一种二三维结合的动画生成方法技术

本发明专利技术公开了一种二三维结合的动画生成方法。输入多视点二维角色线绘图，生成二维半模型；输入角色三维模型，依次建立角色三维模型与二维半模型的模型、笔画和点的关联关系，计算得到二维半模型和角色三维模型各自对应的注册信息，由二维半模型、角色三维模型以及各自对应的注册信息构成混合模型；输入骨架运动数据和视点变化数据，将混合模型与输入的骨架运动数据和视点变化数据驱动角色三维模型和二维半模型发生变形，生成动画。本发明专利技术方法在动画制作过程中，融合了二维和三维动画，使得有效利用现有二维和三维素材，制作出画面更为生动丰富的动画。

【技术实现步骤摘要】
一种二三维结合的动画生成方法
本专利技术涉及一种动画制作方法，尤其是涉及一种二三维结合的动画生成方法。
技术介绍
二维动画是一种较为传统的动画表现形式，由动画师逐帧手绘，在表现夸张的角色动作、角色表情和华丽的碰撞特效时有很大的优势，但其制作所需的人力成本相对高昂。随着计算机软硬件技术的发展，三维动画兴起，其主要在计算机中利用三维绘制软件建立三维模型，模拟物体材质、灯光等的变化，通过计算机图形技术渲染绘制得到成品动画。其大大降低了动画制作所需的人力成本，在相同品质的前提下缩短了制作周期，但其艺术视觉效果、感染力逊于二维动画。近几年，在许多动画作品中不再单一采用二维或三维技术，而是结合两者的特点联合制作，如采用三维技术制作背景，再二维绘制前景人物等。这种制作方法，可以吸取二维和三维动画技术各自的长处和优势，弥补二维动画在空间真实性上的不足，同时具备二维动画的艺术表达力。但是这类动画制作技术从本质上来看还是二维和三维分离制作的，被分离的各个部分仍然具有二维动画或三维动画各自的缺点。缺少一种方法，能够真正融合二维动画和三维动画的优点，抑制各自的缺点。
技术实现思路
为了结合三维和二维两种动画技术的优势并互补不足，本专利技术的目的是提出了一种二三维结合的动画生成方法，有效地自然融合三维和二维，在动画制作过程中，融合二维和三维动画，使得有效利用现有二维和三维素材，制作出画面更为生动丰富的动画，其效果比单独使用二维或三维技术得到的动画要好。本专利技术的目的是通过以下技术方案来包括以下步骤：1)输入多视点二维角色线绘图，生成二维半模型；2)输入角色三维模型，依次建立角色三维模型与二维半模型的模型、笔画和点的关联关系，计算得到二维半模型和角色三维模型各自对应的注册信息，由二维半模型、角色三维模型以及各自对应的注册信息构成混合模型；3)输入骨架运动数据和视点变化数据，将混合模型与输入的骨架运动数据和视点变化数据驱动角色三维模型和二维半模型发生变形，生成动画。所述步骤1)中根据输入的多视点二维角色线绘图，采用二维半卡通建模方法生成二维半模型，该二维半模型由多个关键视点下的角色线绘图构建而成，用于构建二维半模型的角色线绘图对应的视点被称为关键视点vj，多个关键视点中至少包括以下三个视点：正面平视角色包围盒中心的视点、侧面平视角色包围盒中心的视点与侧45°平视角色包围盒中心的视点，关键视点vj的二维向量的两个向量元素分别为视线方向相对于水平正视方向的水平旋转角度和竖直俯仰角度，j为关键视点的索引，水平旋转角度和竖直俯仰角度构成的二维空间为视点朝向空间，各个关键视点对应的角色线绘图的二维笔画数量相同，二维笔画记为si,j，不同角色线绘图中拥有相同笔画索引的二维笔画相对应，二维笔画用二维采样点的集合来表示，不同角色线绘图中拥有相同笔画索引的二维笔画具有相同的二维采样点个数ni。不同角色线绘图中拥有相同笔画索引的二维笔画具有相同的表示含义即为相对应，例如一个角色线绘图中的二维笔画和另一个角色线绘图中的一个二维笔画的实际含义相同，都是表示鼻子的轮廓，则这两个二维笔画相对应，且具有相同的采样点个数ni。二维半卡通建模方法采用Rivers及其合作者们在2010年发表的题为《2.5dcartoonmodels》的论文中提到的二维半模型方法，论文为A.Rivers,T.Igarashi,andF.Durand,“2.5dcartoonmodels,”TOG,vol.29,no.4,p.59,2010。