基于高层状态机的三维动画的生成方法技术

基于高层状态机的三维动画的生成方法，利用已有的动作数据，用于在计算机上实现对各种动作数据的重新组织，建立不同动作数据之间的联系，从而创建新的三维动画，包括：将已有的动作数据采用可视化的方法在计算机的图形输出设备上显示；选取需要的动作数据，使用结构化的运动原语对动作数据所具备的运动特征进行描述；根据运动原语定义状态集合，构建基于运动原语的高层状态机；按照状态机描述的逻辑，对存在转换关系的动作数据进行拼接，生成更长的连续的新三维动画。本发明专利技术具有通用性好，可以对各种运动物体的动作数据进行创建的优点，方便对物体行为的统一描述，使得计算机上展现的物体运动更加合理化，符合人们逻辑习惯，满足用户生成动画需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机动画领域，具体地说，是一种基于高层状态机生成三维动画的方法。
技术介绍
利用计算机进行动画创作一直是研究热点，主要的方法有关键帧方法、基于模型的方法和基于运动捕获的方法等。关键帧方法能精确控制运动但不能自动保证运动的自然。基于模型的方法能产生自然的运动，但模型可重用性受到很大限制，而且不易掌握。随着三维游戏、数字娱乐等行业对计算机动画制作需求的增加，消费者的要求也日渐提高，上述方法已经无法满足动画创作的发展要求。基于运动捕获的方法直接记录物体的动作数据并将其用于生成计算机动画，容易被动画师掌握，具有效率高，生成的动画富有真实感等优点，克服了先前技术的局限性，成为计算机动画领域的热门技术。但是运动捕获设备普遍价格昂贵，对需求变化的适应能力弱。尽管如此，捕获得到的动作数据可以重新编辑再利用，使得基于运动捕获技术的各种数据处理和应用方法成为计算机动画领域的研究热点。各种方法研究的主要目的是使编辑后的动作片断能够满足给定场景的要求，从而提高动作数据的重用性。较好的编辑方法有偏移映射方法，如Bruderlin，A.，Williams，L.Motion Signal Processing.InProceedings ofSIGGRAPH 95，ACM SIGGRAPH，97-104、运动变形方法，如Witkin，A.，Popovic，Z.Motion Warping.InProceedings of SIGGRAPH 95，ACMSIGGRAPH，105-108、运动重定向算法，如Gleiche r，M..RetargetingMotion to New Characters.InProceedings of SIGGRAPH.98，ACMSIGGRAPH，3342等。随着捕获技术的成熟，动作数据种类和数目日趋增加，研究者们渐渐将目光转向动作数据的组织和编排上，生成长度更长、更为复杂的运动，比如时空约束方法Rose，C.，Guente r，B.，Bodenheimer，B.and Cohen，M.F.Efficient Generation of Motion Transitions usingSpacetime Constraints. InProceedings of SIGGRAPH 96，ACMSIGGRAPH，147-154.和运动图方法Kovar，L.，Gleicher，M.，and Pighin，F.Motion GraphS.InProceedings of SIGGRAPH 2002，ACMSIGGRAPH，473-482等。上述方法通过处理数据，使运动物体的动作数据得到很大程度地重新利用，改善了动作数据适应需求变化的能力，但仍缺乏从宏观意义上用更自然的，符合人们逻辑习惯的方式，对运动物体的行为进行描述。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，使用已有的动作数据，通过定义运动原语，并构建基于运动原语的高层状态机，实现对运动物体行为的描述，生成新的三维动画。该方法的另一目的是提供一种自然的、符合人们习惯的描述方式，实现对运动物体的各种行为进行统一描述，较好的支持了行为的重用。为达到上述目的，本专利技术提出一种，具体的做法如下(1)将已有的动作数据采用可视化的方法在计算机的图形输出设备上显示；(2)选取需要的动作数据，使用结构化的运动原语对动作数据所具备的运动特征进行描述；(3)根据运动原语定义状态集合，构建基于运动原语的高层状态机；(4)按照状态机描述的逻辑，对存在转换关系的动作数据进行平滑过渡，生成更长的连续的新三维动画。