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动画角色的创造——基于手绘草图的方法
摘要：为了创建角色动画，经常需要3D角色模型。 但是由于人物角色不是真实的人体，所以要使角色模型变形以适应每个动画帧，是繁琐的工作。 因此，我们提出了一种易于使用的方法，用于从一些手绘草图创建一组一致的3D角色模型，同时使创建的模型的投影轮廓和特征与输入草图保持一致。由于角色模型具有顶点对应关系，因此可用于帧数一致纹理映射或制作角色动画。 在我们的系统中，用户只需要注释基于输入矢量的草图之间的特征的对应; 其余的处理全部自动执行。
关键词：赛璐璐动画、非照片写实渲染、3D变形、一致的网格参数化、草图
1.引言
计算机图形技术被广泛用于动画制作的过程中。在传统的方法中，动画师必须在纸上或手上用手画出每一帧动画。现在已经被一种方法所取代，在这种方法中，使用计算机辅助工具绘制框架或使用3D模型渲染场景。此外，如果动画制作人员使用基于矢量的绘图而不是基于栅格的绘画，他们可以将绘图缩放到任意大小，因此图像需要更少的存储空间。同时，使用3D模型，动画制作者可以为他们的动画添加许多有吸引力的效果，例如，阴影，渐变或纹理映射，这些手工绘制都很困难或耗时。
然而，构建类似人性化的角色模型来支持动画制作过程仍然很困难，因为它们的形状经常由于角色动作造成的扭曲，观点或动画师的夸大被绘制得相当可观。尽管可能制作几个3D模型，其形状会随着这种扭曲而变化，但是为每个帧手动变形模型是一项非常耗时的任务。 因此，我们提出了一种创建与某些手绘输入框架相对应的一组三维多边形模型的方法——手绘草图，即动画师可以使用这套模型轻松添加3D效果，特别是添加阴影效果或阴影以及将纹理映射到角色，同时保持用户指定的特征与帧到帧的一致性。
我们的方法是从动画师绘制的一系列基于矢量的图像中作为输入对动画进行一次剪切，其中每个图像都包含动画某个（关键帧）中某个角色的形状和特征。 用户指定帧之间的功能的对应关系。 然后，我们的系统根据功能要求创建一个一致的2D基础域。角色在每个框架上的轮廓。 通过递归地细分基本域，系统生成一组一致的2D三角形网格，其近似于每个帧中的字符的特征和轮廓。经过通货膨胀过程，创建了一组一致的3D多边形模型，以便投影轮廓和特征。这些模型与输入框架一致。 功能规格是用户执行的唯一过程;该剩余的流程由我们的系统自动完成。
创建的3D模型具有以下属性：
（1）剪影保存：每个创建的模型的投影轮廓与相应原始框架上的角色的投影轮廓一致。
（2）帧与帧之间的对应关系：创建的模型显示顶点对应关系。
（3）特征保存：将输入图像的所有特征嵌入相应的模型中，并且这些特征的投影与原始帧。
剪影保存属性允许动画制作人员使用已创建的一组一致模型来添加阴影效果或阴影，而帧到帧的对应属性允许它们使用帧一致的纹理映射。由于特征保存属性，可以在输入图像和模型之间以及模型之间沿着输入向量使用用户指定的约束进行纹理映射。此外，由于创建的模型具有顶点对应关系，所以该方法可以通过应用变形技术来帮助动画师在输入帧之间生成中间形状。
2.相关研究
为了为赛璐璐增加引人注目和令人印象深刻的3D效果动画，动画师通常需要3D几何信息。获取3D信息的方法对于刚性对象来说非常简单，因为可以简单地调用建模器来构建3D模型。这些3D模型可以通过使用直接渲染所谓的香椿或漫画着色器[22]，以及几种程式化的渲染方法[7,8,15]。但是，对于由于他们的艺术性，似乎没有获得3D信息的简单解决方案扭曲。拉特马赫 [18]介绍了一种由专业动画师使用3D角色模型创建动画的典型方法。在这种方法中，动画生成的3D角色模型被变形以匹配多个参考图像，然后变形模型插值以创建形状变形的3D几何体随着观点的变化。 马丁等[13]也提出了一个相关的方法。由于动画师在每个关键视点手动定义3D模型，所以这些方法能够满足在我们的方法中强调的三个属性，即剪影保存，特征保存和帧到帧对应，它们可以用于许多应用程序。然而，手动编辑3D模型仍然是一个耗时的过程任务。Li等人[12]也提供了一个基于草图的方法生成角色动画。由科雷亚等人 [13] 提供了赛璐璐动画的纹理映射方法，也使用动画师创建的3D模型。尽管必须手动创建参考模型，但需要一个用于使模型变形的简单界面提供剪影保存和帧到帧对应准则。因此，这种技术可能也可用于添加阴影效果或阴影。但是，由于功能保留要求是唯一的一个近似值，它不能用于必须严格满足用户指定约束条件的复杂纹理。为了创建一个3D模型，五十岚等 [6]和卡尔平科等人[10]提出了简单易用的草图系统，用户只用它绘制轮廓。该系统然后可以创建满足单个框架的剪影保存要求的3D模型。然而，从这之后将它扩展到动画并不简单帧与帧之间的对应准则显然不是考虑彼德洛维奇 等人提出的一种方法，添加角色在场景上投射的阴影只需要动画师的一小部分努力，因为它使用上述方法半自动地创建3D模型方法。但是，这些模型不具备功能保存或帧到帧的对应属性，所以这些模型可以应用的范围使用非常有限。
