专利名称：基于光照球模型的计算机辅助人物动画艺术化绘制方法
技术领域：
本发明涉及计算机辅助人物动画绘制方法，尤其涉及一种基于光照球模型 的计算机辅助人物动画艺术化绘制方法。
背景技术：
在非真实感绘制方面，学者们已探索了很多技术用来模拟艺术家的风格，
其中最受关注的一种形式就是cel绘制或toon绘制。eel绘制是使物体像卡通 一样绘制的"艺术"，这种绘制方法能够给人以强烈的含蓄感与童趣。同时这种 方法非常简单，即使用实线绘制物体，并将物体分为具有不同颜色的区域。在 计算机图形学领域，大约在20世纪90年代就开始使用toon绘制风格来实现三 维模型和二维eel动画之间的结合。与其他NPR风格相比，这种绘制风格比较 简单，可以很容易地利用计算机进行自动生成。现在，在Renderman、 Softimage、 Maya、Autodesk 3ds Max等商业软件中都可应用卡通风格绘制方法[Pascal Barla 2006]。而且它还广泛应用于很多视频游戏、电视剧和电影中。
Lake等[Lake 2000]最先公开描述了 toon着色方法。他提出了基于纹理映 射和传统漫反射光照模型的方法，这种硬着色(hard shading)技术可以找到 颜色转换边界，然后将边界两边分别以固定颜色着色。实现阴影和高光风格时 使用三种颜色建立一维纹理。在光照的一端，l或2段设置为高光颜色，其余为 光照材质颜色。高光颜色可以通过将材质颜色和高光因子相乘自动获得。这种 高光为视点无关的漫反射高光。如果要绘制镜面高光，需要利用多纹理增加另 一个纹理。
在传统的卡通动画中，光照和阴影是表现艺术化的角色和场景的象征。高 光也描述了场景中角色和物体的各个方面。因而卡通动画中的高光应该是语义 符号而不是物理模型中的一部分。为此，An joy和Hiramitsu [Anjoy 2003]提 出了 3维对象的高光着色器，通过为高光向量场定义的简单操作创建风格化的 高光。他们的着色其使用传统的Blinn镜面反射模型创建初始的高光。然后通 过几何变换、风格化以及布尔变换交互地改变初始的高光形状，直到获得想要的形状。这种方法高光绘制的效果依赖于如何能构建一组好的高光向量场，需 要进行单调的参数调整。
Sloan等[Sloan 2001]提出了一种利用非真实感光照模型的上色方法，实 现了将光照模型球的着色映射到实际绘制中，并且可以通过用户交互从原始艺 术作品中建立光照模型球。然后系统通过光照模型球和绘制物体模型表面法线 的对应关系，将光照模型球上的着色应用到绘制中。该方法只提供了一种交互 拼接的半自动提取方法。
传统的Toon着色利用1维纹理，描述色调随表面方向与给定光源的改变。 Barla等[Barla2006]提出了支持视点相关效果的两个扩展算法。 一是对描述色 调随表面方向与给定光源的改变，使用2维纹理代替1维纹理，其中第2维同 需要的"色调细节"相关，它可以随着深度和表面方向改变。其二是拓展了Toon 着色器，利用一个改进的法线场，可以实现从原始的法线，到从"抽象形状" 中得到的一个更简单的法线集合。
可以说，这方面的研究思路主要基于两个方面 一方面，要获得更生动的 卡通风格。卡通风格绘制的目的是模拟卡通的艺术化风格，因此就需要更逼真 和生动地模拟艺术家的绘画技法。设计更好的1维纹理是方法之一，而更好的 效果则需要采取更复杂的方法，例如引入高光向量场变换[Anjoy 2003]或2维 纹理[Barla 2006]等都已证明是可行的方法。另一方面，要实现实时绘制。为 了降低CPU的负担，最近的一些方法[Barla 2006] [Anjyo 2006]都使用了顶点 着色器和像素着色器方法，通过GPU编程实现卡通风格绘制算法。而外未来的 硏究也将会沿着这个方向，探索拥有更加方便灵活的用户交互，并且能实现复 杂卡通风格和各种视点相关效果的实时动画生成方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于光照球模型的计算机 辅助人物动画艺术化绘制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 一种基于光照球模型的计算 机辅助人物动画艺术化绘制方法，包括以下步骤
