拟人角色风格化运动生成研究

The 3D human-like character is the soul of the 3D animations and games. The efficiency and quality of character animation production play a significant role in the success of those works.Due to the distinctive features on their appearances, 3D human-like characters are usually driven by motions with corresponding styles. However, directly applying traditional motion editing approach to human-like character will result in two problems: 1) self-intersection and footprint constraints destruction caused by appearance variety. 2)the matching of motion style and appearance departing from traditional cognition. Therefore, based on engineering experience and research works, stylized motion generation of 3D human-like character is presented. 1) In order to build a hard constraint model based on space-time consistency the motion data and mesh model of human-like character are combined. 2) Physical properties such as balance, momentum, torque are taken into account. And the shape of mesh is integrated as parameters. Then the motion style is formalized to a soft constraint model based on physical simulation. 3) Combining hard constraint with soft constraint to explore the joint solving of multi-constrant model for kinematics. 4) By further refining, style templates are classified and a open platform for the research and experiments on stylized motions is built. The platform provides the experiment design interface of motion style templates to researchers, and the blending interface of a set of motion styles to animators. finally a swarm intelligent solution is formed. As a result, an efficient solution to stylized motion generation of 3D human-like characters is proposed to animation industry.

三维拟人角色是主流动画游戏作品的灵魂，角色动画的制作效率和质量对作品的成败举足轻重。由于三维拟人角色造型特征鲜明，其运动通常被赋予相应的典型风格。然而传统运动编辑方法直接运用于拟人角色将导致两类问题：1）外形变化引起的自相交和足迹约束破坏；2）运动风格与外形关联性不符合习惯认知。因此基于前期工程实践及科研积累提出拟人角色风格化运动生成研究这一课题：1）结合拟人角色的运动数据和网格模型，建立基于时空一致性的硬约束模型；2）使用平衡、动量、扭矩等物理属性，并引入外形网格作为参数，将运动风格形式化为基于物理模拟的软约束模型；3）结合硬约束与软约束，探索运动学中多约束模型联合求解问题；4）通过进一步凝炼，定义风格模板的分类构成，形成开放式拟人角色风格化运动研究与实验平台，对研究者开放风格模板的实验设计，对动画设计师开放多风格的叠加测试，形成群智解决方案。为拟人角色风格化运动提供一种高效的创作途径。

本项目针对传统运动编辑方法应用于三维拟人动画角色产生的问题，提出一种拟人角色风格化化运动的生成思路，分为硬约束求解、拟人角色运动物理生成方法、拟人角色风格化运动生成方法三个主要部分。. 作为准备工作，课题组首先采集了大量风格化运动数据，搭建物理仿真引擎，并且将该运动数据库公开。在硬约束求解部分，利用角色动画的 Sphere-OBB 包围盒快速碰撞检测算法解决拟人动画角色的风格化外形所带来的模型动画视觉错误，并通过足迹检测及IK算法解决拟人动画角色足部穿地的问题。在拟人角色运动物理生成方法部分，首先基于物理方法生成人体运动，再通过重定向将风格化运动赋予拟人动画角色，从而获取拟人运动角色的运动。在拟人角色风格化运动生成方法部分，提出了一种面向多骨骼及多风格的行走运动控制器。在获得不同骨骼的风格化运动后，再重定向到拟人动画角色上，即可获得拟人角色的风格化运动。另外作为基于物理参数的风格化运动生成方法的补充，课题组也研究了基于风格模板及深度神经网络的风格化方法。. 另外，考虑到除拟人角色外，四足动物也是重要的动画角色，因此为了应用的完整性，在整个项目执行期间课题组同样研究了四足动物的风格化运动方法，包括四足动物的异构重定向、四足动物的运动生成、四足动物的风格化模板等。在项目应用方面研究了可活动关节拟人角色的3D打印，为项目的产业化推广做了铺垫。. 本项目执行期间共发表论文40篇，其中SCI索引论文5篇，EI索引论文14篇，授权国家发明专利6项，受理5项，获得软件著作权1项，参加国内会议10场、国际会议4场，主办国内会议5场、国际会议1场；与企业合作技术相关项目2项。通过该项目的研究，培养了博士生6名，硕士15名，团队一名青年教师获得国家自然基金，使得团队在计算机动画研究问题更加明确，研究内容更加深入。. 与本项目的预期研究计划相比，基本按照预期目的取得了较为满意的成果，为拟人角色及四足动物的风格化运动生成提供了一条可行的思路。