一种数据驱动的交互式三维动画合成方法及系统技术方案

本发明专利技术提出一种数据驱动的交互式三维动画合成方法及系统，该方法包括输入具有相同网格拓扑的模型库，对所述模型库中的模型进行分块简化，生成简化模型，并记录所述模型的片面与原始模型的面片之间的对应关系，获取所述简化模型的特征向量，组成所述简化模型的特征向量空间；给定需要进行合成的初始模型S与终点模型T，根据所述对应关系，获取简化模型的初始模型S’与终点模型T’，通过计算所述初始模型S’与所述终点模型T’所在流形上的测地线路径，获取从所述始模型S’与所述终点模型T’的模型序列M’，根据所述对应关系，依次计算所述初始模型S’与所述终点模型T’的局部坐标架与顶点坐标，得到从原始初始模型S与终点模型T上的模型序列M。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数字媒体
，特别涉及一种数据驱动的交互式三维动画合成方法及系统。
技术介绍
模型渐变技术是指在给定的一对起始和终止模型作为输入，来生成一组自然并符合客观规律的模型渐变序列，这种技术是三维动画产业中的关键技术。现有的方法在生成模型渐变序列时均采用插值技术，其区别主要在于选取参数空间不同，这类方法可以处理输入模型差距不大的情况，通过线性插值便得到较自然合理的模型渐变序列，但由于采用对坐标直接线性插值的方法，当输入模型差距较大时便会产生自交、扭曲变形等情况，Alexa在2003年的工作“Differential coordinates for local mesh morphing and deformation”操作局部微分坐标对模型进行编辑以及生成渐变序列，Alexa等人在2004年的工作“As-rigid-as possible shape interpolation”首先计算四面体网格的变形梯度，然后在梯度域进行插值来得到渐变序列，该方法只适用于四面体网格，Xu等人在2006年的工作“Possion shape interpolation”通过在梯度域进行插值生成新的梯度，然后通过求解泊松方程来得到模型渐变序列，Huang等人在2008年的工作“Non-rigid registration under isometric deformations”将所有的待插值的模型作为一个整体优化的未知变量，该优化的目标是保持中间模型的帧间连续性以及保持插值模型进行局部刚体变换，求解该优化的时间开销与空间开销随中间插值模型规模的增加而增加，Baran等人在2009年的工作“Semantic deformation transfer”中提出了一种基于分块的线性旋转无关(LRI)的方法来得到模型的特征向量，并记录分块的邻接关系以及面片与分块之间的从属关系。这种表示可以对模型更有效的混合并生成更鲁棒的结果，分块之后使得算法求解更高效。上述这些方法是非数据驱动的，并没有通过模型集合分析模型自身的形变规律，往往会产生不合理的渐变效果，Gao等人在2013年的工作“A
data-driven approach to realistic shape morphing.”中提出了一种通过分析模型库，并通过优化求解线性子空间的最短路问题来生成渐变序列的方法，该方法依然是在模型的欧式空间的坐标域进行分析，当模型库的分布不够稠密时，会产生自交等不合理形变的情况，同时该方法不提供一种用户编辑渐变序列的工具。专利技术专利“数据驱动的模型渐变方法”，该专利技术公开了一种数据驱动的模型渐变方法，包括：S1：输入具有相同网格拓扑的模型库；S2：通过保持模型局部刚性的方法对S1中的模型库中的模型进行上采样；S3：对上采样后模型库进行聚类得到变形子空间；S4：给定需要进行渐变变形的初始模型S和终点模型T，根据对应关系，在保持局部细节的情况下进行变形得到模型S’和T’；S5：通过求解一个二次整数优化可以得到一个从S’到T’的模型序列M’；S6：通过迁移模型序列上M’内的模型上每个面片的刚体变换并求解一个泊松方程，可以得到一组新的从S到T上的模型序列；S7：通过高斯插值局部刚性能量的方式得到最终的渐变序列。该专利技术的方法可以生成更加真实自然的模型渐变序列，但是该专利技术提出了一种在模型的欧式空间的坐标域进行分析，并通过优化求解线性子空间的最短路问题来生成渐变序列的方法同时该专利技术不提供一种用户编辑渐变序列的工具，本专利技术通过旋转平移无关的特征对模型库进行分析，并引入了一种可视化的工具方便用户对渐变序列进行编辑。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种数据驱动的交互式三维动画合成方法及系统。本专利技术提出一种数据驱动的交互式三维动画合成方法，包括：步骤1，输入具有相同网格拓扑的模型库，对所述模型库中的模型进行分块简化，生成简化模型，并记录所述模型的片面与原始模型的面片之间的对应关系，获取所述简化模型的特征向量，组成所述简化模型的特征向量空间；步骤2，给定需要进行合成的初始模型S与终点模型T，根据所述对应关系，获取初始模型S’与终点模型T’，通过计算所述始模型S’与所述终点模型T’所在流形上的测地线路径，获取从所述始模型S’与所述终点模型T’的模型序列M’，根据所述对应关系，依次计算所述始模型S’与所述终点模型T’的局部坐标架与顶点坐标，获得从原始初始模型S与所述终点模型T上
