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Computers＆Graphics 65（2017）31-44
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计算机和图形
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技术部分
DiLight：数字光照表 - 使用指南进行2D动画的中介✩
莱昂纳多卡瓦略a,lowast;, 里卡多Marroquima, Emilio Vital Brazilb
a计算机图形学实验室，巴西里约热内卢联邦大学系统工程和计算机科学系
bIBM Research，巴西里约热内卢
文章 信息 摘 要
文章历史：
2016年10月26日收到
2017年3月31日修订
2017年4月5日接受
2017年4月28日在线提供
关键词：
2D动画Inbetweening
在传统的2D动画中，在两个连续的关键帧之间绘制了几个中间帧。 对于动画制作者来说，这个过程可能非常耗时且乏味。 在本文中，我们介绍一种与动画制作流水线紧密结合的半自动插入方法。 我们利用这样一个事实，艺术家通常从绘画的轮廓开始，帮助预览插图，并使用这些指南来改进曲线对应推断。 该方法基于两级匹配算法，其中第一个匹配指南之间的对应关系，第二个匹配算法在最终艺术之间。 这种分离进一步帮助艺术家通过使用来自前面帧的变换后的指导方针和图画来指导创建新的，作为数字光表。 我们用各种动画实例展示了我们方法的稳健性，包括动画书和专业动画师的序列。
copy;2017 Elsevier Ltd.保留所有权利。
介绍
当一位艺术家正在绘画时，他通常从一个轮廓开始，用大纲描述形状，尽可能少的细节。 这些指南有助于艺术家预览最终艺术，并避免结果的不对称。 而且在卡通动画中，需要大量的图画（框架）才能创造顺序呈现的运动幻觉。 由于两个连续帧之间的差异通常很小，因此通常以较大的间隔开始，以提示所描绘的整体移动，这些帧被称为关键帧。 在后面，中间框架被绘制，在一个被称为inbetweening的过程中，这通常是手动完成的，需要很大的努力[1]。 有一些方法用于在创建期间预览动画。 通常的做法是在洋葱皮纸上画出框架，并使用光表增加其半透明度，使得在当前框架的绘制期间先前的框架可见。 在计算机辅助动画系统中，通常通过以不透明度变化的顺序显示一些帧来模拟该机制。 尽管如此，这并没有减少绘制所有帧之间的负担。
✩这篇文章被P Poulin教授推荐发表。
lowast;通讯作者。
电子邮件地址：leocarvalho84@gmail.com （L.卡瓦略）。
为了加剧这个问题，随着不同媒体设备的发展，帧速率在不断增加，有人预计未来的标准将达到每秒120帧[2]。 这种转变导致更平滑的动画，其代价是需要更多的帧。 尽管这种努力可能会借助计算方法大大减少，但这不是一项微不足道的任务。
大约三十年前Catmull[3] 已经讨论过计算机辅助动画的问题，指出这方面最大的挑战之一是自动插入。 这是由于漫画代表投影到二维空间中的三维人物，意味着信息的丢失。 为了实现自动解决方案，必须知道描述动画师想象的角色的模型。 Catmull列举了一些可以用来解决这个问题的方法：从图纸中推断缺失的信息; 手工指定缺失的数据; 把人物分成几层; 使用骨骼; 3D轮廓; 并限制动画。 Catmull讨论的挑战和方法今天仍然有效。 在我们的工作中，我们遵循这些准则中的一个以上。 我们使用层分割和类似于使用骨架的方法，但具有更多的灵活性，允许非刚性元素的动画。
大多数计算机辅助中间解决方案都需要特定的解决方案，
来自关键帧对的曲线之间的对应关系。 理想情况下，通信是一对一的，但实际上存在隐藏线，或者从一个关键帧到下一个关键帧的一条线断裂成两条或更多条的情况。 自动找到它们
http://dx.doi.org/10.1016/j.cag.2017.04.001
