大型群組動畫的交互操作

1、 大規(guī)模人流動畫的交互操作簡介由于缺乏一種有效的操作方法，編輯大規(guī)模人群動畫是一項艱巨的任務。本文提出了大規(guī)模的人群動畫一種新型的籠型編輯方法。籠子包圍動畫人物，并且支持方便的空間/時間操作的方法是利用以前的方法無法實現(xiàn)的。所提出的方法是基于籠基于變形的組合，并且是將含有一系列約束的盡可能剛性的變化集成到系統(tǒng)中，以產(chǎn)生所需的結(jié)果。我們的系統(tǒng)可以讓動畫師直觀地編輯現(xiàn)有人群的動畫與實時性能，同時保持單個人物之間復雜的相互作用。我們的例子表明了我們的籠式用戶界面如何減少動畫用戶處理大規(guī)模人流動畫時所用的時間和精力。關鍵詞：人體運動，互動編輯，人流動畫，數(shù)據(jù)驅(qū)動的動畫1.介紹最近的故事片和視頻游戲往往

2、展現(xiàn)出擁有一大群人物的壯觀的場面。人流動畫可用于顯示各種有趣的活動。人物有時候會緊緊地擠進一個狹小空間。有時候，他們相互之間會有協(xié)助或者對抗。有大量的人群仿真算法，可以生成一個人群的動畫人物。這些算法通常有一組可調(diào)參數(shù)。動畫師調(diào)整參數(shù)來控制動畫的人群展現(xiàn)其本該具有的樣子。人群仿真的生產(chǎn)是通過調(diào)整不同參數(shù)運行多個模擬，這是一個不斷試驗和錯誤的過程。另外，交互式編輯技術進行了研究，以能夠讓動畫師直接操縱人流動畫。他們的交互技術可以通過在任意時刻釘住和拖動人物來有效地編輯多人物的組群運動，同時保持原有動畫的完整性和視頻質(zhì)量。交互式編輯技術的使用改變了動畫師的工作過程。動畫制作者開始通過一個模擬算法從

3、無到有的生成一個最初的人群動畫，然后他或她可以交互地操作動畫以完善結(jié)果。盡管團隊運動編輯技術已經(jīng)表明在促進人群方面很有前途，但是因為計算的技術要求，它們的實際使用還是受到了限制。以前的工作業(yè)績表明足以滿足十幾個人物互動，但較之電影和游戲中出現(xiàn)的大規(guī)模人群，還是遠遠不足的。我們提出了操縱大規(guī)模人群動畫交互的新型籠型編輯方法?；\是一個抽象的對象將目標人物放在特定空間范圍或持續(xù)時間之中運動?；\型方法的好處是多方面的。從用戶界面的角度來看，在多個人物的運動時籠提供相干控制，以一種協(xié)調(diào)的方式來控制運動?；\還允許區(qū)域控制。動畫制作者可以操縱籠內(nèi)封閉的動畫中的一小部分，而剩余部分不動?；\使用不強加任何限制人

4、類的動作。任意類型的人體運動都能能被加入人流動畫中，甚至包括身體接觸人際交往。從性能的角度來看，籠被視為動畫的縮小模型;因此，它可以有效地基于兩個級分層計算進行操縱。我們的方法是比以前的拉普拉斯為基礎的方法通過快幾個數(shù)量級。人群中人物個數(shù)方面的性能增益更為可觀。從技術上講,我們的方法是制定等式和不等式約束的二次規(guī)劃。人際關系，比如人物之間的同步和身體接觸施以等式約束。我們增加不等式約束，以防止過度變形。該方法是受多種以前的工作的啟發(fā),由三個主要部分組成。首先，一個盡可能剛性的網(wǎng)格變化模型提供了操縱籠的有效手段。第二，使用廣義重心坐標來建立抽象籠和原始運動數(shù)據(jù)之間的對應關系。最后，二次不等式約束

