一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法及系統(tǒng)，該方法包括輸入具有相同網(wǎng)格拓?fù)涞哪Ｐ蛶?kù)，對(duì)所述模型庫(kù)中的模型進(jìn)行分塊簡(jiǎn)化，生成簡(jiǎn)化模型，并記錄所述模型的片面與原始模型的面片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述簡(jiǎn)化模型的特征向量，組成所述簡(jiǎn)化模型的特征向量空間；給定需要進(jìn)行合成的初始模型S與終點(diǎn)模型T，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取簡(jiǎn)化模型的初始模型S’與終點(diǎn)模型T’，通過(guò)計(jì)算所述初始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’所在流形上的測(cè)地線路徑，獲取從所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的模型序列M’，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，依次計(jì)算所述初始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的局部坐標(biāo)架與頂點(diǎn)坐標(biāo)，得到從原始初始模型S與終點(diǎn)模型T上的模型序列M。
【專利說(shuō)明】
一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字媒體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]模型漸變技術(shù)是指在給定的一對(duì)起始和終止模型作為輸入，來(lái)生成一組自然并符合客觀規(guī)律的模型漸變序列，這種技術(shù)是三維動(dòng)畫產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]現(xiàn)有的方法在生成模型漸變序列時(shí)均采用插值技術(shù)，其區(qū)別主要在于選取參數(shù)空間不同，這類方法可以處理輸入模型差距不大的情況，通過(guò)線性插值便得到較自然合理的模型漸變序列，但由于采用對(duì)坐標(biāo)直接線性插值的方法，當(dāng)輸入模型差距較大時(shí)便會(huì)產(chǎn)生自交、扭曲變形等情況，Alexa在2003年的工作“Differential coordinates for localmesh morphing and deformat1n”操作局部微分坐標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行編輯以及生成漸變序列，Alexa等人在2004年的工作“As-rigid-as possible shape interpolat1n”首先計(jì)算四面體網(wǎng)格的變形梯度，然后在梯度域進(jìn)行插值來(lái)得到漸變序列，該方法只適用于四面體網(wǎng)格，Xu等人在2006年的工作“Poss1n shape interpolat1n”通過(guò)在梯度域進(jìn)行插值生成新的梯度，然后通過(guò)求解泊松方程來(lái)得到模型漸變序列，Huang等人在2008年的工作“Non-rigidregistrat1n under isometric deformat1ns”將所有的待插值的模型作為一個(gè)整體優(yōu)化的未知變量，該優(yōu)化的目標(biāo)是保持中間模型的幀間連續(xù)性以及保持插值模型進(jìn)行局部剛體變換，求解該優(yōu)化的時(shí)間開(kāi)銷與空間開(kāi)銷隨中間插值模型規(guī)模的增加而增加，Baran等人在2009年的工作“Semantic deformat1n transfer”中提出了一種基于分塊的線性旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)(LRI)的方法來(lái)得到模型的特征向量，并記錄分塊的鄰接關(guān)系以及面片與分塊之間的從屬關(guān)系。這種表示可以對(duì)模型更有效的混合并生成更魯棒的結(jié)果，分塊之后使得算法求解更尚效。
[0004]上述這些方法是非數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，并沒(méi)有通過(guò)模型集合分析模型自身的形變規(guī)律，往往會(huì)產(chǎn)生不合理的漸變效果，Gao等人在2013年的工作“A data-driven approach torealistic shape morphing中提出了一種通過(guò)分析模型庫(kù)，并通過(guò)優(yōu)化求解線性子空間的最短路問(wèn)題來(lái)生成漸變序列的方法，該方法依然是在模型的歐式空間的坐標(biāo)域進(jìn)行分析，當(dāng)模型庫(kù)的分布不夠稠密時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自交等不合理形變的情況，同時(shí)該方法不提供一種用戶編輯漸變序列的工具。