一些计算机视觉技术可用于从2D追踪点构建3D模型。但是，大多数这些技术都假定物体是刚性的，因此它们不适用于角色动画中的角色。几种方法，例如由布雷格勒[2]和托雷萨尼等 [21]，已经提出用于生成3D非刚体模型，但它们都需要大量的图像和跟踪点。因此，这些方法一般不能应用于关键帧角色动画。我们以前的工作[16]也使用一些计算机视觉方法从现有的赛璐璐动画中构建一组一致的3D角色模型，以便为原始动画添加一些效果。因此，本文提出的方法与以前的方法不同，因为一些手绘草图的信息并不像那些在比输入草图具有更多帧的赛璐璐动画上。
在本文中，我们旨在确定一种可用于创建一致的3D模型的方法，该模型具有轮廓保留，特征保留和帧到帧对应属性。这些模型的应用包括在动画师的约束内添加阴影效果和阴影以及映射纹理。负担这种技术的动画师与彼得罗维奇等人的方法没有太大的区别。 [17] .
3.系统概况
在本节中，系统概述来自动画师的观点。最初，他或她加载一系列图像，这些图像是手绘草图，代表一些角色动画的关键帧如图1a-c。动画师然后覆盖图像特征上的一些笔画向量，如图1d-f所示。这可以通过使用一些商业工具来完成，将基于光栅的或扫描的手绘草图转换为基于矢量的图像。当然，如果原始输入图像已经是基于矢量的，如图所示图5a，这一步可以省略。通过添加指定帧之间的相应点和路径后一些ID号码，预处理设置步骤已经完成完成。动画师可以自动获得一组一致的3D模型，如图1g-i所示。这些模型可以用于进一步的应用，如纹理映射和阴影，如图所示图1j-1。随着一些复杂的角色，角色的某些区域被其他人隐藏，例如，前臂和膝盖。跳舞熊的上臂如图1所示情况下，动画师必须绘制一些笔画向量和通过分离指定缺失部分的对应关系将输入图像转换成多个层。这种分解制作CEL动画的过程是自然的〔4〕。
图1一个跳舞熊的用户输入手绘草图相应的输出模型。六个输入草图的A—C三。使用输入指定的输入草图转换笔画向量对应关系。我输出线框中显示的3D模型。基于Toon渲染的J-L阴影纹理映射模型。
4.生成一致的2D网格
在第3章中描述的预处理设置之后。我们现在具有如图1d-f所示的基于F向量的图像，其中F是输入帧的数量。这些图像被视为
F组2D（x-y）平面图，每个图用G表示f =（Wf，Pf），f = [1，F]，其中wf是一个集合Re2和Pf中的点是一组有限的简单路径。在Re2中连wf中的两个不同点，以及每个点路径被采样为折线。此外，我们假设图表是一致的，可以通过保证指导用户的输入，其中说两个图是一致的意味着存在一对一的对应关系，在他们的点和路径中显示的两个图中。在图2a中，为了从图中生成2D网格，有必要转换这些图，使它们不包含如图2b所示的孤立点和路径。因此，我们将我们一致的二维三角网格生成算法从一系列输入图分成两步。在第一步（第4.1节）中，我们创建了一组一致的基本域，这是一致的三角形图G G f =（Wf，Pf）的f（G f）=（Wf，Pf），其中Pf sube;Pf，如图2c所示的所有帧，这意味着一些路径被插入到图G f中以形成每个路径补丁只有三个点和路径。定义了一个补丁作为由图的路径界定的封闭区域。在第二步（4.2节）中，我们创建了一组一致的二维三角网格Mf，其中三角网格图G f通过细分G f的每个片而被嵌入，如图2c所示。
4.1一致的三角形剖分