0097-8493 /copy;2017 Elsevier Ltd.保留所有权利。
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图1.所提出的方法概述，其中在两个关键帧之间生成5个新帧。 输入由关键帧的准则和最终艺术给出。 这些指南通常由动画师用来辅助绘图。 我们的方法也用它们来指导从一个关键帧到下一个关键帧的转换。 这种转换有助于匹配和插入nal艺术中的形状。
而且正是中介方法的关键一步。 这是我们在这项工作中处理的主要问题。 一旦建立，可以内插每对对应的曲线以产生中间帧。
我们提供了一个系统来协助创建经典动画的过程。图。1 举例说明了我们方法的输入和输出。 一旦艺术家完成了新框架的初始指导方针，系统就会发布与前一框架指导方针的对应关系。 这种早期匹配方法的优点是双重的：首先，它允许翘曲前面的nal帧，以引导新帧的绘制，作为改进的数字光表; 其次，它极大地改进了最新艺术笔画的匹配算法，允许帧之间的较大运动和失真。 在计算最终对应关系之后，可以通过内插笔划来生成任意数量的中间帧。 艺术家还可以创建图层以更好地组织图纸并进一步帮助推理中间帧。 我们的方法的目标不是完全替代人类动画师，而是减少重复性任务。 艺术家仍然可以进行调整和修正以调整结果。
如前所述，动画师通常会在之前绘制指南
构成动画的最终图纸。 我们的主要贡献是利用这一事实的方法：
- 给动画师视觉提示如何绘制下一个关键帧;
- 自动生成中间帧;
- 允许大位移;
- 提供对遮挡的控制。
相关工作
许多作品的目标是自动（或半自动）插入2D漫画。 第一次出现在40多年前[4,5]。 在本节中，我们将讨论与我们的方法最密切相关的那些。 一些作者研究了2D动画系统中涉及的问题。 例如杜兰德[6] 讨论了计算机辅助二维动画系统的一些要求，其中Catmull引用的优选方法是限制可能绘制的动画类。 函数是手动定义的，然后使用可变时间增量的样条进行插值。 帕特森和威利斯[7] 对计算机辅助动画进行了一个新的分析，其中间问题是分裂的
分成两个子问题：轮廓如何变化以及图形的各个部分如何相互遮挡。 他们的方法使用分层显示模型，我们使用类似的分层方法。
一些工作使用辅助结构来帮助介入，类似于我们对指导方针的操作。 Burtnyk和Wein[8] 使用骷髅来指导nal艺术形状在inbe-tweening期间的运动。 笔画根据由骨架定义的坐标系来描述，骨架由线段组成。 然而，结果仅限于简单的动画。 里夫斯
[9] 提出了一种改进内插控制的中介方法。 动画师将关键帧和一组移动点约束组合在一起，由空间和时间曲线组成，并控制关键帧中某些点的轨迹和动态。 虽然它提供了良好的动画控制，但该方法需要大量的手动工作。 菲奥雷等人。[10] 开发了基于建模和2.5D动画技术的半自动插入方法，处理诸如自闭塞和轮廓变化等问题。 他们使用三维骨架和分层结构来指导动画角色的很多部分。 但是，用户需要处理曲线表示中使用的控制点，手动定义相应的曲线，并指定骨架的影响区域。 我们还使用分层结构来处理复杂的对象和字符，但在我们的情况下，骨架被指南信息所取代，我们避免了几乎完全手动的对应。
2D动画或变形的另一个流行方向是，
是尽可能严格的（ARAP）方法。 Igarashi等人[11] 引入了一种使用一些预先定义的顶点作为硬约束来变形2D形状的方法。 然而，它们仅限于具有简单封闭边界的形状。 后来，Syacute;kora等人。[12] 提出了一种没有硬约束来变形2D形状的方法。 他们采用两步法，首先将顶点推到新的位置，第二步调整位置以更好地保持形状。 尽管这些方法允许大变形并尝试尽可能地保持形状，但它们不能很好地处理非平面变形，并且非刚性变换仅能被处理，因此限制了可能动画的类型。
中间问题需要解决子问题，
问题，如发现对应和变形形状。 有许多作品专注于特定的子问题。 Sederberg和Greenwood[13] 研究如何使用基于物理学的方法平滑地转换两个多边形二维形状，其中弧度如同由线制成一样弯曲，