[0005]發(fā)明專利“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型漸變方法”，該發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型漸變方法，包括:SI:輸入具有相同網(wǎng)格拓?fù)涞哪Ｐ蛶?kù);S2:通過(guò)保持模型局部剛性的方法對(duì)SI中的模型庫(kù)中的模型進(jìn)行上采樣;S3:對(duì)上采樣后模型庫(kù)進(jìn)行聚類得到變形子空間；S4:給定需要進(jìn)行漸變變形的初始模型S和終點(diǎn)模型T，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，在保持局部細(xì)節(jié)的情況下進(jìn)行變形得到模型S’和T’；S5:通過(guò)求解一個(gè)二次整數(shù)優(yōu)化可以得到一個(gè)從S’到T’的模型序列M’ ；S6:通過(guò)迀移模型序列上M’內(nèi)的模型上每個(gè)面片的剛體變換并求解一個(gè)泊松方程，可以得到一組新的從S到T上的模型序列；S7:通過(guò)高斯插值局部剛性能量的方式得到最終的漸變序列。該發(fā)明的方法可以生成更加真實(shí)自然的模型漸變序列，但是該發(fā)明提出了一種在模型的歐式空間的坐標(biāo)域進(jìn)行分析，并通過(guò)優(yōu)化求解線性子空間的最短路問(wèn)題來(lái)生成漸變序列的方法同時(shí)該發(fā)明不提供一種用戶編輯漸變序列的工具，本發(fā)明通過(guò)旋轉(zhuǎn)平移無(wú)關(guān)的特征對(duì)模型庫(kù)進(jìn)行分析，并引入了一種可視化的工具方便用戶對(duì)漸變序列進(jìn)行編輯。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法及系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法，包括:
[0008]步驟1，輸入具有相同網(wǎng)格拓?fù)涞哪Ｐ蛶?kù)，對(duì)所述模型庫(kù)中的模型進(jìn)行分塊簡(jiǎn)化， 生成簡(jiǎn)化模型，并記錄所述模型的片面與原始模型的面片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述簡(jiǎn)化模型的特征向量，組成所述簡(jiǎn)化模型的特征向量空間；
[0009]步驟2,給定需要進(jìn)行合成的初始模型S與終點(diǎn)模型T，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取初始模型S’與終點(diǎn)模型T’，通過(guò)計(jì)算所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’所在流形上的測(cè)地線路徑，獲取從所述始模型S ’與所述終點(diǎn)模型T ’的模型序列M’，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，依次計(jì)算所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的局部坐標(biāo)架與頂點(diǎn)坐標(biāo)，獲得從原始初始模型S與所述終點(diǎn)模型T上的模型序列M。
[0010]步驟3,通過(guò)在交互編輯界面選中測(cè)地線路徑上的某一點(diǎn)，查看所述某一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型在特征空間上相近的4個(gè)模型，通過(guò)交互并選取其中一個(gè)模型作為通過(guò)路徑的約束條件，獲取新的模型序列M_new〇
[0011]所述步驟2包括步驟21:通過(guò)迪杰斯特拉方法在所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’ 所在的流形上計(jì)算出的測(cè)地線路徑作為初值；
[0012]步驟22:通過(guò)計(jì)算二次優(yōu)化求解能量式獲取經(jīng)過(guò)特征向量空間中的初始模型S’與終點(diǎn)模型T’；
[0013]步驟23:依次迭代所述步驟21與所述步驟3,直至得到用戶滿意的模型漸變序列。 [〇〇14]所述步驟2還包括步驟24:根據(jù)所述模型序列M’，以及所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述原始模型的局部坐標(biāo)架；
[0015]步驟25:根據(jù)所述局部坐標(biāo)架計(jì)算線性方程，獲取所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型 T’的頂點(diǎn)坐標(biāo)。
[0016]還包括步驟4,通過(guò)主成分分析的方法將初始模型S’與終點(diǎn)模型T’所在的高維流形空間降維至二維平面，方便用戶操作并生成所需要的模型序列，并直觀的展示模型序列。
[0017]本發(fā)明還提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成系統(tǒng)，包括:
[0018]簡(jiǎn)化模塊，用于輸入具有相同網(wǎng)格拓?fù)涞哪Ｐ蛶?kù)，對(duì)所述模型庫(kù)中的模型進(jìn)行分塊簡(jiǎn)化，生成簡(jiǎn)化模型，并記錄所述模型的片面與原始模型的面片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述簡(jiǎn)化模型的特征向量，組成所述簡(jiǎn)化模型的特征向量空間；
[0019]合成序列模塊，用于給定需要進(jìn)行合成的初始模型S與終點(diǎn)模型T，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取初始模型S’與終點(diǎn)模型T’，通過(guò)計(jì)算所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’所在流形上的測(cè)地線路徑，獲取從所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的模型序列M’，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，依次計(jì)算所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的局部坐標(biāo)架與頂點(diǎn)坐標(biāo)，獲得從原始初始模型S與所述終點(diǎn)模型T上的模型序列Μ。
[0020]還包括獲取新序列模塊，用于通過(guò)在交互編輯界面選中測(cè)地線路徑上的某一點(diǎn)，查看所述某一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型在特征空間上相近的4個(gè)模型，通過(guò)交互并選取其中一個(gè)模型作為通過(guò)路徑的約束條件，獲取新的模型序列M_new。
[0021]所述合成序列模塊包括計(jì)算測(cè)地線路模塊:用于通過(guò)迪杰斯特拉方法在所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’所在的流形上計(jì)算出的測(cè)地線路徑作為初值；
[0022]優(yōu)化測(cè)地線模塊:用于通過(guò)計(jì)算二次優(yōu)化求解能量式獲取經(jīng)過(guò)特征向量空間中的初始模型S’與終點(diǎn)模型T’；
[0023]迭代模塊:用于通過(guò)迭代所述合成序列模塊與所述獲取新序列模塊，直至得到用戶滿意的模型漸變序列。
[0024]所述合成序列模塊還包括獲取局部坐標(biāo)架模塊:用于根據(jù)所述模型序列M’，以及所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述原始模型的局部坐標(biāo)架；
[0025]獲取頂點(diǎn)坐標(biāo)模塊:用于根據(jù)所述局部坐標(biāo)架計(jì)算線性方程，獲取所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的頂點(diǎn)坐標(biāo)。
[0026]還包括展示模塊，用于通過(guò)主成分分析的方法將初始模型S’與終點(diǎn)模型T’所在的高維流形空間降維至二維平面，方便用戶操作并生成所需要的模型序列，并直觀的展示模型序列。
[0027]由以上方案可知，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0028]本發(fā)明通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析并通過(guò)分析得到的序列模型，并設(shè)計(jì)一種根據(jù)模型分布可交互式的編輯工具，用戶通過(guò)觀察變形路徑和插值模型相鄰近的模型，并可以交互式調(diào)整路徑，這樣可以提供給用戶一個(gè)實(shí)用的工具，方便生成更加真實(shí)自然的模型漸變序列，進(jìn)而生成所需要的變形動(dòng)畫。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是本發(fā)明的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法流程圖；
[0030]圖2是本發(fā)明的可視化交互式漸變序列編輯界面；
[0031]圖3是本發(fā)明的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法應(yīng)用結(jié)果示意圖；
[0032]圖4是本發(fā)明的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法應(yīng)用結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法及系統(tǒng)，在對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到漸變序列的基礎(chǔ)上，引入可視化的工具方便用戶對(duì)漸變序列進(jìn)行編輯。
[0034]本發(fā)明提供一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法，包括:
[0035]S1:輸入具有相同網(wǎng)格拓?fù)涞哪Ｐ蛶?kù)；
