一种基于三视图的2.5维卡通动画自动生成方法
【专利摘要】本发明公开一种由三视图数据自动生成2.5维卡通动画的方法。对于卡通对象上的任一条曲线，本方法在正视、侧视、俯视图上各定义一条曲线与之对应，并建立它们之间的关联关系；确定各视图中不同曲线间的深度大小；利用对称关系，扩展三视图；为卡通对象建立球坐标系，将用户输入的视点按球坐标系分解为水平方位角θx、仰角θy与极径r；基于θx并通过插值方法，由水平方位角相同的两关键视图得到方位角视图，并确定方位角视图上各曲线的深度关系；再根据θy，由θx插值获得的两方位角视图以及相关深度信息，得到当前视点下的视图；通过连续移动视点和极径r，生成连续变化的2.5维动画。本发明方法原理简单，易于实现，且动画生成效果较好。
【专利说明】-种基于三视图的2. 5维卡通动画自动生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开一种基于卡通对象三视图数据来自动生成2. 5维卡通动画的方法，属 于计算机动画【技术领域】，尤其涉及一种2. 5维卡通动画的自动生成方法。
【背景技术】
[0002] 在计算机动画领域，卡通动画制作的方法可分为以下三种：逐帧动画、关键帧动画 和骨骼动画。
[0003] 帧是指动画中最小单位的单幅影像，相当于电影胶片上的每一格画面，在动画软 件的时间轴上帧表现为一格。逐帧动画技术对动画中每一帧的内容进行逐个编辑，并按照 时间顺序依次生成各个动画帧画面。该方法仿真性能好、自由度大，但动画设计师的工作量 巨大。
[0004] 关键帧动画是指在动画制作中，设计人员只负责设计动画的关键性画面，由计算 机通过插值计算生成中间的过渡帧，进而完成动画的制作。关键帧技术是计算机动画中最 基本并且运用最广泛的方法。二维的关键帧动画要求用户输入关键性的二维画面，因此，只 能模拟二维空间的运动变化不具有立体效果。在三维关键帧动画中用户不仅输入关键性的 画面，还需要输入对象的位置、旋转角、纹理等信息，通过建立对应的网格模型，插值计算实 现三维内的动画效果；该动画的生成过程中，计算机需要不断计算网格模型的变化，因此计 算量较大，且动画设计师需要手动设定对象位置等信息，增加了动画制作的难度。
[0005] 在骨骼动画（参见：戚军，专利"一种骨骼动画的实现方法"，申请号： CN201110362515. 2)技术中，动画模型由两个部分组成：一部分是用层次结构表示的一系 列骨骼，即骨架，每一个骨骼数据都包含其自身的动画数据；另一部分是蒙在骨架上的皮 肤，即网格模型，用于提供动画绘制所需要的几何模型和纹理材质信息。动画师通过控制骨 架的运动，来驱动皮肤运动和变化生成骨骼动画。在生成动画的过程中，该方法仅存储某一 时刻骨骼的位置信息，并且多个皮肤可以共享相同骨骼以生成动画，因而占用空间小；不足 之处在于骨骼动画渲染时涉及大量的网格计算，因此耗时长，更新速度较慢。
[0006] 2. 5维卡通动画属于关键帧动画中的一种，Yeh等人提出了双面2. 5维图形动画技 术（参见：Yeh C K 等，Double-sided 2. 5D graphics, Transactions on Graphics, 2013, 19(2) :225-235)，通过在平面上连续移动物体正反面的纹理来产生旋转、折叠、扭曲等伪三 维效果；该方法可以实现较为逼真的三维效果，但仅能模拟特定物体的水平旋转、折叠与扭 曲操作，无法实现三维空间中任意角度的旋转。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种基于三视图的2. 5维卡通动画自动生成方法，该方法 中的2. 5维卡通动画生成技术与双面2. 5维动画技术不同。在本发明方法中，用户仅需要 输入卡通形体的三视图数据，系统可自动生成任一视点视图，模拟三维空间中任意角度的 旋转。与传统的二维、三维动画相比，2. 5维卡通动画生成的过程中，计算机不生成相应的三 维网格。因此，生成的2. 5维动画既具有二维动画的数据量小、易处理、风格化等特点，又具 有三维视觉特性，可模拟在三维环境中任意视点运动。