所述的二维半模型由至少三个关键视点下的角色线绘图构建而成。所述的步骤2)具体过程为：2.1)将输入的角色三维模型朝向与二维半模型的朝向对齐，建立二维半模型和角色三维模型间的模型关联关系；2.2)在角色三维模型与二维半模型朝向对齐的条件下，对于各个角色线绘图下的每一个二维笔画si,j，i为笔画的索引，j为关键视点的索引，在角色三维模型上绘制与各个二维笔画si,j对应的三维笔画ri,j，不同视点下拥有相同笔画索引的三维笔画相对应，建立二维半模型和角色三维模型间的笔画关联关系；选取二维半模型的一个关键视点vj，并对该视点下的每一个二维笔画si,j，手动在屏幕上绘制二维笔画，再根据当前视点方向投射到输入的角色三维模型上，得到si,j在角色三维模型上的对应三维笔画ri,j；2.3)以二维半模型各个二维笔画si,j上的角点或者拐点作为二维关键点，各个三维笔画ri,j上与各个二维关键点对应的点作为三维关键点，根据二维关键点和三维关键点对二维笔画和三维笔画进行重采样，使得相邻的两个二维关键点之间的二维采样点数量与其对应的相邻的两个三维关键点之间的三维采样点数量相同，由此二维笔画的二维采样点与三维笔画的三维采样点依次对应，建立二维半模型和角色三维模型间的点关联关系；2.4)对于三维笔画ri,j上的每一个三维采样点qk，找到其所在的角色三维模型上的三角面片u，得到每一个三维采样点qk在三角面片u的重心坐标系中的坐标为(λ0,λ1,λ2)，每一个三维采样点qk的三维注册信息为(λ0,λ1,λ2,u)，λ0、λ1和λ2分别采用以下三个公式得到：λ3＝1-λ1-λ2其中，λ0,λ1,λ2分别为第一、第二和第三重心坐标系数，(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)是三角面片u的三个顶点的三维坐标；2.5)对于二维笔画si,j上的每一个二维采样点pk，将其在角色三维模型上对应的三维采样点qk投影到当前关键视点vj下的二维平面，得到投影函数fproj(qk,vj)，进而计算获得三维采样点pk的二维注册信息Bk，k为采样点的序号；上述fproj是一个以三维点坐标和视点为参数的投影函数，可将一个三维点根据视点投影到二维平面得到二维坐标；2.6)由二维半模型、角色三维模型以及各自的三维注册信息和二维注册信息构成混合模型。所述的二维注册信息Bk采用以下方式计算得到：二维注册信息Bk为一个集合，由二维注册参数组成，二维注册信息Bk的维度和二维笔画si,j的二维采样点数量ni相同，bk,l为二维注册信息Bk的第l个二维注册参数，l为与三维采样点对应的序号，bk,l为二维注册信息Bk中的一个元素，bk,l根据以下公式计算得到：其中，三维采样点ql为与三维采样点qk不同的三维采样点；最终得到的二维注册信息Bk表示为Bk＝{bk，l|l＝1，2，...，ni}。所述的步骤3)中，对于所述视点变化数据，在视点朝向空间中，动画中每一帧的视点坐标必须处于任意两个关键视点坐标的连线或者由所有关键视点的坐标组成的二维凸包内。骨架运动数据定义了动画的每一帧中的人物骨架姿态，视点变化数据定义了动画中的每一帧中的视点在视点朝向空间中的坐标。所述步骤3)具体的生成动画的过程为：3.1)对动画中的每一帧F，都利用骨架运动数据，采用骨架子空间变形方法，对角色三维模型进行变形；根据三维注册信息，采用以下公式更新所有三维笔画的三维采样点ql的位置，得到变形后的三维笔画：ql’＝λ0V0(u)+λ1V1(u)+λ2V2(u)其中，ql’为变形后的三维笔画的新三维采样点，V1(u)、V2(u)和V3(u)分别为三维采样点所在三角面片u的三个顶点的三维坐标；3.2)根据变形后的所有三维笔画上的三维采样点的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二三维结合的动画生成方法，其特征在于包含以下步骤：1)输入多视点二维角色线绘图，生成二维半模型；2)输入角色三维模型，依次建立角色三维模型与二维半模型的模型、笔画和点的关联关系，计算得到二维半模型和角色三维模型各自对应的注册信息，由二维半模型、角色三维模型以及各自对应的注册信息构成混合模型；3)输入骨架运动数据和视点变化数据，将混合模型与输入的骨架运动数据和视点变化数据驱动角色三维模型和二维半模型发生变形，生成动画。