(1) 读入艺术化样品，选取图像中的可用色块选取框为三角形，矩形或椭圆 形，分别针对不同形状物体提供不同的提取方法；
(2) 将选取的色块映射到光照球球面上，得到球形面片遍历平面图像选取框
内的每个像素点，将此像素点的平面坐标转换为球面坐标，映射到光照球模型上，从而形成球形面片；
(3) 对映射得到的球形面片中的空白缝隙进行填充遍历光照球模型图像中的 每个像素点，对光照球模型上面片映射区域内没有平面色块对应点映射的空隙 处进行线性插值；
(4) 调整球形面片的位置，拼接成光照球模型对这些球形面片进行平移和旋 转操作，调整它们的位置直至拼接成一个完整的球面图像；
(5) 对光照球模型中的面片拼接边界进行修描处理，使其平滑过度；
(6) 应用光照球模型对三维人物模型上色；
(7) 设定人物动作以及摄像机角度，应用光照球模型，输出具有艺术化风格的 人物动画序列。
本发明的有益效果是本发明是从艺术作品中提取建立艺术风格的光照球 模型，应用到人物模型的渲染上，简单快捷地实现艺术化风格的着色，制作出 非真实感绘制的人物动画。传统的图形图像技术支持实时地绘制三维空间物体， 但是这些方法不能灵活地体现艺术家作品中的表现力。目前的建模和动画工具 往往要求创建者自定义纹理，不能使非艺术家模拟艺术作品中的非线性光照。 本发明借鉴球体光照信阜的绘制方法，确保了在绘制相同光照材质的复杂物体 时，其光照具有全局一致性。并且通过光照球模型的提取和应用，只需要简单 的交互操作，就能方便快捷地实现艺术化风格的人物绘制，提高了绘制效率。 本发明解决了现有计算机辅助动画制作的绘制效率不高，以及传统图像技术不 能灵活体现艺术家作品表现力的问题。
图1是基于光照球模型的计算机辅助人物动画艺术化绘制方法的流程图； 图2是原始艺术作品图像；
图3中，(a)是本发明使用三角形选框提取不规则部位色块，(b)是本发 明使用矩形选框提取柱形部位色块，(C)是本发明使用椭圆形选框提取球形部 位色块；
图4中，(a)是原始艺术作品图像中的可用色块映射到光照球模型上的图
像，(b)是对映射得到色块中的空白缝隙进行插值填充后的结果图像；
图5中，(a)是拼接完成的光照球模型图像，(b)是对拼接边界进行图像 修描处理后的光照球模型图像；
图6是本发明光照球模型法向与模型法向对应关系；
6图7是本发明利用光照球模型着色绘制后的人物模型图像； 图8是本发明应用光照球模型绘制的人物动画序列。
具体实施例方式
本发明基于光照球模型的计算机辅助人物动画艺术化绘制方法，包括以下 原理
(1)顶点坐标从平面到輝面的映射关系
, 一 V血2 +办2 ) , 办(i -"J^ +办2)
x =xh--^-， y =_y +-;
i 及
其中，& = x-x，办-少-:r，x， Y为球心坐标，R为光照球球面半径。
(2) 顶点坐标从球面到平面的映射关系
x = x一—.血)一(c-血))，"J-^"^(括-刺-(c-刺); 必 rfy
其中，A =—义),办=0&0 —y), c-及+ sinOtan(血，办))，x， Y为球心坐标，
R为球面半径。
(3) TV inpainting的模型公式
<^i[w]= jV^+l^l—J]w-w。| ^办
其中，E为修描延伸的环绕区域，D为修描区域，常数a为阈值。 本发明基于光照球模型的计算机辅助人物动画艺术化绘制方法，包括以下 步骤
1. 读入艺术化样品，选取图像中的可用色块，选取框为三角形，矩形或椭圆形， 分别针对不同形状物体提供不同的提取方法。
提取诸如人物皮肤这种不规则形状部位的艺术化着色，使用三角形选框；提 取诸如人物直发这种柱形部位的艺术化着色，使用矩形选框；提取诸如人物眼 球这种球形部位的艺术化着色，使用椭圆形选框。
2. 将步骤1中选取的色块映射到光照球球面上，得到球形面片。遍历平面图像 选取框内的每个像素点，将此像素点的平面坐标转换为球面坐标，映射到光 照球模型上，从而形成球形面片；
7将平面图像转换为球面图像，是通过像素点坐标从平面到球面的映射关系映 射选择框内的每个像素点。所使用的像素点位置坐标转换使用上述原理第(1) 点的平面到球面的映射关系。