本节中描述的算法创建了一组一致的基域，其是三角图Gf（GF）=（WF，P）f），从一组一致输入图GF =（WF，PF），将路径逐个添加到GF。此方法顺序添加路径到该图根据所描述的方法进行修改。克拉维奇等。〔11〕。为了描述算法显然，我们使用G。F=（WF，P）f）作为中间图在给定一致图集GF＝（WF，PF）之间和一致基本域G的输出集f（GF）=（WF，Pf）用于所有帧。我们首先计算一条路径q1连接{p1，i，p1，j}，其中i＝j和p1，i，p1，j]W1，它不跨越无界区域，并且最小化路径长度。如果找到路径Q1，那么QF用于连接。{p2，i，p2，j}，hellip;，{pf，i，pf，j}，分别在何处q2，hellip;，qf是与q1对应的路径，以便图G＊1 =（W1，p）1 {{q1}）。hellip;G·*F=（WF，P）F.{QF}仍然是一致的。为了找到路径Q2，hellip;，QF，我们需要搜索。从图的观点看图中的所有可能路径拓扑学。实现这种拓扑搜索和计算在路径上，我们使用图的梯形。
图2两帧的输入图。绿色数字：对应点的ID号；蓝色数字：路径。三角剖分A.C输出一致的二维三角网格图我们依次计算路径Q2。
如图3所示路径是通过连接图生成的。3A- D.使用梯形图进行路径搜索/计算。输入图。B梯形图的A与其“路线图”。C四拓扑连接黄点的不同路径。C中红色路径的D优化路径梯形和质心的质心垂直扩展。
如图3，路径是通过去除冗余点进行优化。条件对于冗余点的去除是（1）去除点不能改变拓扑结构。路径和（2）移除点不能涉及移动。剩余路径太靠近其他点或路径。第二个条件是避免退化的必要条件。在下面的算法中。例如，移除图3D中的平方点在拓扑上是可能的，但是会使路径太靠近其他点或路径。在找到所有可能的路径之后，我们将选择与第一帧中的路径具有相同拓扑的路径。一旦路径Q1，hellip;，QF决定并添加到G·*1，hellip;，gf，我们将检查G是否1，hellip;，gF已成为三角图停止或继续三角剖分过程。
请注意，这种三角剖分算法不是对称的，因为图G1先处理，后处理。虽然有可能使算法对称通过进一步计算G的路径集2，hellip;，gF为第一步骤，然后决定最小平均长度路径集合，我们发现只处理G。1在第一实例在我们的实验中是足够的。
4.2一致脸细分
我们现在有一致的碱基区域Gf（GF）=（WF，Pf），基域中的每个贴片都有一个简单的由三个路径定义的边界，如图2b所示。创建一致的二维三角形网格MF，其中输入图GF嵌入如图2C所示，我们首先定义2D网格，MF=（WF，K）f），通过识别Gf as网格，其中kF是从G的路径F由于G的路径F表示为折线，MF可能不包括三角形或是一致的。一般在帧之间。建立一致性M·*f，我们将边缘分裂算子应用到M。F使每个面的边界具有相同数量的顶点。如图4b所示的帧之间一致的三角剖分。简单边界多边形的方法可以是应用于M的所有面f独立地，结果其中如图4C所示，我们使用M。f表示生成一致的二维三角形网格。三角剖分我们使用的方法是自适应半正则。细化方法（4-to-1和2-to-1的组合）。
虽然MF是一致的二维三角形网格，它们可能有一些不希望的折痕，因为路径被添加到图三角测量，因此可能不是有效。因此，我们将平滑方法应用于M。f基于FRITITG等人的算法。[ 5 ]每个移动局部约束顶点的能量函数最小化对应于g f的顶点的位置得到MF
图4是一个一致的人脸细分过程。输入补丁两个基域G1（G1）=（W1，P）和G2（G2）=（W2，P）黄色点：W1和W2中的对应点。B结果后边分裂算子在二维一致三角网格中的应用
通过细分生成B。
4.3个一致的三维网格生成
在创建一致的2D（X -Y）三角网格M1之后，hellip;，MF，我们对网格的每个顶点进行充气以确定它的Z（深度）坐标。我们采用通货膨胀基于MF的边界顶点的方法Iigalasi等人提出的方法。[6 ]，并创建高度字段的边界内的位置。每个z坐标MF的顶点是由高度场。由于帧的高度场的值F仅依赖于MF的边界，帧到帧Z坐标的相干性是没有考虑。为了保持帧到帧的一致性，我们应用基于Taubin的优化方法文件（20），为了平滑顶点的深度，两个帧间
在帧内，通过迭代过程。
如果输入帧中的字符是由几层，我们分别创建3D网格。每一层，然后把它们作为一个组成。如果用户定义了相同的封闭输入路径对于两个不同的层，路径被视为针脚。通过合并顶点的两个网格相结合。缝线。组合后，它们是平滑的。移位和剪切，使得它们不与每个相交。
既然动画师在审美上画人物很难完全自动生成它们的三维形状。除上述自动充气方法外，我们还提供了一些工具，让动画手手动如果需要的话，调整顶点的z坐标正如在[17—19 ]中描述的方法。我们只允许沿顶点方向的顶点位置的变化为了保持轮廓轮廓的投影以及特征保持特性。
5.结果与应用
图1所示的舞
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