[0008] 本发明一种基于三视图的2. 5维卡通动画自动生成方法，其步骤是：
[0009] a.定义用来描述三维卡通形体的正视图、侧视图、俯视图，其中：每个视图均由一 组曲线构成，而每条曲线又由一组有序的平面控制点来定义；
[0010] b.建立三视图中关联曲线的平面控制点对应关系：指定不同视图中描述空间卡 通形体上同一特征的曲线之间的关联关系；并建立三视图中关联曲线平面控制点的一一对 应；
[0011] C.建立卡通形体的球坐标系：当前视点P在该球坐标系中表示为（r，θ χ，Θ y)，其 中，θ χ为水平方位角，〇 < θ χ < 2 π，Θ y为仰角，〇 < Θ y < Ji ;以该坐标原点为球心、r为 半径建立观察球面，观察球面上的任意一点均称为视点；
[0012] d.建立观察球面与平面矩形参数域的对应关系，S卩：对于观察球面上的任一视点 均在平面矩形参数域中有且仅有唯一的点与之相对应，平面矩形参数域与观察球面的半径 r无关，仅与方位角及仰角有关；
[0013] e.确定关键视点的视图：关键视点是指方位角θ χ为/2的整数倍且仰角Θ y为 π /2、0或-π /2时，θ χ与Θ y的组合所确定的视点；利用轴对称与旋转对称关系计算所有 的关键视点视图；
[0014] f.确定与当前视点关联的四个关键视点：对于观察球面上的任一视点，首先找出 其在平面矩形参数域中的对应视点；由对应视点所属的区域，确定当前视点关联的四个关 键视点；
[0015] g.计算水平方向的中间视图：利用插值方法，由水平方位角相等的两关键视图计 算方位角为θχ时的中间视图1\、T 2，并指定中间视图中各曲线的深度值关系；
[0016] h.计算坚直方向的中间视图：由步骤h计算获得的两中间视图^，根据仰角0y 通过插值方法得到当前视点视图T，并指定该视图中各曲线之间的深度值关系；
[0017] i.生成2.5维动画：连续变化视点以及观察球面半径r，输出变化视点下的图像 帧，生成2. 5维卡通动画。
[0018] 本发明方法相对于现有技术，具有如下优点：
[0019] (1)本发明2. 5维动画的生成过程中，用户仅需要输入卡通形体的三视图信息，系 统自动生成相应的2. 5维动画。相比传统的关键帧动画，该方法计算量小，更新速度快，相 比双面2. 5维图形动画，本文方法可模拟任意角度的旋转，且效果良好。
[0020] (2)将3维旋转运动分解为水平方向和坚直方向的运动，首先计算水平方向的中 间视图，再在该基础上计算坚直方向的视图，最终获得任意视点的视图。该分解方法使得 2. 5维卡通模型的建立过程更加简单，过程更易理解与执行，有效的降低了计算机的计算 量。
[0021] (3)通过建立观察球面，不仅实现了对卡通形体任意角度的观察，同时还可以调整 视点到形体的距离，实现不同远近距离观察的效果。
[0022] (4)本发明方法原理简单，易于实现，且动画生成效果较好。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1 一种基于三视图的2. 5维卡通动画自动生成流程图；
[0024] 图2卡通形体a)正视图、b)侧视图、c)俯视图；
[0025] 图3三视图中一组具有关联关系的曲线：a)、b)、c)分别为正、侧、俯视图中表示卡 通形体左侧眼睛的曲线；
[0026] 图4曲线平面控制点参数域合并示意图；
[0027] 图5平面矩形参数域；
[0028] 图6所有关键视点视图；
[0029] 图7a)、b)为对称计算曲线的前后图像；
[0030] 图8a)、b)为沿z轴旋转计算曲线的前后图像；
[0031] 图9当前视点视图生成过程；
[0032] 图10三维旋转过程中锚点的投影；
[0033] 图11水平方位角变化时锚点的投影变化；
[0034] 图12仰角变化时锚点的投影变化；
[0035] 图13视角θ χ = 〇°到90° , Θ y = 〇°时变化卡通动画关键巾贞示意图；