3. 对步骤2映射得到的球形面片中的空白缝隙进行填充。遍历光照球模型图像 中的每个像素点，对光照球模型上面片映射区域内没有平面色块对应点映射 的空隙处进行线性插值；
在插值前先判断球面上的空白点是否在面片区域内。判断方法为首先使用 上述原理第(2)点的球面到平面的映射关系，计算出球面上的某一空白点映射 到平面上的位置，然后判断该位置是否在平面色块内部。之后进行插值操作，
输入是像素点相邻非空白像素点颜色的RGB值，输出是这些RGB平均值的颜色。
4. 调整步骤3得到的球形面片的位置，拼接成光照球模型。对这些球形面片进 行平移和旋转操作，调整它们的位置直至拼接成一个完整的球面图像； 在拼接过程中可以平移和旋转已有面片，也可以重复步骤1到步骤3从艺术
作品中提取添加新的面片到光照球模型上。
5. 对步骤4生成的光照球模型中的面片拼接边界进行修描处理，使其平滑过度； 对面片拼接边界的光滑处理，是应用上述原理第(3)点的Tv Inpainting
的方法，对图像色块拼接边界进行修描。
6. 应用步骤5生成的光照球模型对三维人物模型上色； 对人物的每个不同部位分别提取生成独立的光照球模型，然后应用到人物模
型的相应部位上。光照球模型以像素大小为256*256的标准图像格式存储。对 于给定的光照球模型图像，系统绘制时通过物体模型表面的法向访问图像纹理， 设Ne为顶点全局坐标系的法向，M为模型视图矩阵，f^为顶点局部坐标系的法 向，则有Nc: M X NL ，顶点纹理坐标为((NG.x+l)/2 , (NG.y+l)/2 )。
7. 设定人物动作以及摄像机角度，应用光照球模型，输出具有艺术化风格的人 物动画序列。
本发明方法的核心是建立一系列提取艺术家作品中艺术化风格绘制的光照 球模型，然后利用这些光照球模型将艺术化风格应用到人物动画的绘制中。
下面根据附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加 明显。 实施例
以下利用一个我们实现的例子，即提取动画片《花木兰》中的艺术化着色 应用到我们的人物动画绘制中，来描述具体流程的实施方式，步骤如下(见图1): 1)读入艺术化样品，选取图像中的可用色块(见图2)。选取框为三角形，矩形或椭圆形，分别针对不同形状物体提供不同的提取方法；三角形选框用在 提取不规则形状部位的艺术化着色，如人物皮肤(见图3 (a));矩形选框用在 提取柱形部位的艺术化着色，如人物直发(见图3 (b));椭圆形选框用在提取 球形部位的艺术化着色，如人物眼球(见图3 (C))。
2) 将步骤l)中选取的色块映射到光照球球面上，得到球形面片(见图4 (a))。遍历平面图像选取框内的每个像素点，将此像素点的平面坐标转换为球
面坐标，映射到光照球模型上，从而形成球形面片。
3) 对步骤2)映射得到的球形面片中的空白缝隙进行填充(见图4 (b))。 遍历光照球模型图像中的每个像素点，对光照球模型上的面片映射区域内没有 平面对应点映射的空隙处进行线性插值。在插值前需要判断球面上的空白点是
否在面片区域内。判断方法为首先计算出球面上的某一空白点映射到平面上
的位置，然后判断该位置是否在平面色块内部。
4) 调整步骤3)得到的球形面片的位置，拼接成光照球模型(见图5 (a))。 对这些球形面片进行平移和旋转操作，调整它们的位置直至拼接成一个完整的 球面图像；
5) 对步骤4)生成的光照球模型中的面片拼接边界进行修描处理，使其平 滑过度(见图5 (b))。操作应用图像处理技术中的Tv I叩ainting的方法对图
像色块拼接边界进行修描。
6) 应用步骤5)生成的光照球模型对三维人物模型上色(见图7)。对人物 的每个不同部位分别提取生成独立的光照球模型，然后应用到人物模型的相应 部位上。光照球模型以像素大小为256*256的标准图像格式存储。对于给定的 光照球模型图像，系统绘制时通过物体模型表面的法向访问图像纹理，映射关 系如图6所示。设Ne为顶点全局坐标系的法向，M为模型视图矩阵，f^为顶点 局部坐标系的法向，则有Ne- MxMl ，顶点纹理坐标为((NG.x+l)/2 , (NG.y+l)/2 )o
