一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法。在制作飘带动画过程中，使用物理模拟引擎，控制飘带运动形态的方式比较复杂，难以便捷还原出敦煌壁画中飘带的形态。而使用关键帧等方法，较好地保留了动画师的设计意图，但难以体现飘带运动的物理特征，导致飘带运动不真实。本发明将关键帧和物理模拟融合在一起。采用绘制飘带形态关键帧的方法，直观地指定敦煌壁画中飘带运动的形态。根据形态关键帧，通过逆向物理模拟计算出飘带运动的控制力和速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模拟中，从而绘制出符合敦煌飘带形态并满足物理运动规律的飘带动画。形成针对敦煌飞天形象的飘带动画制作的新方法。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及动画行业中敦煌飞天形象的动画制作方法，特别涉及一种针对敦煌飞 天形象的飘带动画制作方法。 -种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法
【背景技术】
[0002] 飘带是飞天形象的精髓，生动地展现了飞天的动感美。飞天动画一般可以从动画 形式上分为两种类型，三维飞天动画和二维飞天动画。
[0003] 在三维飞天动画中，使用柔体物理模拟引擎，模拟飘带运动。动画师通过调节布料 的物理属性以及环境中的力场，对飘带进行物理模拟，制作出飘带运动动画。使用物理模拟 的方法，可以保留飘带运动的物理特征，增强运动的真实感。但是，这种通过调整物理属性 和环境力场控制飘带运动形态的方式，不够直观，在艺术表现力方面比较欠缺，难以准确还 原敦煌壁画中飘带的形态。
[0004] 在二维飞天动画中，根据动画师对飘带运动规律的经验性理解，手工指定飘带的 运动。动画师通过手动绘制关键帧，然后对飘带进行关键帧插值，绘制出飘带运动的动画序 列。动画师可以直观控制飘带的运动形态，并可体现动画师的艺术理解，相对准确地还原敦 煌壁画中飘带的形态。
[0005] 在目前的动画制作软件中，一般通过调节布料的物理属性以及环境中的力场，绘 制飘带的模拟动画。对于动画师来说，这一过程操作不够直观，难以控制飘带运动形态，难 以体现还原敦煌壁画中飘带运动的艺术形态。这种手动绘制关键帧的方式，难以符合飘带 运动的物理规律，绘制得到的飘带运动动画缺少物理真实感。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制 作方法，既能符合飘带的物理运动规律，又能和壁画中的艺术性运动形态更为接近。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制 作方法，包含以下步骤：
[0008] (1)在场景中，根据原始壁画内容，交互绘制出飘带的多个形态关键帧；
[0009] (2)使用关键帧约束，建立符合飘带运动规律的优化目标方程，逆向求解飘带运动 的物理参数，根据步骤1中的形态关键帧，每两帧间，前一帧作为初始形态关键帧，后一帧 作为目标形态关键帧，基于满足飘带运动规律的目标方程进行优化计算，将求解出的控制 力和速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模拟中，使飘带运动趋向目标形态关键帧； [0010] (3)反复执行步骤（1)以及步骤（2)，绘制得到敦煌飞天形象的飘带动画。
[0011] 所述步骤⑴具体为：
[0012] (1. 1)将预先绑定骨骼的飞天人物的三维网格模型导入场景；
[0013] (1. 2)将符合骨骼规格的姿态运动数据赋给步骤（1. 1)中的飞天人物的三维网格 模型，驱动飞天人物的运动；
[0014] (1. 3)在步骤（1. 1)的场景中，以贝塞尔曲线形式绘制飘带形状，将飘带摆在人物 网格模型的肩部位置；
[0015] (1. 4)选择时间轴的任意一帧，交互调整飘带的形态，使得飘带运动形态与原始壁 画中的运动形态或者动画师预想的运动形态更为接近，并把它设为形态关键帧；
[0016] (1. 5)反复执行步骤（1. 4)，得到飘带的多个形态关键帧。
[0017] 所述步骤⑵具体为：
[0018] (2. 1)使用三次贝塞尔曲线算法，离散出飘带上的点；在各点上，沿着贝塞尔曲线 所在平面的法线方向，扩展出任意宽度；
[0019] (2. 2)将步骤（2. 1)中的飘带上的点重采样，使得曲线方向上相邻点等距分布；
[0020] (2. 3)将长度方向上相邻的点与宽度方向上的点迭代建立为面，构建网格模型；
[0021] (2. 4)按照网格顶点的顺序，自动设置每个面上顶点的纹理坐标；并根据面的法 向与视线的夹角，获知飘带的正反面信息，显示不同的纹理贴图，得到双面材质的飘带渲染 结果；
[0022] (2. 5)进行一次飘带运动模拟，记录碰撞点的时序位置信息；
