一種考慮形狀的二維數字角色骨架操作方法技術

本發明專利技術公開了一種考慮形狀的二維數字角色骨架操作方法，包括以下步驟：步驟一、建立二維數字角色；步驟二、繪制二維數字角色的輪廓邊界；步驟三、在輪廓邊界內部生成三角形網格；步驟四、用戶在二維數字角色上指定關節節點，根據關節節點創建控制骨架；步驟五、用戶通過移動關節節點的位置使骨架位置發生改變，通過最小化幾何變形能量函數使三角形網格隨骨架發生形變；步驟六、三角形網格將變形映射到二維數字角色上，得到二維數字角色的新姿態。本發明專利技術直觀、簡單,且能夠生成更加自然和富有視覺真實感的變形效果，適用于普通用戶進行動畫設計。

【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及二維角色動畫
，尤其是涉及一種考慮形狀的二維數字角色骨架操作方法。
技術介紹
隨著數字媒體技術的發展，產生了諸多的數字娛樂應用，如電影、網絡、游戲等。角色動畫是這些應用中的一個重要內容。因此，為了進一步推動并普及這些應用，需要設計并提供相應的工具，以讓一般普通用戶能夠直觀容易地制作角色動畫。二維形狀變形是計算機動畫領域中的一項重要技術。給定一個二維角色，該技術通過改變角色形狀可以為角色創造出豐富的姿勢效果，進而制作出相應的角色動畫序 列。在計算機二維商業動畫軟件中，常見的形狀變形工具有自由變形方法(Free formdeformation)、基于骨架的變形方法、基于幾何能量優化的直接操作方法。其中，自由變形方法需要為角色對象配置包圍控制網格，然后通過編輯控制網格的頂點來實現角色的變形，這需要用戶具備一定的專業動畫技術知識，并且需要投入較多的時間和精力，因而不適合普通用戶。基于幾何能量優化的直接操作方法僅需用戶在對象形狀上指定并移動若干個約束點，即可為對象實施相應的形狀變形。但是，該方法沒有考慮角色的自然運動方式，可能產生不符合角色運動規律的變形姿勢結果，最后得到的角色身體骨架彎曲。在實際應用中，例如卡通動畫制作，動畫師常常通過繪制骨架圖來描述角色的運動。因此，骨架為角色變形提供了一種自然的控制方式用戶首先為角色配置骨架，然后通過操作骨架使角色發生變形而產生相應的姿勢效果。但是，在傳統的骨架變形方法中，為了通過骨架帶動角色發生變形，需要把角色幾何形狀上的頂點綁定到對應的骨架段上；在變形過程中，需要調節每條骨架段相對于所綁定的各個形狀頂點的影響權值，以產生自然光滑的變形效果。對于用戶而言，上述兩個過程均非常復雜且繁瑣。此外，傳統骨架變形方法完全通過骨架子空間來確定角色的變形位置，而沒有考慮角色自身的幾何或結構特性，因而無法避免角色變形結果中的局部扭曲。因此，為了使基于骨架的變形方法更加簡單、直觀、適用，需要為傳統骨架變形方法中的上述缺點提供一個完善的解決方案。中華人民共和國國家知識產權局于2010年09月22日公開了公布號為CN101840584A的專利文獻，名稱是基于交互顯示屏的二維數字角色操作方法，具體為首先建立二維角色框架骨架，包括計算各條曲線上特征點，將每條曲線上的特征點連接，連接分離曲線間距離最短的特征點；然后通過交互顯示屏，用戶使用手指或者觸控筆在角色形狀上指定并移動若干個約束點，以操作角色并使之發生相應變形。此方法過程較為復雜，并且完全通過骨架子空間來確定角色的變形位置，不夠簡單直觀。
技術實現思路
本專利技術主要是解決現有技術所存在的變形處理過程復雜、不能考慮角色自身的幾何或結構特性等的技術問題，提供一種簡單、直觀、考慮角色幾何形狀特征的二維數字角色骨架操作方法。本專利技術針對上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的一種考慮形狀的二維數字角色骨架操作方法，包括以下步驟步驟一、建立二維數字角色；步驟二、繪制二維數字角色的輪廓邊界；步驟三、在輪廓邊界內部生成三角形網格；步驟四、用戶在二維數字角色上指定關節節點，根據關節節點創建控制骨架；步驟五、用戶通過移動關節節點的位置使骨架位置發生改變，并使三角形網格隨骨架發生形變； 步驟六、三角形網格將變形映射到二維數字角色上，得到二維數字角色的新姿態。本方法操作的對象為一個二維數字角色，可以來自于位片或者二維矢量圖。首先，用戶輸入一個簡單多邊形來表示該角色的輪廓邊界。然后，通過標準的Delaunay三角化(三角剖分)方法，在角色輪廓的內部生成一個三角形網格，該三角形網格即為二維數字角色的幾何表示。在操作過程中，可以通過該三角形網格考慮角色的幾何形狀特性，從而避免角色變形時發生局部扭曲。與傳統的骨架變形方法不同，本方法只需用戶為角色創建一個控制骨架，而無需綁定骨架和角色并為之配置相應的綁定權值。