，计算公式如下：

其中，q∈[1,∞]；D

根据x

预设归类值的阈值为A

所述轨迹集合中的数据中y轴，z轴以及θ角度的计算方式采用上述x轴计算方法；

依次对各个测量数据按上述方式进行分类，建立分类模型。

上述技术方案的工作原理为：预先建立分类模型，所述分类装置是将动作轨迹数据输入至所述分类模型，根据所述分类模型将输入的动作轨迹划分为某一类中。

所述分类模型建立方式如下：

采集角色动作轨迹数据形成轨迹集合；所述轨迹集合中数据采用矩阵方式设置；

对所述轨迹集合中的数据进行聚类计算，计算方法如下：

设定所述轨迹集合的中心点为P

x

y

z

θ

设定待测量向量为T

x

y

z

θ

采用闵可夫斯基距离计算x

其中，q∈[1,∞]；y轴，z轴以及θ角度上的位移与x轴计算方式相同；

根据x

预设归类值的阈值为A

依次对各个测量数据按上述方式进行分类，建立分类模型。

需要说明的是，y轴，z轴以及θ角度上的位移与x轴计算方式相同，均可通过上述计算方法依次获得y轴，z轴以及θ角度上两者的距离，并根据计算获得的距离采用A

上述技术方案的有益效果为：通过设置分类模型的方式，可以通过运动轨迹的具体情况进行多种方式的设置，同一类的情况中，在设置关键帧中插值计算以及其他数据处理时，由于按照数据相似情况已经划分为相应的类，其在数据处理上更节省时间和步骤。

此外，通过采用k聚类的方式确定两个状态的距离，并根据该距离可以计算获得归类值，归类值代表的是待测量数据与中心点的相似程度，当归类值越小，说明两者越相似，相反的归类值越大，两者差距越大。因此，根据获得的归类值可以对分类的情况进行更为精确的控制，控制方式是通过预设归类值的阈值的方式，当设定阈值时，若要求同一类中的运动轨迹越相似才可以归为一类，则控制阈值为较小值，相反的，若对同一类的运动轨迹的相似程度不是太严苛时，则可控制阈值相对大一些。因此，通过上述方式，可以对分类模型的分类情况进行精确的控制。

3D动漫行业的前景：从2000年到2012年，十多年的三维动画发展，使得中国的计算机三维动画方面迅猛发展，已经可以在三维动画的基础之上，制作出类似增强现实，虚拟现实，全息投影，3D动画，裸眼3D等等相关产业形势。再之后的几年里，中国将与世界接轨，达到世界顶尖技术，并且更大规模的应用到各个领域，让中国作为强国中的强国。作为国内动漫行业具有重要风向标意义的CCG展会。我们认为中国动漫行业尚处于起步阶段,与市场成熟的欧美、日本比起来,尚有较大的进步空间,通过借鉴世界各国动漫产业及国内优秀企业的发展经验，促进动漫产业结构调整和优化升级，动漫行业即将迎来发展的黄金期。我们看好具有原创品牌的动漫企业，通过不断的创新产业模式，未来企业有望实现动漫、游戏、影视、衍生品等多平台联动发展的新模式。因此，本发明对3D动漫的技术改进具有深远的影响和重大意义。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。