群组动画中的队形约束与控制方法

关键词: 虚拟人; 虚拟群体; 群组动画; 队形约束; 群体运动 中图法分类号: T P391
Shape Constraining and Control in Crowd Animation
Li Jian1, 2) , M ao T ianlu1) , Jiang H ao1, 2) , and Wang Zhaoqi1)
第7期
李 健, 等: 群组动画中的队形约束与控制方法
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和参数的设置难以恰到好处地表达导演的意图和创 意, 缺乏直观、灵活、有效的控制机制对群体动画进 行高层编辑.
本文提出一种基于队形约束的群体运动编辑与 控制方法, 只需通过简单交互操作输入关键时刻的 群组队形轮廓, 即可实现对群体运动的快速编辑与 灵活控制, 并合成流畅、逼真的群体动画, 提高动画 制作的效率.
2 系统框架
基于队形约束的群体运动编辑与控制方法, 可 以在动画师干预较少的情况下生成复杂、流畅的群 体动画, 其系统框架如图 1 所示.
1) 数据准备. 需要准备的数据包括两大部分: 一是点阵数据, 设计人员根据实际需求输入群组动 画的队形轮廓, 队形编辑系统中的阵列生成单元会 按照用户设定的参数要求自动地生成点阵数据( 点 阵中的每一个 点对应群体中某一个体 的站位) ; 二 是包括角色模板数据、材质数 据、动作 数 据在 内的 数据, 这些数据根据动画效果需要从外部数据库中 加载.
为实现对群体动画结果的约束或控制, Anderson 等[ 7] 在 Boid 模型基础上, 提出了带有约束的鸟群动 画, 包括点约束, 质心约束和形状约束. 首先动画师 指定鸟群的形状作为集群目标; 然后通过 2 个阶段 生成动画: 1) 寻找能满足约束条件的初始路线集; 2) 对新的满足约束的动画进行采样, 同时按照行为模 型来改进每个个体的路径. X u 等[ 8] 提出了形状约束 的群体动画, 通过采样、对应和应用局部控制规则 3 个步骤实现了蝴蝶、蜜蜂等群体在 2 个三维网格模 型之间的变形, 得到了良好的三维变形和群组动画 效果. 这 2 种基于 Bo id 模型的群体动画技术在变形 过程中群体成员大多排列杂乱, 中间队形没有章法,
Key words: virt ual hum an; virt ual cr ow d; cro w d animat io n; shape const raining; crow d mov em ent s
随着虚拟现实技术的发展以及计算机硬件运算
能力的提高, 群体动画技术被广泛地应用于影视作 品的特效制作当中. 从电影 木乃伊!中的甲壳虫, 到 指环王!中的魔兽奇兵, 再到影片 快乐大脚! 中的 企鹅王国, 由群体动画技术生成的宏大、生动的群组 场面, 给观众带来了强烈的视觉体验与冲击.
适合生成鸟群、昆虫等非人物的群组动画. 此外, 纪 庆革等[ 9] 还设计实现了一个团体操编排和演练原型 系统, 它能够实现人群有规则的变形模拟, 为团体操 创编人员改进队形与图案变化的设计提供了辅助工 具. 由于需要在模拟过程中对每个组的路径有比较具 体的规划, 其应用范围仅限于团体操编排.
针对群体动画技术在影视特效制作中遇到的实 际问题, 本文提出了一种基于队形约束的群体运动 编辑与控制方法, 只需要简单的交互操作, 输入群体 规模、群体运动过程中的队形轮廓, 就可得到较好的 群体变形效果, 实现对群体的编辑与控制. 首先通过 队形编辑采样 技术简单有效地获得所 需的点阵数 据; 其次使用点阵配对算法获得队形间良好的配对 结果, 为平滑流畅的变形奠定基础. 基于该方法, 本 文实现了一个群体动画生成系统, 在普通 PC 机上 成功地实现了规模为 1 500 人的虚拟人群的变形模 拟及其可视化, 得到了流畅、逼真的群体动画.
1 相关工作
关于群体动画的研究已经有很多年的历史. 早 在 1984 年的 SIGGRAP H 会议上, 就第一次演示了 群体动画 人工生命的雏形. 为了实现对群体的 有效模拟, 各种群体模型被各国研究人员先后提出.