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用最少的工作量。 宋等人描述了自动匹配算法。[14]，使用输入曲线中的特征点之间的关系作为匹配的参数。 在该算法中，动画匹配被制定为多对多标签问题，并且使用局部形状描述符来构造对应关系。 在谢的工作中[15] 使用变换来找出二维图形之间的相应形状，并生成中间帧。 但是，此方法无法处理帧之间存在较大失真的情况，并且无法处理遮挡。 Bregler等人。[16] 提出了一种技术，可以跟踪动物在动画片中的移动并将其转换为三维模型，二维图形和照片。 非刚性运动是通过使用凹形和键形的中间结合进行跟踪的。 Melikhov等人[17] 提供了一个内插关键帧的系统，保留了手工绘画的艺术风格，平滑自然的运动。 骨骼用于变形笔画周围的纹理。 每个框架由一个图形表示，用于查找图形之间的匹配。 德胡安和博登海默[18] 描述了允许重复使用传统动画的两种半自动技术。 卡通图像是从背景中分割出来的，而中间轮廓则使用隐式曲面和非刚性弹性配准算法进行计算。
Noris等人[19] 提出了一种产生时间噪声的方法，
通过结合运动提取和中间技术，在保留粗略样式的输入框架的同时，从粗略的动画中自由抽取内容。 他们的输入是一个完整的动画，从中选择一些关键帧。 然后提取运动并将其应用于匹配和插值的帧。 这与我们的工作类似，但他们专注于粗略的动画，同时旨在通过指导原则帮助制作干净的图画（更多关于此讨论的内容第7.2节）。 以类似的方式，Ben-Zvi等人[20] 提出了一种创建划线视频风格的方法。 他们的方法预测中风匹配，合并和分裂。 在视频中，帧通常非常接近时间，但遭受突变的拓扑变化。 他们的方法试图处理提取曲线的这种噪声行为，并沿着许多帧对其进行跟踪。 在我们的例子中，我们的输入不包含这种噪声行为，但帧在时间上进一步分开，并且曲线可以缓解从一个关键帧到下一个关键帧的大变形。 Yu et al。
[21] 着重于二维地查找相应的对象
动画使用局部形状描述符来帮助匹配两个帧中的相似对象。
最近的工作重点是矢量图形的拓扑方面。 Dalstein等人[22] 创建了一个数据结构来控制随时间变化的拓扑结构的矢量图形动画，从而允许使用拓扑相结合的方式进行合并，分割和出现/消失等变化，
来自框架的ical信息。 这些功能可以在中编辑
空间和时间。 图纸使用代表 -
在用户界面中，以便艺术家可以控制结果。 最近，Whited等人[27] 介绍了一种用于紧密介入的交互式工具，在该工具中开发了一套用户指导的半自动技术。 作者还提出了一种新颖的脑卒中插值技术，其中脑卒中运动由对数螺旋顶点轨迹构建，以实现更自然的轨迹。 然而，如作者所述，在紧密的中间位置，关键帧非常相似，通常具有相同的拓扑结构和笔触形状非常接近，而当情况并非如此时，他们的方法需要用户进行一些干预来指导匹配。 在我们的例子中，我们并不局限于紧密的inintering，因此关键帧通常不太相似和更远。
最近Xing等人[28] 开发了一套自动完成的系统
手绘动画。 它与我们的工作有关，因为它使用先前帧的信息来帮助艺术家绘制当前帧。 我们的系统是互补的，因为我们更关心顺利地插入关键帧，而Xing等人的方法专注于帮助艺术家绘制关键帧。 我们进一步把我们的工作定位于这方面的相关工作第7.2节.
2D曲线表示
尽管2D曲线有多种可能的表示形式，但我们选择使用矢量图形，这是许多其他动画方法中的流行选择。 Frisken[29] 描述了一个算法，其中参数曲线是从一系列数字化点开始在线生成的。 我们使用这种算法将用户输入变换为一组曲线，其中每条曲线c被表示为由3nc 1个控制点c [0]，c [1]描述的n个c ，. . . ，c [3nc]。 第i段是由控制点c [3i]，c [3i 1]，c [3i
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