的模型序列M。步骤3，通过在交互编辑界面选中测地线路径上的某一点，查看所述某一点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型，通过交互并选取其中一个模型作为通过路径的约束条件，获取新的模型序列M_new。所述步骤2包括步骤21：通过迪杰斯特拉方法在所述始模型S’与所述终点模型T’所在的流形上计算出的测地线路径作为初值；步骤22：通过计算二次优化求解能量式获取经过特征向量空间中的初始模型S’与终点模型T’；步骤23：依次迭代所述步骤21与所述步骤3，直至得到用户满意的模型渐变序列。所述步骤2还包括步骤24：根据所述模型序列M’，以及所述对应关系，获取所述原始模型的局部坐标架；步骤25：根据所述局部坐标架计算线性方程，获取所述始模型S’与所述终点模型T’的顶点坐标。还包括步骤4，通过主成分分析的方法将初始模型S’与终点模型T’所在的高维流形空间降维至二维平面，方便用户操作并生成所需要的模型序列，并直观的展示模型序列。本专利技术还提出一种数据驱动的交互式三维动画合成系统，包括：简化模块，用于输入具有相同网格拓扑的模型库，对所述模型库中的模型进行分块简化，生成简化模型，并记录所述模型的片面与原始模型的面片之间的对应关系，获取所述简化模型的特征向量，组成所述简化模型的特征向量空间；合成序列模块，用于给定需要进行合成的初始模型S与终点模型T，根据所述对应关系，获取初始模型S’与终点模型T’，通过计算所述始模型S’与所述终点模型T’所在流形上的测地线路径，获取从所述始模型S’与所述终点模型T’的模型序列M’，根据所述对应关系，依次计算所述始模型S’与所述终点模型T’的局部坐标架与顶点坐标，获得从原始初始模型S与所述终点模型T上的模型序列M。还包括获取新序列模块，用于通过在交互编辑界面选中测地线路径上的某一点，查看所述某一点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型，通过交互并选取其中一个模型作为通过路径的约束条件，获取新的模型序列M_new。所述合成序列模块包括计算测地线路模块：用于通过迪杰斯特拉方法在所
述始模型S’与所述终点模型T’所在的流形上计算出的测地线路径作为初值；优化测地线模块：用于通过计算二次优化求解能量式获取经过特征向量空间中的初始模型S’与终点模型T’；迭代模块：用于通过迭代所述合成序列模块与所述获取新序列模块，直至得到用户满意的模型渐变序列。所述合成序列模块还包括获取局部坐标架模块：用于根据所述模型序列M’，以及所述对应关系，获取所述原始模型的局部坐标架；获取顶点坐标模块：用于根据所述局部坐标架计算线性方程，获取所述始模型S’与所述终点模型T’的顶点坐标。还包括展示模块，用于通过主成分分析的方法将初始模型S’与终点模型T’所在的高维流形空间降维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数据驱动的交互式三维动画合成方法，其特征在于，包括：步骤1，输入具有相同网格拓扑的模型库，对所述模型库中的模型进行分块简化，生成简化模型，并记录所述模型的片面与原始模型的面片之间的对应关系，获取所述简化模型的特征向量，组成所述简化模型的特征向量空间；步骤2，给定需要进行合成的初始模型S与终点模型T，根据所述对应关系，获取初始模型S’与终点模型T’，通过计算所述始模型S’与所述终点模型T’所在流形上的测地线路径，获取从所述始模型S’与所述终点模型T’的模型序列M’，根据所述对应关系，依次计算所述始模型S’与所述终点模型T’的局部坐标架与顶点坐标，获得从原始初始模型S与所述终点模型T上的模型序列M。

【技术特征摘要】
1.一种数据驱动的交互式三维动画合成方法，其特征在于，包括：步骤1，输入具有相同网格拓扑的模型库，对所述模型库中的模型进行分块简化，生成简化模型，并记录所述模型的片面与原始模型的面片之间的对应关系，获取所述简化模型的特征向量，组成所述简化模型的特征向量空间；步骤2，给定需要进行合成的初始模型S与终点模型T，根据所述对应关系，获取初始模型S’与终点模型T’，通过计算所述始模型S’与所述终点模型T’所在流形上的测地线路径，获取从所述始模型S’与所述终点模型T’的模型序列M’，根据所述对应关系，依次计算所述始模型S’与所述终点模型T’的局部坐标架与顶点坐标，获得从原始初始模型S与所述终点模型T上的模型序列M。2.如权利要求1所述的数据驱动的交互式三维动画合成方法，其特征在于，还包括步骤3，通过在交互编辑界面选中测地线路径上的某一点，查看所述某一点所对应的模型在特征空间上相近的4个模型，通过交互并选取其中一个模型作为通过路径的约束条件，获取新的模型序列M_new。3.如权利要求1或2所述的数据驱动的交互式三维动画合成方法，其特征在于，所述步骤2包括步骤21：通过迪杰斯特拉方法在所述始模型S’与所述终点模型T’所在的流形上计算出的测地线路径作为初值；步骤22：通过计算二次优化求解能量式获取经过特征向量空间中的初始模型S’与终点模型T’；步骤23：依次迭代所述步骤21与所述步骤3，直至得到用户满意的模型渐变序列。4.如权利要求1所述的数据驱动的交互式三维动画合成方法，其特征在于，所述步骤2还包括步骤24：根据所述模型序列M’，以及所述对应关系，获取所述原始模型的局部坐标架；步骤25：根据所述局部坐标架计算线性方程，获取所述始模型S’与所述终点模型T’的顶点坐标。5.如权利要求1所述的数据驱动的交互式三维动画合成方法，其特征在于，还包括步骤4，通过主成分分析的方法将初始模型S’与终点模型T’所在的高维流形空间降维至二维平面，方便用户操作并生成所需要的模型序列，并直观的展示模型序列。6.一种数据驱动的交互式三维动画合成系统，其特征在于，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：高林，夏时洪，陈姝宇，
申请(专利权)人：中国科学院计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11