Reynolds[ 1] 运用局部运动规则成功地对鸟群进 行了模拟, 提出的 Bo id 模型为群组动画的研究奠定 了基础, 同时在该模型中引入了聚集系统, 群的行为 由组内个体的行为构成, 并为这些行为制订了避免 碰撞、速度匹配和中心聚集 3 条规则; 1994 年, T u 等[ 2] 构建了一个人工鱼群生态系统模型, 提出了基 于自 然生 命模 型的 动画 生成 方法; 之 后, H elbing 等[ 3] 将社会力学引入到了群体模拟中, 提出了群体 模拟的社会力模型. 在社会力模型中, 个体在各种物 理作用力及心理作用力的共同驱动下运动, 可以较 好地模拟灾难情况下的人群逃生行为, 其在公共安 全领域具有很大的实用价值; Musse 等[ 4 5] 提出了群 体行为分层模型 ViCr ow d, 有效地模拟了人群 行为; 2006 年, T reuille 等[ 6] 提出了一种基于连续动 力学的实时仿真模型 连续群体模型, 该方法综 合考虑了周围环境、邻近个体等对群体运动的各种 影响, 从而对整个群体施加控制.
3) 文件输出. 根据应用需要输出群体运动的模 拟记录和渲染文件.
系统框架中, 队形的编辑、点阵数据生成与队形 间的点阵配 对是 群体运 动编 辑与控 制的 关键, 也 是本文工作的研究重点. 系统框架的其余部分以文 献[ 10] 的工作为基础完成.
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计算机辅助设计与图形学学报
第 22 卷
2) 动画合成. 首先应用配对算法对队形的点阵 数据进行自动配对, 即为每个个体自动确定其在下 一个队形中的站位, 这是整个系统的核心; 其次通过 若干控制点生成群体路径, 辅以运动合成、碰撞处理, 生成群体动画脚本; 最后利用角色模板数据、材质数 据、动作数据, 结合基于 PSR( point based rendering ) 的虚拟人渲染开发包实现群体运动的渲染.
1) ( 中国科学院计算技术研究所虚拟现实技术实验室 北京 2) ( 中国科学院研究生院 北京 100049)
100190)
( lijian@ ict . ac. cn)
摘 要: 针对影视制作中对大规模虚拟 群体运动控制的需求, 提 出一种基 于队形约束 的群体 运动编 辑与控制 方法. 首先利用贪心算法构建从初始队形到目标队形中个体位置的配对关 系; 然 后对其进行 优化, 在保持个体 相对位置 的 同时尽可能减少路线交叉; 最后通过匹配 虚拟角色 的运动 来合成流 畅、逼真的 群组动 画. 采 用文中 方法用 户只需 输 入群体规模以及群体队形轮廓, 即可实现 对群体运动的编辑与控制. 实验结果表 明, 该 方法能够 对不同规模、不同 队 形间的群体运动实现有效控制, 从而提高 群组动画制作的效率.
第 22 卷第 7 期 2010 年 7 月
计算机辅助设计与图形学学报
Jo ur nal of Co mputer A ided Design & Computer G raphics
V ol. 22 N o. 7 July 2010
群组动画中的队形约束与控制方法
李 健1, 2 , 毛天露1) , 蒋 浩1, 2) , 王兆其1)
1) ( VR L aborat or y , I nst it ut e of Comp ut i ng Te chnolog y , Chi nese A cad emy of S ci ences , Bei j i ng 2) ( Grad uat e Univ er sit y of Chi nese Ac ade my of S ci ence s, Bei j i ng 100049)
图 2 队形编辑系统流程图
1) 使用鼠标手动输入简单的基本阵型轮廓, 包 括矩形、圆形、多边形、曲线等. 通过这些基本轮廓的 有效组合, 布置出所需的阵型, 如图 3 中灰色线条所 示. 根据输入的参数, 阵列生成单元自动生成所需的 点阵阵列, 如图 3 中黑色点阵所示. 阵列生成单元既 可以在队形内随机地生成采样点, 又可以根据位置
100190)
Abstract: T o meet the requirement o f cont rolling t he virt ual crow ds in f ilm product io n, a novel shape constrained crow d animat ion syst em is pr opo sed. Given t he source and t he targ et shapes of a crow d, the correspondence betw een their sample point s is co mput ed by using a greedy algo rithm. T hen, the cor respo ndence is o pt imized to minim ize the pat h cr ossing w hile maintaining t he relat iv e positio ns of the individuals. F inally, a v isual ly plausible cr ow d animat ion is obt ained by applying t he mo tion dat a on t he path. Wit h t his approach, t he go al of edit ing and co nt ro lling crow d mot ion can be achiev ed simply by giving t he crow d size and shape const raint s. Our ex perim ent s sho w that t he met hod is capable of cont rolling crow d m ot io n w it h diff erent sizes and shape const raint s.