[0036] 图14视角θ χ = 〇°，Θ y = 〇°到90°时变化卡通动画关键巾贞示意图。
【具体实施方式】
[0037] 为了更清楚地阐述本发明的技术方案，下面结合附图和实例，对本发明做详细说 明。
[0038] 如附图1所示，一种基于三视图的2. 5维卡通动画自动生成方法，其具体实施步骤 如下：
[0039] 1.定义用来描述三维卡通形体的三视图。
[0040] 定义描述三维卡通形体的正视图G1、侧视图G2、俯视图6 3(如附图2所示），其 中，每个视图GiQ = 1，2,3)均由一组曲线ig}构成，这里j = 1，2, Λ，Ν(Ν为视图Gi中 所含曲线的条数，三个视图中的曲线数相同）；每条曲线^又由一组有序的平面控制点 W S B妒}来定义，其中Nu为曲线g的平面控制点数目。
[0041] 2.建立三视图中关联曲线的平面控制点对应关系。
[0042] 首先，指定不同视图Gi中描述空间卡通形体上同一特征的曲线之间的关联关系。 不失一般性，通过重新排列顺序，使g、C〗、C；为一组关联的曲线。如附图 3所示，<、 g、分别为正、侧、俯视图中表示卡通形体左侧眼睛的曲线，建立这三个曲线之间的关 联关系。
[0043] 其次，建立三视图中关联曲线的平面控制点一一对应关系。
[0044] 将正视图中某一曲线C!(源曲线s)与侧视图中曲线C,2 (目标曲线t)建立对应 关系，即源曲线中的每个控制点在目标曲线中均有对应的控制点，如附图4所示。
[0045] (1)计算曲线上各控制点的参数值。首先，根据各顶点之间的距离，获得曲线的近 似长度；在此，如果源曲线或目标曲线为封闭曲线，则人为指定曲线的起止点，且起止点在 源、目标曲线中位置互相对应。其次，计算各控制点P i到曲线起点Vtl的距离与曲线长度的 比值，该比值即为控制点的参数值，具体过程如附图4所示。两轮廓的起始点分别对应参数 点％和Iv控制点的参数值为控制点Pi到起始点Vtl的距离长度和曲线长度的比值 ri，公式 为：
【权利要求】
1. 一种基于H视图的2. 5维卡通动画自动生成方法，其步骤是： a.定义用来描述H维卡通形体的正视图、侧视图、俯视图，其中；每个视图均由一组曲 线构成，而每条曲线又由一组有序的平面控制点来定义； b. 建立H视图中关联曲线的平面控制点对应关系；指定不同视图中描述空间卡通形 体上同一特征的曲线之间的关联关系；并建立H视图中关联曲线平面控制点的一一对应； C.建立卡通形体的球坐标系；当前视点P在该球坐标系中表示为（r，0,，0y)，其中， 白y为水平方位角，〇《0y为仰角，〇《JI 该坐标原点为球也、r为半 径建立观察球面，观察球面上的任意一点均称为视点； d. 建立观察球面与平面矩形参数域的对应关系，即；对于观察球面上的任一视点均在 平面矩形参数域中有且仅有唯一的点与之相对应，平面矩形参数域与观察球面的半径r无 关，仅与方位角及仰角有关； e. 确定关键视点的视图；关键视点是指方位角0y为n/2的整数倍且仰角0y为n/2、 0或-n/2时，0 ,与0y的组合所确定的视点；利用轴对称与旋转对称关系计算所有的关 键视点视图； f. 确定与当前视点关联的四个关键视点：对于观察球面上的任一视点，首先找出其在 平面矩形参数域中的对应视点；由对应视点所属的区域，确定当前视点关联的四个关键视 占. ；、、、? g. 计算水平方向的中间视图：利用插值方法，由水平方位角相等的两关键视图计算方 位角为e y时的中间视图Ti、T,，并指定中间视图中各曲线的深度值关系； h. 计算竖直方向的中间视图；由步骤h计算获得的两中间视图Ti、T2,根据仰角0y通 过插值方法得到当前视点视图T，并指定该视图中各曲线之间的深度值关系； i. 生成2. 5维动画；连续变化视点W及观察球面半径r，输出变化视点下的图像峽，生 成2. 5维卡通动画。
【文档编号】G06T13/00GK104463933SQ201410617736
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】王晶晶, 庞明勇 申请人:南京师范大学