上述技术方案中，步骤(1)中，已有的动作数据是使用当前使用广泛的运动捕获设备采集得到的，此步骤中还包括可视化方法的执行步骤。上述技术方案中，步骤(2)中，包括结构化运动原语的性质和特点，以及使用运动原语对动作数据的描述方法。所述的结构化运动原语是用来表述一个运动物体应当完成某项特定任务的描述语言，具有单元性，不可分割性，并且它的执行具有连续性。上述技术方案中，步骤(3)中的状态集合是根据定义好的运动原语得到的。上述技术方案中，步骤(3)中的基于运动原语的高层状态机的构建，包括以下组成部分状态的有限集合S，R，Q，状态转换函数f，输出函数g和初始状态qI。上述技术方案中，步骤(4)中所述的过渡，是对状态机中存在转换关系的动作数据，分别进行时间和空间的平滑过渡。本专利技术的优点在于(1)具有良好的通用性，可以对各种运动物体的动作数据进行创建；(2)提供了一种结构化的运动原语，方便对物体行为的统一描述；(3)通过构建状态机来描述物体运动，使得计算机上展现的物体运动更加合理化，符合人们的逻辑习惯，满足用户的生成动画需求。附图说明图1为本专利技术的实施流程图；图2为本专利技术的一个简要的高层状态机的状态图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的主要流程图如图1所示，具体步骤如下(1)将已有的动作数据采用可视化的方法在计算机的图形输出设备上显示。其中，已有的动作数据是通过现有的三维运动捕获设备采集得到的，数据文件记录的是物体运动的三维数据，可以有多种格式，比如BVH，t10，txt等。这里现有的三维运动捕获设备有若干种可以采用，比如Vicon512等。图形输出设备包括CRT、LCD、三维显示器等，用户可以用肉眼直观地看到结果。可视化方法步骤包括三个步骤第一步，编程开发一个基于三维图形库的动画应用程序。该程序实现对运动数据和模型文件等的加载，并将二维物体或者三维物体显示到图形输出设备上，生成高质量的计算机图像，用户可以从不同的角度观察显示的物体，编程语言可以是C、C++，或者Java等，该语言要求支持图形编程，比如OpenGL、Direct3D等；第二步，使用三维建模软件对运动物体进行建模，并将模型以文件方式导出；第三步，使用第一步中开发的程序，读取动作数据和模型文件，驱动一个虚拟的三维运动物体，将该物体的运动直观地显示在图形输出设备上。通过可视化方法，用户可以直观地知道特定动作数据表达的动作含义，方便用户根据需要对动作数据进行选择。在步骤(1)中，为了得到理想的动作，在数据的采集过程中，可以尽可能多地采集运动物体的各种动作，包括相同的动作和不同的动作。这样做的目的是方便后续步骤的操作，确保能够得到理想的结果。(2)选取需要的动作数据，使用结构化的运动原语对动作数据所具备的运动特征进行描述。这里的结构化的运动原语，指的是表述运动物体应当完成某项特定任务的结构化形式的描述语言。它具有单元性，不可分割性，并且它的执行具有连续性。运动原语抽象地描述了物体在活动当中的各种行为，为用户提供了一个虚拟接口，而且因其结构化英语形式，方便了编程人员进行运动的虚拟再现。在该步骤中，使用运动原语对动作数据的描述方法如下首先，根据步骤(1)中可视化方法显示的各种动作数据表达的动作含义，用户定义合理的能够代表性地描述该动作数据的运动原语，以文件名、程序中数据结构或者数据变量等方式，将该运动原语与该动作数据相对应。其中，运动原语与动作数据之间是一对一的关系，从而有效地保证了动作数据能够准确地被检索到。比如，在羽毛球比赛中，运动员的动作可以这样描述“正手发球”、“反手发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于高层状态机的三维动画的生成方法，其特征在于步骤如下：（１）将已有的动作数据采用可视化的方法在计算机的图形输出设备上显示；（２）选取需要的动作数据，使用结构化的运动原语对动作数据所具备的运动特征进行描述；（３） 根据运动原语定义状态集合，构建基于运动原语的高层状态机；（４）按照状态机描述的逻辑，对存在转换关系的动作数据进行平滑过渡，生成更长的连续的新三维动画。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵沁平，齐越，沈旭昆，王靓，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]