作為優選，步驟五中，使三角形網格隨骨架發生改變具體為通過最小化幾何變形能量函數之和完成，所述幾何變形能量函數包括剛性能量項和姿勢約束能量項，剛性能量項為 : Ulw巧DrI其中，η為三角形網格中的頂點個數…⑴為三角形網格中與第i個頂點相連的頂點集合和Vj分別為集合N(i)中的第j個頂點在初始和變形時的位置況為頂點集合在變形時進行剛體運動的旋轉變換矩陣$和Vi分別為三角形網格中第i個頂點在初始和變形時的位置，它們對應著進行剛體運動時旋轉中心的初始和變形位置；姿勢約束能量項為C-AlI2其中，Pk為上述交點與關節節點在骨架上的當前位置；氕為上述交點和關節節點待求的變形位置，它們對應著三角形網格中相應頂點變形位置的線性組合；首先，在初始狀態下，把骨架嵌入到三角形網格中，得到骨架與三角形網格的交點，并找到骨架中各個關節節點所落在的三角形。然后，對于每個交點，其位置可以表示為其所在三角形網格邊的兩個頂點位置的線性組合；而對于每個骨架關節節點，其位置可以表示為其所落在三角形的三個頂點位置的線性組合。通過最小化相應的幾何變形能量函數，得到角色內部三角形網格的變形位置，進而產生滿足骨架約束、自然且具有視覺真實感的角色姿勢。作為優選，步驟二中，所述輪廓邊界可以是由用戶沿角色輪廓繪制而成的封閉多邊形或者是計算機自動采集角色輪廓得到的封閉多邊形。作為優選，所述步驟三中，生成三角形網絡具體為以封閉多邊形為邊界約束，通過標準的Delaunay三角化(三角剖分)算法，在二維數字角色內部生成三角形網格。假設V是二維實數域上的有限點集，邊e是由點集中的點作為端點構成的封閉線段，E為e的集合。那么該點集V的一個三角剖分T=(V，E)是一個平面圖G，該平面圖滿足條件I.除了端點，平面圖中的邊不包含點集中的任何點。2.沒有相交邊。3.平面圖中所有的面都是三角面，且所有三角面的合集是散點集V的凸包。假設E中的一條邊e (兩個端點為a，b), e若滿足下列條件,則稱之為Delaunay邊存在一個圓經過a，b兩點，圓內(注意是圓內，圓上最多三點共圓)不含點集V中任何其他的點，這一特性又稱空圓特性。如果點集V的一個三角剖分T只包含Delaunay邊，那么該三角剖分稱為Delaunay三角剖分。作為優選，所述最小化幾何變形能量函數之和由以下步驟完成 (I)把三角形網格頂點的當前位置作為其變形位置，按照線性最小二乘方法最小化剛性能量項，計算當前迭代步的Ri,根據簡單的微積分知識以及相應的線性最小二乘理論，可以得到Ri的解析解；(2)根據當前迭代步的Ri,通過線性最小二乘方式最小化剛性能量項和姿勢約束能量項總和，計算得到三角形網格頂點的變形位置，此時，由于Ri已知，非線性優化問題變成了一個求解線性方程組的線性問題，可直接對其進行求解。本專利技術是一種考慮形狀的二維數字角色骨架操作方法。在該方法中，用戶僅需為角色構建一條骨架并通過移動骨架的關節節點，即可為角色創建出豐富自然的變形姿勢效果。相比于傳統的骨架變形方法，它無需綁定角色的幾何形狀到骨架，也無需調節“欠直觀”的骨架相對幾何形狀的影響權值。此外，該方法考慮了角色的幾何形狀特性，從而能夠有效避免角色變形時發生局部扭曲。最后，相比于與傳統的骨架變形方法，該方法更簡單，且能夠生成更加自然和富有視覺真實感的變形效果，因而進一步增強了骨架變形技術的實用性。附圖說本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種考慮形狀的二維數字角色骨架操作方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、建立二維數字角色；步驟二、繪制二維數字角色的輪廓邊界；步驟三、在輪廓邊界內部生成三角形網格；步驟四、用戶在二維數字角色上指定關節節點，根據關節節點創建控制骨架；步驟五、用戶通過移動關節節點的位置使骨架位置發生改變，并使三角形網格隨骨架發生形變；步驟六、三角形網格將變形映射到二維數字角色上，得到二維數字角色的新姿態。

【技術特征摘要】
1.一種考慮形狀的二維數字角色骨架操作方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、建立二維數字角色； 步驟二、繪制二維數字角色的輪廓邊界； 步驟三、在輪廓邊界內部生成三角形網格； 步驟四、用戶在二維數字角色上指定關節節點，根據關節節點創建控制骨架； 步驟五、用戶通過移動關節節點的位置使骨架位置發生改變，并使三角形網格隨骨架發生形變； 步驟六、三角形網格將變形映射到二維數字角色上，得到二維數字角色的新姿態。2.根據權利要求I所述的一種考慮形狀的二維數字角色骨架操作方法，其特征在于，步驟五中，使三角形網格隨骨架發生改變具體為通過最小化幾何變形能量函數之和完成，所述幾何變形能量函數包括剛性能量項和姿勢約束能量項，剛性能量項為3.根據權利要求2所述的一種考慮形狀的二維數字角色骨架操作方法，其特征在于，步驟二中，所述輪廓邊界可以是由用戶沿角色輪廓繪制而成的封閉多邊...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊文武，
申請(專利權)人：浙江工商大學，
類型：發明
國別省市：