5、的二次規(guī)劃的上下界本質(zhì)是非凸的。我們放寬非凸性，能更有效地解決問題。這些組件相互促進，實現(xiàn)了可擴展的解決方法。我們將通過一個包含密集的人群彼此間相互作用的實例展示我們方法的有效性。2.相關工作 許多研究人員探討了現(xiàn)實人群的動畫生成。這些措施包括基于代理的決策方法，根據(jù)速度場的流控制，以及這兩種方法的混合。數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法在創(chuàng)建逼真的群組動畫方面也進行了研究。一組人從鳥瞰圖捕獲的二維運動數(shù)據(jù)被用來模仿真實人群復雜的行為。雖然許多令人群信服的方法被提出來了，但只有一少部分方法能被用來直接編輯人群動畫。人們長期以來一直在研究編輯現(xiàn)有的人體運動，以適應新的約束，這是一個角色動畫方面的重要問題。計算額外的

6、具有特定約束條件的低頻運動被廣泛的采用，因為它提供原有人物所需的運動。基于一組運動的例子，運動的配合和重排已用于合成新的運動序列。Kwon首次討論交互操作多角色動畫。他們使用了圖結(jié)構(gòu)來模擬行人的時空群體行為，并采用網(wǎng)格編輯算法來交互操縱動畫。Kim和Ho擴展了該方法，能更廣泛的來處理具有復雜相互作用的人群行為。這些以前的方法通常將運動編輯轉(zhuǎn)換成解決約束問題。相對于人物的數(shù)量和動畫的持續(xù)時間，所述約束求解問題的規(guī)模迅速擴展。我們提出了一種新的交互方法來解決約束求解問題。我們的方法是通用的，高效的，易于使用，并且在交互技術上方便了用戶的工作流程。我們的方法的有效性主要來自混合使用兩種幾何變形方法：

7、籠型的變形和表面的變形。在籠型變形中，目標的幾何形狀被表示為由外部籠包圍所述目標的線性組合。操縱籠結(jié)果的邊界頂點呈現(xiàn)平滑變形。MVC是一種參數(shù)化籠子內(nèi)部的簡單和流行的方式。積極的MVC，諧波坐標，坐標綠色和有界雙調(diào)和權重是更復雜的替代品?；诒砻娴淖冃问侵敢活惖哪芰孔钚』夹g，其允許直接操縱幾何對象，并同時盡可能地保持其原有的形狀?；诒砻娴淖冃畏椒ㄍǔＰ枰笮途€性/非線性方程組來解決高分辨率目標幾何?；旌献冃畏椒ㄔ谕瑫r實現(xiàn)能夠負擔的性能和直接操作的便利性兩方面進行了探索。我們參考了關于讀者對這兩種方法的看法的綜合調(diào)查。3.人群模型人群動畫是涵蓋動畫程度的運動片段的集合。動畫角色的全身運動由其

8、隨時間變化的位置和在全局參考根段的取向坐標系統(tǒng)連同其余主體部分的接合方向來表示的。動作可能由捕獲，模擬或程序產(chǎn)生等方法獲得。獲取運動數(shù)據(jù)的途徑不影響該方法。運動剪輯的運動路徑是投影到地面的根段的一個兩維軌跡。每個運動片段通常是均勻采樣,并以當?shù)貢r間參數(shù)化。在人流動畫中放置運動剪輯將運動剪輯的當?shù)貢r間定位于角色的時間軌跡 。更加具體地說，讓成為N個人物的運動路徑。每個運動路徑被表示為分段線性曲線，其中曲線上的點是人物位置的時間序列（見圖2）。在運動路徑每個點的方向表示對應于由該曲線的切線和法線向量定義的局部坐標系。在第i個點的切線和法線向量由和估計，其中R是一個2*2的90度的旋轉(zhuǎn)矩陣。時間軌跡