[0036]S2:在保持模型局部細(xì)節(jié)的條件下對(duì)SI中的模型庫(kù)中的模型進(jìn)行分塊簡(jiǎn)化，并記錄簡(jiǎn)化模型與原始模型面片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
[0037]S3:對(duì)S2中簡(jiǎn)化后的模型庫(kù)上使用一種基于分塊的線性旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)(LRI)的方法來(lái)得到模型的特征向量，組成模型的特征向量空間；
[0038]S4:給定需要進(jìn)行合成的初始模型S和終點(diǎn)模型T，根據(jù)S2中的分塊簡(jiǎn)化對(duì)應(yīng)關(guān)系得到簡(jiǎn)化模型S’和T’；
[0039]S5:通過(guò)求解模型集合所在流形上測(cè)地線路徑得到從S’和T’的模型序列M’，并將該測(cè)地線路徑優(yōu)化問(wèn)題建模成一個(gè)二次優(yōu)化問(wèn)題；
[0040]S6:根據(jù)S2中簡(jiǎn)化模型與原始模型面片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依次求解模型的局部坐標(biāo)架和頂點(diǎn)坐標(biāo)，可以得到一組新的從S ’和T ’上的模型序列M;
[0041]S7:通過(guò)在交互編輯界面選中路徑上某一點(diǎn)，可以查看該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型在特征空間上相近的4個(gè)模型，通過(guò)交互并選取其中一個(gè)模型作為通過(guò)路徑的約束條件可以得到新的模型序列M_new;
[0042]S8:使用主成分分析(PCA)的方法將模型集合所在的高維流形空間降維至二維平面，方便用戶對(duì)程序進(jìn)行操作生成所需要的動(dòng)畫序列，并直觀的展示模型漸變序列；
[0043]其中，S3中所述的基于分塊的LRI方法包括:
[0044]S31:通過(guò)三角面片的兩個(gè)單位邊向量和面片單位法向量來(lái)表示面片的仿射變換矩陣D;
[0045]S32:對(duì)S31中的仿射變換矩陣D進(jìn)行奇異值分解，得到一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣R和一個(gè)縮放矩陣S;
[0046]S33:根據(jù)S2中分塊之后面片與分塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算分塊之后每塊的平均旋轉(zhuǎn)G;[〇〇47]S34:根據(jù)S33計(jì)算得到的平均旋轉(zhuǎn)G，得到相鄰分塊i之間的鏈接關(guān)系GfG;
[0048]S35:通過(guò)對(duì)得到的相對(duì)剛體變換取矩陣對(duì)數(shù)(log)操作后，其可以線性組合，從而可以更方便的混合旋轉(zhuǎn)矩陣。
[0049]其中，S5中所述二次整數(shù)優(yōu)方法包括:
[0050]S51:通過(guò)采用迪杰斯特拉方法在模型集合所在的流形上求解出的測(cè)地線路徑作為初值；[0051 ]S52:通過(guò)求解一個(gè)二次優(yōu)化求解能量式來(lái)得到經(jīng)過(guò)的特征向量空間中的模型，二次優(yōu)化的能量項(xiàng)包括E_short，E_near，E_lap lace;
[0052]S521:使用E_near能量項(xiàng)來(lái)計(jì)算路徑上每個(gè)頂點(diǎn)與流形空間上的最相近的模型的歐式距離，以此來(lái)保證優(yōu)化后的路徑在模型所在的流形空間上；[〇〇53]S522:E_laplace是平滑項(xiàng)，使得路徑更加的平滑。[〇〇54]S523: E_short計(jì)算路徑長(zhǎng)度，使得優(yōu)化后路徑更短。
[0055]S53:依次迭代S51和S52直至收斂。[〇〇56]其中，S6具體包括:[〇〇57]S61:通過(guò)S5中得到的模型序列M’，以及S2中模型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求解一個(gè)線性方程來(lái)得到原始模型局部坐標(biāo)架；[〇〇58]S62:通過(guò)S31中模型特征的表示方式，并以S61計(jì)算得到的局部坐標(biāo)架再次求解線性方程得到模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)，從而重建出一組新的從S’和T’上的漸變序列。[〇〇59]其中，S7具體包括:[〇〇6〇]S71:在交互編輯界面選中路徑上某一點(diǎn)，可以查看該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型在特征空間上相近的4個(gè)模型L;
[0061]S72:用戶在L中選擇一個(gè)感興趣的模型，重新計(jì)算得到包含該模型的一個(gè)模型漸變序列；
[0062]S73:在求解S5的二次優(yōu)化的基礎(chǔ)上，將用戶選擇的模型作為二次優(yōu)化的邊界條件，從而將選中模型添加到路徑中，并使用S6中的方法得到新的模型漸變序列M_new。
[0063]S74:依次迭代S71和S72直至結(jié)果滿意。
[0064]其中，S8具體包括:可視化的界面設(shè)計(jì)，使用主成分分析(PCA)的方法將多維的模型坐標(biāo)空間降維到二維平面，方便用戶對(duì)程序進(jìn)行操作，并直觀的展示模型漸變序列；
