骨骼蒙皮动画的真实感处理技术研究

作     者：陈玉龙 

作者单位：南京师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庞明勇

授予年度：2017年

学科分类：0401[教育学-教育学] 04[教育学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 040101[教育学-教育学原理] 

主      题：骨骼蒙皮动画 真实感 网格变形 法向 光照计算 三维计算机动画 

摘      要：随着教育技术的发展,教育领域出现了许多新兴技术的应用,如虚拟现实教育应用、增强现实教育应用、教育大数据应用、人工智能教育应用等.其中,虚拟现实教育应用和增强现实教育应用离不开骨骼蒙皮动画技术的支持,骨骼蒙皮动画是一种动画生成技术,被广泛应用在虚拟现实教育游戏、虚拟现实教育软件中,真实感强的骨骼蒙皮动画可以帮助开发者制作出更具真实感的虚拟现实教育应用,影响骨骼蒙皮动画真实感的因素有很多,本文主要从变形和光照两方面研究增强骨骼蒙皮动画的真实感,具体内容包括骨骼蒙皮动画的自动生成、骨骼驱动的网格变形和真实感光照计算.1.骨骼蒙皮动画的自动生成.给定一个三维网格模型,根据网格模型的几何特征嵌入符合网格模型拓扑结构的骨架,然后运用热扩散平衡法或者骨骼投影法计算网格顶点的权重,再获取每块骨骼的运动数据,运用线性混合蒙皮算法计算网格模型的运动或变形,最后进行光照贴图.2.骨骼驱动的网格变形算法实现与分析.实时网格变形技术主要有几何蒙皮变形、基于实例的变形、基于物理仿真的变形、基于隐式建模思想的变形、基于点的变形等.在利用GPU编程实现几何蒙皮变形算法的基础上,改善对偶四元数骨骼蒙皮变形.首先计算初始时刻顶点到最近骨骼或关节点的距离,然后在关键帧时刻再次计算顶点到原最近骨骼或关节点的距离,比较、适当缩放顶点到骨骼或关节点的距离来消除对偶四元数骨骼蒙皮变形的过度膨胀问题.3.真实感光照计算.为了降低运算的复杂度、满足实时高效渲染的需求,在大型教育游戏引擎中,光照计算使用较多的是基于线性混合蒙皮动画的估算法,这导致光照计算误差,严重影响用户对图形的真实感知.为此,提出一种适合线性混合蒙皮动画的真实感光照计算方法,该方法首先采用精确方法计算顶点局部变形的雅可比矩阵,并将权重梯度平均化,然后通过降低运算复杂度的方法确定顶点法向,最后采用点乘的凹凸映射光照模型来生成光照效果.实验结果表明,该方法使线性混合蒙皮动画具有真实的光照效果,同时解决了数值变换不稳定的问题.最后,本文提出一种适合对偶四元数骨骼蒙皮动画的自适应光照处理方法,首先将网格模型表面顶点划分为关节处、非关节处刚性及非关节处柔性三个区域,其次矫正关节处区域网格顶点的法向,再次用估算方法计算非关节处刚性区域顶点法向,然后用精确方法计算非关节处柔性区域顶点法向,最后通过降低运算复杂度的方法提高数值稳定性.实验结果表明,该方法能减少关节处区域和非关节处柔性区域的光照着色误差.