9、提供了一個相互作用人物的相對時間的有效方法。人流動畫中的時間軌跡集合垂直排列來顯示人物之間的時間關系。每個運動剪輯的定時被局部的由幀索引i參數(shù)化，在同步的參考時間映射到。操縱幀索引之間的距離導致群體動畫的時間扭曲。一個人物在特定時間段的運動可能被另一個人物的運動所約束。人物和環(huán)境之間的相互動作受到空間和時間的約束。比如說，考慮到兩個人物做擊掌，他們的相對位置和行動的時間應該和手掌接觸的時間相匹配。動畫師可能拖動和釘住人物在特定時間實例引入新的限制，從而操縱群體動畫。編輯人群運動是解決多人物運動之間約束的過程。運動路徑和時間軌跡作為時空代理服務于每個動作剪輯。所述約束求解過程導致了運動路徑和時間

10、的軌道的變形。然后，我們相應地編輯人物的全身運動，以配合其運動路徑和時間的軌道。假設人物在幀i和人物在幀j互動，人物之間的空間關系被描述成：兩個人物的運動在基準時間的幀i和幀j被準確同步。4. 籠型接口群組動畫包括人的行為同時發(fā)生的多樣性。人群動畫的交互式編輯會很麻煩，如果我們必須獨立操縱單個人物。編輯人群動畫的用戶界面應該提供利用動畫的連貫性和局部性的有效手段。我們的籠式界面服務于這個目的。全局協(xié)調(diào)：多個人物的運動往往需要在空間和時間上以全局協(xié)調(diào)方式被操縱?；\提供人物分組功能，這樣，在籠中的人物被相應的操縱。局部性：用戶經(jīng)常想僅編輯動畫中的一部分人物，而另外的部分保持不動。我們的籠式界面類似

11、于圖像編輯軟件中的套索工具，支持各種形式的局部性諸如個性和附近的空間和時間。通用性和靈活性：籠型接口在處理任意類型的人的行為的方面具有通用性和靈活性，其中包括運動，手勢，甚至是高度動態(tài)的運動動作。不同類型的人類的運動可以包括在單個籠并被同時操縱。交互性能：在一般情況下，一組運動是通過使用大量參數(shù)表示的，這些參數(shù)必須解決用戶操縱的每一個事件的問題?；\提供了一種對于組群運動的緊湊表示形式?；\通過采用稀疏籠頂點的廣義重心坐標來有效的編碼多個人物的行動方針。利用減小參數(shù)來實現(xiàn)交互性和可擴展性。4.1 籠的構(gòu)建空間籠是在兩維空間中的多邊形網(wǎng)格。用戶可以拖動動畫人物周圍的手繪選區(qū)來選擇整個運動路徑或部分。

12、我們使用的是凹船體算法計算出一個包圍著具有特定余量的一組輸入點的多邊形（可能凹）來構(gòu)建籠的外邊界。一個大的余量傾向于使邊界平滑，而較小的余量，使邊界高度凹入。輸入點相對于籠頂點的偏移距離被視作用戶參數(shù)。一旦籠的外空間邊界被確定，其內(nèi)部區(qū)域?qū)⑹褂檬芟薜聞趦?nèi)三角形進行完全嵌合。該籠網(wǎng)是果凍狀的變形物體。用戶可以拖動或釘住邊界的頂點，對任意內(nèi)部的點進行交互式操縱。我們將在第5節(jié)后面討論籠變形。我們的系統(tǒng)還提供了各種編輯操作以細化選擇。用戶可以使用剪切操作繪制一條切割曲線，把任意籠子一分為二。用戶還可以合并兩個籠子，選擇添加一個區(qū)域，以及選擇減少作物。人群動畫包括行時間的軌道。每個軌道對應于單個人物的

13、行動過程。時間籠包圍全部或多個時間的軌道部分。所有用于空間籠中定義的操作也可應用到時間籠中。此外，用戶可以通過時間軌道交互地重新排列人物的順序。用戶可以拖放行，或者通過軌道來標識人物的排列順序、空間的位置（沿x軸，y軸，或任意軸），以及動作的定時。時間籠選擇人群動畫在時域中的一部分，我們可以在空間域上構(gòu)建一個空間籠附上相同的選定部分。同樣，我們可以先畫一個空間籠，然后將其轉(zhuǎn)換成一個時間籠子。如果我們想從一個混亂的人群中選擇場景的特定部分，時間籠和空間籠在轉(zhuǎn)化上是非常方便的。圖3示出一個轉(zhuǎn)換方案。運動路徑被纏結(jié)在空間域上; 從而徒手繪圖可能不允許我們精確地選擇所需的部分，這是拆散了時間域。轉(zhuǎn)換能