[0065]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0066]如圖1所示，本發(fā)明提供一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法，包括:
[0067]S1:輸入具有相同網(wǎng)格拓?fù)涞哪Ｐ蛶?kù)；
[0068]S2:在保持模型局部細(xì)節(jié)的條件下對(duì)SI中的模型庫(kù)中的模型進(jìn)行分塊簡(jiǎn)化，并記錄簡(jiǎn)化模型與原始模型面片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
[0069]S3:對(duì)S2中簡(jiǎn)化后的模型庫(kù)上使用一種基于分塊的線性旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)(LRI)的方法來(lái)得到模型的特征向量，組成模型的特征向量空間；
[0070]S4:給定需要進(jìn)行合成的初始模型S和終點(diǎn)模型T，根據(jù)S2中的分塊簡(jiǎn)化對(duì)應(yīng)關(guān)系得到簡(jiǎn)化模型S’和T’；
[0071]S5:通過(guò)求解模型集合所在流形上測(cè)地線路徑得到從S’和T’的模型序列M’，并將該測(cè)地線路徑優(yōu)化問(wèn)題建模成一個(gè)二次優(yōu)化問(wèn)題；
[0072]S6:根據(jù)S2中簡(jiǎn)化模型與原始模型面片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依次求解模型的局部坐標(biāo)架和頂點(diǎn)坐標(biāo)，可以得到一組新的從S到T上的模型序列M;
[0073]S7:通過(guò)在交互編輯界面選中路徑上某一點(diǎn)，可以查看該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型在特征空間上相近的4個(gè)模型，通過(guò)交互并選取其中一個(gè)模型作為通過(guò)路徑的約束條件可以得到新的模型序列M_new ；
[0074]S8:使用主成分分析(PCA)的方法將模型集合所在的高維流形空間降維至二維平面，方便用戶對(duì)程序進(jìn)行操作生成所需要的動(dòng)畫序列，并直觀的展示模型漸變序列；
[0075]其中，S3中所述的基于分塊的LRI方法包括:
[0076]S31:通過(guò)三角面片的兩個(gè)單位邊向量和面片單位法向量來(lái)表示面片的仿射變換矩陣D;
[0077]S32:對(duì)S31中的仿射變換矩陣D進(jìn)行奇異值分解，得到一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣R和一個(gè)縮放矩陣S;
[0078]S33:根據(jù)S2中分塊之后面片與分塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算分塊之后每塊的平均旋轉(zhuǎn)G;
[0079]S34:根據(jù)S33計(jì)算得到的平均旋轉(zhuǎn)G，得到相鄰分塊i之間的鏈接關(guān)系Gf1G;
[0080]S35:通過(guò)對(duì)得到的相對(duì)剛體變換取矩陣對(duì)數(shù)(log)操作后，其可以線性組合，從而可以更方便的混合旋轉(zhuǎn)矩陣。
[0081 ]其中，S5中所述二次整數(shù)優(yōu)方法包括:
[0082]S51:通過(guò)采用迪杰斯特拉方法在模型集合所在的流形上求解出的路徑作為初值；
[0083]S52:通過(guò)求解一個(gè)二次優(yōu)化求解能量式來(lái)得到經(jīng)過(guò)的特征向量空間中的模型，二次優(yōu)化的能量項(xiàng)包括E_short，E_near，E_lap lace ；
[0084]S521:使用E_near能量項(xiàng)來(lái)計(jì)算路徑上每個(gè)頂點(diǎn)與流形空間上的最相近的模型的歐式距離，以此來(lái)保證優(yōu)化后的路徑在模型所在的流形空間上；
[0085] S522:E_laplace是平滑項(xiàng)，使得路徑更加的平滑。[〇〇86]S523: E_sh〇rt計(jì)算路徑長(zhǎng)度，使得優(yōu)化后路徑更短。
[0087]S53:依次迭代S51和S52直至收斂。[〇〇88] 其中，S6具體包括:[〇〇89]S61:通過(guò)S5中得到的漸變序列，以及S2中模型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求解一個(gè)線性方程來(lái)得到原始模型局部坐標(biāo)架；
[0090]S62:通過(guò)S31中模型特征的表示方式，并以S61計(jì)算得到的局部坐標(biāo)架再次求解線性方程得到模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)，從而重建出一組新的從S到T上的漸變序列。
[0091]其中，S7具體包括:[〇〇92]S71:在交互編輯界面選中路徑上某一點(diǎn)，可以查看該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型在特征空間上相近的4個(gè)模型L;