7) 设定人物动作以及摄像机角度，应用光照球模型，输出具有艺术化风格 的人物动画序列(见图8)。
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权利要求
1. 一种基于光照球模型的计算机辅助人物动画艺术化绘制方法，其特征在于，包括以下步骤(1)读入艺术化样品，选取图像中的可用色块选取框为三角形，矩形或椭圆形，分别针对不同形状物体提供不同的提取方法。(2)将选取的色块映射到光照球球面上，得到球形面片遍历平面图像选取框内的每个像素点，将此像素点的平面坐标转换为球面坐标，映射到光照球模型上，从而形成球形面片。(3)对映射得到的球形面片中的空白缝隙进行填充遍历光照球模型图像中的每个像素点，对光照球模型上面片映射区域内没有平面色块对应点映射的空隙处进行线性插值。(4)调整球形面片的位置，拼接成光照球模型对这些球形面片进行平移和旋转操作，调整它们的位置直至拼接成一个完整的球面图像。(5)对光照球模型中的面片拼接边界进行修描处理，使其平滑过度。(6)应用光照球模型对三维人物模型上色。(7)设定人物动作以及摄像机角度，应用光照球模型，输出具有艺术化风格的人物动画序列。
2. 根据权利要求1所述的基于光照球模型的计算机辅助人物动画艺术化绘制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述三角形选取框用在提取不规则形状部 位的艺术化着色，矩形选取框用在提取柱形部位的艺术化着色，椭圆形选取框 用在提取球形部位的艺术化着色。
3. 根据权利要求1所述的一种基于光照球模型的计算机辅助人物动画艺术化绘 制方法，其特征在于，所述步骤(2)将平面图像转换为球面图像，通过像素点 坐标从平面到球面的映射关系映射选择框内的每个像素点。所使用的平面到球面的映射关系是…+慘血2+^, 如2+^1;其中，及 及血=^-X，办=乂-y，x， Y为球心坐标，R为光照球球面半径。
4. 根据权利要求1所述的一种基于光照球模型的计算机辅助人物动画艺术化绘 制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，判断球面空白处是否位于色块区域内的方法是首先将球面坐标逆转换为平面坐标，然后判断此平面坐标是否在原 始样品图像的可用色块选择框内。所使用的球面到平面的映射关系是n — —刮—(c —刮)，V " - (Vc(c -刷-(c -柳;其中，血 办—JO,cfy = o^y(> —y)， c = W + sin(atan(血,办))，x， Y为球心坐标，R为球面半径。
5. 根据权利要求1所述的一种基于光照球模型的计算机辅助人物动画艺术化绘 制方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为使用图像处理技术中的Tv Inpainting 模型的修描方法对图像色块拼接边界进行修描。
6. 根据权利要求1所述的一种基于光照球模型的计算机辅助人物动画艺术化绘 制方法，其特征在于，所述步骤6)具体为对于给定的光照球图像，通过球体 法线和颜色的对应关系，将其直接应用于卡通人物的建模与绘制中。绘制时， 通过物体模型表面的法线访问图像纹理，实现模型的风格化着色。
全文摘要
本发明公开了一种基于光照球模型的计算机辅助人物动画艺术化绘制方法。本发明是从艺术作品中提取建立艺术风格的光照球模型，应用到人物模型的渲染上，简单快捷地实现艺术化风格的着色，制作出非真实感绘制的人物动画。本发明借鉴球体光照信息的绘制方法，确保了在绘制相同光照材质的复杂物体时，其光照具有全局一致性。并且通过光照球模型的提取和应用，只需要简单的交互操作，就能方便快捷地实现艺术化风格的人物绘制，提高了绘制效率。本发明解决了现有计算机辅助动画制作的绘制效率不高，以及传统图像技术不能灵活体现艺术家作品表现力的问题。
文档编号G06T15/70GK101477705SQ20091009520
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月5日 优先权日2009年1月5日
发明者筠 徐, 响 李, 耿卫东 申请人:浙江大学