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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。而且它还广泛应用于很多视频游戏、电视剧和电影中。Lake等最先公开描述了 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 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或2维 纹理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 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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果是本专利技术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。 本专利技术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。 本专利技术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。附图说明图1是的流程图； 图2是原始艺术作品图像；图3中，(a)是本专利技术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)是本专利技术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是本专利技术光照球模型法向与模型法向对应关系；6图7是本专利技术利用光照球模型着色绘制后的人物模型图像； 图8是本专利技术应用光照球模型绘制的人物动画序列。具体实施例方式本专利技术，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= 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。 本专利技术，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：耿卫东，李响，徐筠，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]