[0093]S72:用戶在L中選擇一個(gè)感興趣的模型，重新計(jì)算得到包含該模型的一個(gè)模型漸變序列；
[0094]S73:在求解S5的二次優(yōu)化的基礎(chǔ)上，將用戶選擇的模型作為二次優(yōu)化的邊界條件，從而將選中模型添加到路徑中，并使用S6中的方法得到新的模型漸變序列M_new。[〇〇95]S74:依次迭代S71和S72直至結(jié)果滿意。
[0096]其中，S8具體包括:可視化的界面設(shè)計(jì)，使用主成分分析(PCA)的方法將多維的模型坐標(biāo)空間降維到二維平面，方便用戶對(duì)程序進(jìn)行操作，并直觀的展示模型漸變序列；
[0097]如圖2所示，展示的是本發(fā)明的可視化交互式漸變序列編輯界面。用戶可以在左上方的小窗口上查看當(dāng)前的模型漸變序列結(jié)果。同時(shí)，我們使用主成分分析(PCA)的方法將多維的模型坐標(biāo)空間降維到二維平面。在圖中的右下窗口，每一個(gè)圓點(diǎn)表示一個(gè)模型，同時(shí)用曲線表示編輯前后的模型漸變序列路徑。模型漸變序列在左側(cè)窗口顯示，為了直觀的顯示模型在漸變路徑上的位置并方便點(diǎn)擊查看，我們使用模型在漸變序列路徑上的分布來(lái)展示模型。用戶可以自由的在變形路徑上選取想要查看的模型。一旦用戶選取一個(gè)模型，四個(gè)最相近的模型會(huì)分布在該模型周圍。這四個(gè)模型可以被選擇，選中之后會(huì)在右上方的窗口顯示。如果用戶認(rèn)為這四個(gè)模型中有自己想要編輯的形態(tài)，便可將該模型添加至模型漸變序列中。如果用戶對(duì)于編輯之后的結(jié)果仍不滿意，可以再次進(jìn)行編輯，直至結(jié)果滿意。
[0098]如圖3所示，表示本發(fā)明的結(jié)果示意圖。圖3展示的是人手的漸變序列，使用的是手的數(shù)據(jù)庫(kù)。圖中第一列為模型漸變的起始模型，第五列是模型漸變的終止模型。圖中第一行為Baran等人的工作Semantic deformat1n transfer的結(jié)果，第二行為Gao等人的工作A data-driven approach to realistic shape morphing中的結(jié)果，第三行為我們交互式編輯之前的結(jié)果，第四行是我們添加交互式編輯之后的結(jié)果。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)我們的算法重建算法可以有效的挖掘數(shù)據(jù)庫(kù)中的知識(shí)，并生成自然合理的模型漸變效果。其他的兩項(xiàng)工作結(jié)果在該組例子中表現(xiàn)的不夠自然合理，因?yàn)槭值年P(guān)節(jié)較多，變形的自由度較大，發(fā)生了過(guò)度扭曲和自交的情況。同時(shí)，我們的方法添加交互式的操作，可以自定義的編輯模型漸變序列的中間結(jié)果，使生成的結(jié)果更符合用戶的需求。
[0099]如圖4所示，表示本發(fā)明的結(jié)果示意圖。圖4展示的是人體的漸變序列，使用的是人的模型。第一行是Xu等人的工作Poss1n shape interpolat1n生成的漸變序列，第二行是Baran等人的工作Semantic deformat1n transfer生成的漸變序列，第三行是Gao等人在Adata-driven approach to realistic shape morphing中數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，第四行是我們的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生成的漸變序列。相比于非數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，Gao等人的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法產(chǎn)生了一個(gè)比較好的效果，但是因?yàn)檫\(yùn)用到離散子空間，有時(shí)不能找到中間的過(guò)渡模型。我們的方法在流形上找到一個(gè)光滑的路徑，因此產(chǎn)生了一個(gè)很真實(shí)的漸變結(jié)果，避免了失真情況的出現(xiàn)。
[0100]本發(fā)明還提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成系統(tǒng)，包括:
[0101]簡(jiǎn)化模塊，用于輸入具有相同網(wǎng)格拓?fù)涞哪Ｐ蛶?kù)，對(duì)所述模型庫(kù)中的模型進(jìn)行分塊簡(jiǎn)化，生成簡(jiǎn)化模型，并記錄所述模型的片面與原始模型的面片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述簡(jiǎn)化模型的特征向量，組成所述簡(jiǎn)化模型的特征向量空間；