【技术特征摘要】
1.一种二三维结合的动画生成方法，其特征在于包含以下步骤：1)输入多视点二维角色线绘图，生成二维半模型；2)输入角色三维模型，依次建立角色三维模型与二维半模型的模型、笔画和点的关联关系，计算得到二维半模型和角色三维模型各自对应的注册信息，由二维半模型、角色三维模型以及各自对应的注册信息构成混合模型；所述的步骤2)具体过程为：2.1)将输入的角色三维模型朝向与二维半模型的朝向对齐，建立二维半模型和角色三维模型间的模型关联关系；2.2)在角色三维模型与二维半模型朝向对齐的条件下，对于各个角色线绘图下的每一个二维笔画si,j，i为笔画的索引，j为关键视点的索引，在角色三维模型上绘制与各个二维笔画si,j对应的三维笔画ri,j，不同视点下拥有相同笔画索引的三维笔画相对应，建立二维半模型和角色三维模型间的笔画关联关系；2.3)以二维半模型各个二维笔画si,j上的角点或者拐点作为二维关键点，各个三维笔画ri,j上与各个二维关键点对应的点作为三维关键点，根据二维关键点和三维关键点对二维笔画和三维笔画进行重采样，使得相邻的两个二维关键点之间的二维采样点数量与其对应的相邻的两个三维关键点之间的三维采样点数量相同，由此二维笔画的二维采样点与三维笔画的三维采样点依次对应，建立二维半模型和角色三维模型间的点关联关系；2.4)对于三维笔画ri,j上的每一个三维采样点qk，找到其所在的角色三维模型上的三角面片u，得到每一个三维采样点qk在三角面片u的重心坐标系中的坐标为(λ0,λ1,λ2)，每一个三维采样点qk的三维注册信息为(λ0,λ1,λ2,u)，λ0、λ1和λ2分别采用以下三个方程得到：λ3＝1-λ1-λ2其中，λ0,λ1,λ2分别为第一、第二和第三重心坐标系数，(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)是三角面片u的三个顶点的三维坐标；2.5)对于二维笔画si,j上的每一个二维采样点pk，将其在角色三维模型上对应的三维采样点qk投影到当前关键视点vj下的二维平面，得到投影函数fproj(qk,vj)，进而计算获得三维采样点pk的二维注册信息Bk，k为采样点的序号；2.6)由二维半模型、角色三维模型以及各自的三维注册信息和二维注册信息构成混合模型；3)输入骨架运动数据和视点变化数据，将混合模型与输入的骨架运动数据和视点变化数据驱动角色三维模型和二维半模型发生变形，生成动画。2.根据权利要求1所述的一种二三维结合的动画生成方法，其特征在于：所述步骤1)中根据输入的多视点二维角色线绘图，采用二维半卡通建模方法生成二维半模型，该二维半模型由多个关键视点下的角色线绘图构建而成，多个关键视点中至少包括以下三个视点：正面平视角色包围盒中心的视点、侧面平视角色包围盒中心的视点与侧45°平视角色包围盒中心的视点，关键视点vj的二维向量的两个向量元素分别为视线方向相对于水平正视方向的水平旋转角度和竖直俯仰角度，j为关键视点的索引，水平旋转角度和竖直俯仰角度构成的二维空间为视点朝向空间，各个关键视点对应的角色线绘图的二维笔画数量相同，不同角色线绘图中拥有相同笔画索引的...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿卫东，金秉文，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33