[0023] (2. 6)在后续的计算中，对于步骤（2. 5)中的碰撞点，重复其时序位置，对于飘带 网格的其余顶点，附加初始的控制力和速度这两个参数，通过布料模拟来确定其运动；
[0024] (2. 7)将逆向计算控制力和速度这两个参数转化为一个优化问题，通过迭代计算 和更新控制力和速度这两个参数，使得物理模拟产生的飘带形态与目标形态关键帧的飘带 形态之间的差异最小化，控制力和速度这两个参数逆向计算作为一个优化问题，其目标方 程是：
[0025]
【权利要求】
1. 一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法，其特征在于，包含以下步骤： (1) 在场景中，根据原始壁画内容，交互绘制出飘带的多个形态关键帧； (2) 使用关键帧约束，建立符合飘带运动规律的优化目标方程，逆向求解飘带运动的物 理参数，根据步骤1中的形态关键帧，每两帧间，前一帧作为初始形态关键帧，后一帧作为 目标形态关键帧，基于满足飘带运动规律的目标方程进行优化计算，将求解出的控制力和 速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模拟中，使飘带运动趋向目标形态关键帧； (3) 反复执行步骤（1)以及步骤（2)，绘制得到敦煌飞天形象的飘带动画。
2. 根据权利要求1所述的一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法，其特征在于， 所述步骤（1)具体为： (1. 1)将预先绑定骨骼的飞天人物的三维网格模型导入场景。 (1.2)将符合骨骼规格的姿态运动数据赋给步骤（1. 1)中的飞天人物的三维网格模 型，驱动飞天人物的运动。 (1. 3)在步骤（1. 1)的场景中，以贝塞尔曲线形式绘制飘带形状，将飘带摆在人物网格 模型的肩部位置。 (1. 4)选择时间轴的任意一帧，交互调整飘带的形态，使得飘带运动形态与原始壁画中 的运动形态或者动画师预想的运动形态更为接近，并把它设为形态关键帧。 (1.5) 反复执行步骤（1.4)，得到飘带的多个形态关键帧。
3. 根据权利要求1所述的一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法，其特征在于， 所述步骤（2)具体为： (2. 1)使用三次贝塞尔曲线算法，离散出飘带上的点；在各点上，沿着贝塞尔曲线所在 平面的法线方向，扩展出任意宽度； (2. 2)将步骤（2. 1)中的飘带上的点重采样，使得曲线方向上相邻点等距分布； (2. 3)将长度方向上相邻的点与宽度方向上的点迭代建立为面，构建网格模型； (2. 4)按照网格顶点的顺序，自动设置每个面上顶点的纹理坐标；并根据面的法向与 视线的夹角，获知飘带的正反面信息，显示不同的纹理贴图，得到双面材质的飘带渲染结 果； (2. 5)进行一次飘带运动模拟，记录碰撞点的时序位置信息； (2.6) 在后续的计算中，对于步骤（2.5)中的碰撞点，重复其时序位置，对于飘带网格 的其余顶点，附加初始的控制力和速度这两个参数，通过布料模拟来确定其运动； (2. 7)将逆向计算控制力和速度这两个参数转化为一个优化问题，通过迭代计算和更 新控制力和速度这两个参数，使得物理模拟产生的飘带形态与目标形态关键帧的飘带形 态之间的差异最小化，控制力和速度这两个参数逆向计算作为一个优化问题，其目标方程 是：
其中，X是模拟飘带网格顶点的位置，v是模拟飘带网格顶点的速度，u是求解的飘带 网格顶点附加控制力；x#是目标飘带网格顶点的位置，/是目标飘带网格顶点的速度，?是 所有网格顶点的u的均值；α、β是速度优化及控制力优化的参数，Q是物理状态q在整个 时间序列的集合，设定飘带的网格顶点个数为m，将顶点在第η帧的物理状态（速度、位置） 记为qn = <vn，xn> ;xn是模拟飘带网格顶点在第η帧的位置，< 是目标飘带网格顶点在第η 帧的位置，νη是模拟飘带网格顶点在第η帧的速度，< 是目标飘带网格顶点在第η帧的速 度，11 11表示范式； (2. 8)计算目标方程的函数值，并通过伴随法求解目标方程的梯度，使用拟牛顿算法优 化求解，得到控制力和速度这两个参数，替换步骤（2.6)中飘带网格顶点的初始的控制力 和速度这两个参数，执行步骤（2. 6)，不断迭代，直到目标方程的函数值或多次迭代的变化 值小于一个阈值； (2.9)将步骤（2.8)求解得到的控制力和速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模 拟中，使飘带运动从初始形态关键帧在优化意义下趋向目标形态关键帧。
【文档编号】G06T13/00GK104156995SQ201410338564
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】耿卫东, 肖聃, 冯玲珑 申请人:浙江大学