[0102]合成序列模塊，用于獲取需要進(jìn)行合成的初始模型S與終點(diǎn)模型T，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取初始模型s’與終點(diǎn)模型T’，通過(guò)計(jì)算所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’所在流形上的測(cè)地線路徑，獲取從所述初始模型s’與所述終點(diǎn)模型T’的模型序列M’，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，依次計(jì)算所述初始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的局部坐標(biāo)架與頂點(diǎn)坐標(biāo)，獲取從給定的初始模型S與終點(diǎn)模型T上的模型序列M。
[0103]所述合成序列模塊包括計(jì)算測(cè)地線路模塊:用于通過(guò)迪杰斯特拉方法在所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’所在的流形上計(jì)算出的測(cè)地線路徑作為初值；
[0104]優(yōu)化測(cè)地線模塊:用于通過(guò)計(jì)算二次優(yōu)化求解能量式優(yōu)化測(cè)地線路模塊獲得到的路徑初值，得到經(jīng)過(guò)特征向量空間中的初始模型S’與終點(diǎn)模型T’之間的光滑的測(cè)地線路；
[0105]迭代模塊:通過(guò)迭代合成序列模塊與獲取新序列模塊，直至得到用戶滿意的模型漸變序列。
[0106]所述合成序列模塊還包括獲取局部坐標(biāo)架模塊:用于根據(jù)所述模型序列M’，以及所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述原始模型的局部坐標(biāo)架；
[0107]獲取頂點(diǎn)坐標(biāo)模塊:用于根據(jù)所述局部坐標(biāo)架計(jì)算線性方程，獲取所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的頂點(diǎn)坐標(biāo)。
[0108]本發(fā)明系統(tǒng)還包括獲取新序列模塊，用于通過(guò)在交互編輯界面選中測(cè)地線路徑上的某一點(diǎn)，查看所述某一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型在特征空間上相近的4個(gè)模型，通過(guò)交互并選取其中一個(gè)模型作為通過(guò)路徑的約束條件，獲取新的模型序列M_new。
[0109]本發(fā)明系統(tǒng)還包括展示模塊，通過(guò)使用主成分分析的方法將初始模型S’與終點(diǎn)模型T’所在的高維流形空間降維至二維平面，方便用戶操作并生成所需要的模型序列，并直觀的展示模型序列。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法，其特征在于，包括:步驟1，輸入具有相同網(wǎng)格拓?fù)涞哪Ｐ蛶?kù)，對(duì)所述模型庫(kù)中的模型進(jìn)行分塊簡(jiǎn)化，生成 簡(jiǎn)化模型，并記錄所述模型的片面與原始模型的面片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述簡(jiǎn)化模型 的特征向量，組成所述簡(jiǎn)化模型的特征向量空間；步驟2,給定需要進(jìn)行合成的初始模型S與終點(diǎn)模型T，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取初始模 型S’與終點(diǎn)模型T’，通過(guò)計(jì)算所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’所在流形上的測(cè)地線路徑， 獲取從所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的模型序列M’，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，依次計(jì)算所述 始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的局部坐標(biāo)架與頂點(diǎn)坐標(biāo)，獲得從原始初始模型S與所述終點(diǎn) 模型T上的模型序列M。2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法，其特征在于，還包括步驟3,通過(guò)在交互編輯界面選中測(cè)地線路徑上的某一點(diǎn)，查看所述某一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型在特征 空間上相近的4個(gè)模型，通過(guò)交互并選取其中一個(gè)模型作為通過(guò)路徑的約束條件，獲取新的 模型序列^脫界。3.如權(quán)利要求1或2所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法，其特征在于，所述步 驟2包括步驟21:通過(guò)迪杰斯特拉方法在所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’所在的流形上計(jì) 算出的測(cè)地線路徑作為初值；步驟22:通過(guò)計(jì)算二次優(yōu)化求解能量式獲取經(jīng)過(guò)特征向量空間中的初始模型S’與終點(diǎn) 模型T’；步驟23:依次迭代所述步驟21與所述步驟3,直至得到用戶滿意的模型漸變序列。4.