一種針對敦煌飛天形象的飄帶動畫制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種針對敦煌飛天形象的飄帶動畫制作方法。在制作飄帶動畫過程中，使用物理模擬引擎，控制飄帶運動形態(tài)的方式比較復雜，難以便捷還原出敦煌壁畫中飄帶的形態(tài)。而使用關鍵幀等方法，較好地保留了動畫師的設計意圖，但難以體現(xiàn)飄帶運動的物理特征，導致飄帶運動不真實。本發(fā)明將關鍵幀和物理模擬融合在一起。采用繪制飄帶形態(tài)關鍵幀的方法，直觀地指定敦煌壁畫中飄帶運動的形態(tài)。根據(jù)形態(tài)關鍵幀，通過逆向物理模擬計算出飄帶運動的控制力和速度這兩個參數(shù)，附加到飄帶的正向物理模擬中，從而繪制出符合敦煌飄帶形態(tài)并滿足物理運動規(guī)律的飄帶動畫。形成針對敦煌飛天形象的飄帶動畫制作的新方法。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及動畫行業(yè)中敦煌飛天形象的動畫制作方法，特別涉及一種針對敦煌飛 天形象的飄帶動畫制作方法。 -種針對敦煌飛天形象的飄帶動畫制作方法

【背景技術】
[0002] 飄帶是飛天形象的精髓，生動地展現(xiàn)了飛天的動感美。飛天動畫一般可以從動畫 形式上分為兩種類型，三維飛天動畫和二維飛天動畫。
[0003] 在三維飛天動畫中，使用柔體物理模擬引擎，模擬飄帶運動。動畫師通過調節(jié)布料 的物理屬性以及環(huán)境中的力場，對飄帶進行物理模擬，制作出飄帶運動動畫。使用物理模擬 的方法，可以保留飄帶運動的物理特征，增強運動的真實感。但是，這種通過調整物理屬性 和環(huán)境力場控制飄帶運動形態(tài)的方式，不夠直觀，在藝術表現(xiàn)力方面比較欠缺，難以準確還 原敦煌壁畫中飄帶的形態(tài)。
[0004] 在二維飛天動畫中，根據(jù)動畫師對飄帶運動規(guī)律的經(jīng)驗性理解，手工指定飄帶的 運動。動畫師通過手動繪制關鍵幀，然后對飄帶進行關鍵幀插值，繪制出飄帶運動的動畫序 列。動畫師可以直觀控制飄帶的運動形態(tài)，并可體現(xiàn)動畫師的藝術理解，相對準確地還原敦 煌壁畫中飄帶的形態(tài)。
[0005] 在目前的動畫制作軟件中，一般通過調節(jié)布料的物理屬性以及環(huán)境中的力場，繪 制飄帶的模擬動畫。對于動畫師來說，這一過程操作不夠直觀，難以控制飄帶運動形態(tài)，難 以體現(xiàn)還原敦煌壁畫中飄帶運動的藝術形態(tài)。這種手動繪制關鍵幀的方式，難以符合飄帶 運動的物理規(guī)律，繪制得到的飄帶運動動畫缺少物理真實感。


【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種針對敦煌飛天形象的飄帶動畫制 作方法，既能符合飄帶的物理運動規(guī)律，又能和壁畫中的藝術性運動形態(tài)更為接近。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：一種針對敦煌飛天形象的飄帶動畫制 作方法，包含以下步驟：
[0008] (1)在場景中，根據(jù)原始壁畫內容，交互繪制出飄帶的多個形態(tài)關鍵幀；
[0009] (2)使用關鍵幀約束，建立符合飄帶運動規(guī)律的優(yōu)化目標方程，逆向求解飄帶運動 的物理參數(shù)，根據(jù)步驟1中的形態(tài)關鍵幀，每兩幀間，前一幀作為初始形態(tài)關鍵幀，后一幀 作為目標形態(tài)關鍵幀，基于滿足飄帶運動規(guī)律的目標方程進行優(yōu)化計算，將求解出的控制 力和速度這兩個參數(shù)，附加到飄帶的正向物理模擬中，使飄帶運動趨向目標形態(tài)關鍵幀； [0010] (3)反復執(zhí)行步驟（1)以及步驟（2)，繪制得到敦煌飛天形象的飄帶動畫。