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法，其特征在于，所述步驟2 還包括步驟24:根據(jù)所述模型序列M’，以及所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述原始模型的局部坐標(biāo) 架；步驟25:根據(jù)所述局部坐標(biāo)架計(jì)算線性方程，獲取所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T ’的 頂點(diǎn)坐標(biāo)。5.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成方法，其特征在于，還包括步驟4,通過(guò)主成分分析的方法將初始模型S’與終點(diǎn)模型T’所在的高維流形空間降維至二維平 面，方便用戶操作并生成所需要的模型序列，并直觀的展示模型序列。6.—種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成系統(tǒng)，其特征在于，包括:簡(jiǎn)化模塊，用于輸入具有相同網(wǎng)格拓?fù)涞哪Ｐ蛶?kù)，對(duì)所述模型庫(kù)中的模型進(jìn)行分塊簡(jiǎn) 化，生成簡(jiǎn)化模型，并記錄所述模型的片面與原始模型的面片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述簡(jiǎn) 化模型的特征向量，組成所述簡(jiǎn)化模型的特征向量空間；合成序列模塊，用于給定需要進(jìn)行合成的初始模型S與終點(diǎn)模型T，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系， 獲取初始模型S’與終點(diǎn)模型T’，通過(guò)計(jì)算所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’所在流形上的測(cè) 地線路徑，獲取從所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的模型序列M’，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，依次 計(jì)算所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’的局部坐標(biāo)架與頂點(diǎn)坐標(biāo)，獲得從原始初始模型S與 所述終點(diǎn)模型T上的模型序列M。7.如權(quán)利要求6所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成系統(tǒng)，其特征在于，還包括獲取 新序列模塊，用于通過(guò)在交互編輯界面選中測(cè)地線路徑上的某一點(diǎn)，查看所述某一點(diǎn)所對(duì) 應(yīng)的模型在特征空間上相近的4個(gè)模型，通過(guò)交互并選取其中一個(gè)模型作為通過(guò)路徑的約束條件，獲取新的模型序列M_neWo8.如權(quán)利要求6或7所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成系統(tǒng)，其特征在于，所述合成序列模塊包括計(jì)算測(cè)地線路模塊:用于通過(guò)迪杰斯特拉方法在所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T’所在的流形上計(jì)算出的測(cè)地線路徑作為初值； 優(yōu)化測(cè)地線模塊:用于通過(guò)計(jì)算二次優(yōu)化求解能量式獲取經(jīng)過(guò)特征向量空間中的初始模型S’與終點(diǎn)模型T’； 迭代模塊:用于通過(guò)迭代所述合成序列模塊與所述獲取新序列模塊，直至得到用戶滿意的模型漸變序列。9.如權(quán)利要求6所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成系統(tǒng)，其特征在于，所述合成序列模塊還包括獲取局部坐標(biāo)架模塊:用于根據(jù)所述模型序列M’，以及所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述原始模型的局部坐標(biāo)架； 獲取頂點(diǎn)坐標(biāo)模塊:用于根據(jù)所述局部坐標(biāo)架計(jì)算線性方程，獲取所述始模型S’與所述終點(diǎn)模型T ’的頂點(diǎn)坐標(biāo)。10.如權(quán)利要求6所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式三維動(dòng)畫合成系統(tǒng)，其特征在于，還包括展示模塊，用于通過(guò)主成分分析的方法將初始模型S’與終點(diǎn)模型T’所在的高維流形空間降維至二維平面，方便用戶操作并生成所需要的模型序列，并直觀的展示模型序列。
【文檔編號(hào)】G06T13/20GK106023287SQ201610373694
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】高林, 夏時(shí)洪, 陳姝宇
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所