[0011] 所述步驟⑴具體為：
[0012] (1. 1)將預先綁定骨骼的飛天人物的三維網(wǎng)格模型導入場景；
[0013] (1. 2)將符合骨骼規(guī)格的姿態(tài)運動數(shù)據(jù)賦給步驟（1. 1)中的飛天人物的三維網(wǎng)格 模型，驅動飛天人物的運動；
[0014] (1. 3)在步驟（1. 1)的場景中，以貝塞爾曲線形式繪制飄帶形狀，將飄帶擺在人物 網(wǎng)格模型的肩部位置；
[0015] (1. 4)選擇時間軸的任意一幀，交互調整飄帶的形態(tài)，使得飄帶運動形態(tài)與原始壁 畫中的運動形態(tài)或者動畫師預想的運動形態(tài)更為接近，并把它設為形態(tài)關鍵幀；
[0016] (1. 5)反復執(zhí)行步驟（1. 4)，得到飄帶的多個形態(tài)關鍵幀。
[0017] 所述步驟⑵具體為：
[0018] (2. 1)使用三次貝塞爾曲線算法，離散出飄帶上的點；在各點上，沿著貝塞爾曲線 所在平面的法線方向，擴展出任意寬度；
[0019] (2. 2)將步驟（2. 1)中的飄帶上的點重采樣，使得曲線方向上相鄰點等距分布；
[0020] (2. 3)將長度方向上相鄰的點與寬度方向上的點迭代建立為面，構建網(wǎng)格模型；
[0021] (2. 4)按照網(wǎng)格頂點的順序，自動設置每個面上頂點的紋理坐標；并根據(jù)面的法 向與視線的夾角，獲知飄帶的正反面信息，顯示不同的紋理貼圖，得到雙面材質的飄帶渲染 結果；
[0022] (2. 5)進行一次飄帶運動模擬，記錄碰撞點的時序位置信息；
[0023] (2. 6)在后續(xù)的計算中，對于步驟（2. 5)中的碰撞點，重復其時序位置，對于飄帶 網(wǎng)格的其余頂點，附加初始的控制力和速度這兩個參數(shù)，通過布料模擬來確定其運動；
[0024] (2. 7)將逆向計算控制力和速度這兩個參數(shù)轉化為一個優(yōu)化問題，通過迭代計算 和更新控制力和速度這兩個參數(shù)，使得物理模擬產(chǎn)生的飄帶形態(tài)與目標形態(tài)關鍵幀的飄帶 形態(tài)之間的差異最小化，控制力和速度這兩個參數(shù)逆向計算作為一個優(yōu)化問題，其目標方 程是：
[0025]

【權利要求】
1. 一種針對敦煌飛天形象的飄帶動畫制作方法，其特征在于，包含以下步驟： (1) 在場景中，根據(jù)原始壁畫內容，交互繪制出飄帶的多個形態(tài)關鍵幀； (2) 使用關鍵幀約束，建立符合飄帶運動規(guī)律的優(yōu)化目標方程，逆向求解飄帶運動的物 理參數(shù)，根據(jù)步驟1中的形態(tài)關鍵幀，每兩幀間，前一幀作為初始形態(tài)關鍵幀，后一幀作為 目標形態(tài)關鍵幀，基于滿足飄帶運動規(guī)律的目標方程進行優(yōu)化計算，將求解出的控制力和 速度這兩個參數(shù)，附加到飄帶的正向物理模擬中，使飄帶運動趨向目標形態(tài)關鍵幀； (3) 反復執(zhí)行步驟（1)以及步驟（2)，繪制得到敦煌飛天形象的飄帶動畫。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種針對敦煌飛天形象的飄帶動畫制作方法，其特征在于， 所述步驟（1)具體為： (1. 1)將預先綁定骨骼的飛天人物的三維網(wǎng)格模型導入場景。 (1.2)將符合骨骼規(guī)格的姿態(tài)運動數(shù)據(jù)賦給步驟（1. 1)中的飛天人物的三維網(wǎng)格模 型，驅動飛天人物的運動。 (1. 3)在步驟（1. 1)的場景中，以貝塞爾曲線形式繪制飄帶形狀，將飄帶擺在人物網(wǎng)格 模型的肩部位置。 (1. 4)選擇時間軸的任意一幀，交互調整飄帶的形態(tài)，使得飄帶運動形態(tài)與原始壁畫中 的運動形態(tài)或者動畫師預想的運動形態(tài)更為接近，并把它設為形態(tài)關鍵幀。 (1.5) 反復執(zhí)行步驟（1.4)，得到飄帶的多個形態(tài)關鍵幀。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種針對敦煌飛天形象的飄帶動畫制作方法，其特征在于， 所述步驟（2)具體為： (2. 1)使用三次貝塞爾曲線算法，離散出飄帶上的點；在各點上，沿著貝塞爾曲線所在 平面的法線方向，擴展出任意寬度； (2. 2)將步驟（2. 1)中的飄帶上的點重采樣，使得曲線方向上相鄰點等距分布； (2. 3)將長度方向上相鄰的點與寬度方向上的點迭代建立為面，構建網(wǎng)格模型； (2. 4)按照網(wǎng)格頂點的順序，自動設置每個面上頂點的紋理坐標；并根據(jù)面的法向與 視線的夾角，獲知飄帶的正反面信息，顯示不同的紋理貼圖，得到雙面材質的飄帶渲染結 果； (2. 5)進行一次飄帶運動模擬，記錄碰撞點的時序位置信息； (2.6) 在后續(xù)的計算中，對于步驟（2.5)中的碰撞點，重復其時序位置，對于飄帶網(wǎng)格 的其余頂點，附加初始的控制力和速度這兩個參數(shù)，通過布料模擬來確定其運動； (2. 7)將逆向計算控制力和速度這兩個參數(shù)轉化為一個優(yōu)化問題，通過迭代計算和更 新控制力和速度這兩個參數(shù)，使得物理模擬產(chǎn)生的飄帶形態(tài)與目標形態(tài)關鍵幀的飄帶形 態(tài)之間的差異最小化，控制力和速度這兩個參數(shù)逆向計算作為一個優(yōu)化問題，其目標方程 是：
其中，X是模擬飄帶網(wǎng)格頂點的位置，v是模擬飄帶網(wǎng)格頂點的速度，u是求解的飄帶 網(wǎng)格頂點附加控制力；x#是目標飄帶網(wǎng)格頂點的位置，/是目標飄帶網(wǎng)格頂點的速度，?是 所有網(wǎng)格頂點的u的均值；α、β是速度優(yōu)化及控制力優(yōu)化的參數(shù)，Q是物理狀態(tài)q在整個 時間序列的集合，設定飄帶的網(wǎng)格頂點個數(shù)為m，將頂點在第η幀的物理狀態(tài)（速度、位置） 記為qn = <vn，xn> ;xn是模擬飄帶網(wǎng)格頂點在第η幀的位置，< 是目標飄帶網(wǎng)格頂點在第η 幀的位置，νη是模擬飄帶網(wǎng)格頂點在第η幀的速度，< 是目標飄帶網(wǎng)格頂點在第η幀的速 度，11 11表示范式； (2. 8)計算目標方程的函數(shù)值，并通過伴隨法求解目標方程的梯度，使用擬牛頓算法優(yōu) 化求解，得到控制力和速度這兩個參數(shù)，替換步驟（2.6)中飄帶網(wǎng)格頂點的初始的控制力 和速度這兩個參數(shù)，執(zhí)行步驟（2. 6)，不斷迭代，直到目標方程的函數(shù)值或多次迭代的變化 值小于一個閾值； (2.9)將步驟（2.8)求解得到的控制力和速度這兩個參數(shù)，附加到飄帶的正向物理模 擬中，使飄帶運動從初始形態(tài)關鍵幀在優(yōu)化意義下趨向目標形態(tài)關鍵幀。
【文檔編號】G06T13/00GK104156995SQ201410338564
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權日:2014年7月16日
【發(fā)明者】耿衛(wèi)東, 肖聃, 馮玲瓏 申請人:浙江大學