14、力使我們能夠選擇在時域的部分，然后將其轉(zhuǎn)換成一個兼容籠用于空間操縱。4.2 籠的表示籠網(wǎng)內(nèi)的運動路徑和時間軌道由相對于所述籠頂點的MVC表示。我們采用MVC的原因是因為它的平滑性。切線不連續(xù)在角色動畫中是相當明顯的，應該避免。在運動路徑上給定點PK和循環(huán)定義的邊界籠頂點籠的內(nèi)部由MVC參數(shù)化。給定一個點的坐標，點的位置被描述為籠邊界頂點的加權線性組合。當籠箱的頂點被更新后，移位點的PK被計算為在時間籠，u的x分量表示參考時間，并且它的y分量具有相對于垂直列出的一個時間軌道順序的恒定高度值。一個時間軌道上的任何時間實例可以被描述為一個線性組合。局部籠有一個沿邊界的填充區(qū)域，這允許內(nèi)部參數(shù)的平滑過

15、渡以匹配籠的外部。讓PK是運動路徑上的一個點，將由操縱籠頂點來移動。令L為用戶指定的填充深度，讓L0是從p到運動路徑的交點和籠邊界弧長，在填充區(qū)域的位移點被定義為我們通常設定L到每個單獨的運動路徑的圓弧長度的一半。這個混合功能也非常有用，當我們削減任何籠成兩個獨立的籠子時，其中有一個填充區(qū)域沿運動路徑融入和順利進行。5 編輯群組動畫編輯籠用戶界面類似于那些現(xiàn)有網(wǎng)格編輯技術。三角形或四面體網(wǎng)格可以被看作一個果凍狀變形對象，這下用戶操作改變其形狀盡可能少。不同于曲面造型，人群動畫的籠子包圍復雜的人類行為和多個角色之間人際交往。這種隱藏結(jié)構(gòu)使得籠編輯技術不同于表面建模。我們制定人群動畫作為二次規(guī)劃對

16、象的交互操作，以幾種形式進行約束。約束有不同的來源，如用戶操作，人際交往，人物與環(huán)境的相互作用，避免碰撞，以及運動數(shù)據(jù)的過度變形。我們將約束分為三類：線性等式，距離和線性不平等。每個類別需要不同的技術解決方案。我們將從一個簡單包括空間變形和線性等式約束的目標函數(shù)在內(nèi)的公式開始。然后，我們將討論更復雜的公式與其它形式的限制。5.1 操作空間空間籠的操縱是通過最小化目標函數(shù)來實現(xiàn)其中，ED為變形能，EC表示相對于該用戶的限制從任何錯誤所產(chǎn)生的性能，EM表示人物和環(huán)境之間的相互作用引起的運動的限制，EB是用于保存相互作用人物之間的相對距離的一個術語。在我們的實施中，權重值是我們將討論前三個方面,進一

17、步闡述第四個術語的使用。變形能的ED測量籠網(wǎng)的形狀失真。我采用盡可能剛性的變性能。我們通過對網(wǎng)格每一個三角形的超出部分的變形能量進行求和，來計算全局能量:用戶可以拖動和確定籠中的頂點或籠子里面的任意點。調(diào)整一個籠的形狀來編輯籠內(nèi)一個特定的運動路勁，使得籠內(nèi)其他運動也能被操縱。編輯籠頂點收益率.運動約束的EM保留人物之間的相對位置，當他們相互作用彼此時。將（x y）用MVC坐標表示，并帶入方程（1）。我們將有一個二次型運動約束。假定旋轉(zhuǎn)矩陣b是固定的，并采取二次能源方面的梯度，最小化是為降低到線性方程系統(tǒng)，它可以被有效地解決。實際上，旋轉(zhuǎn)矩陣變化為籠發(fā)生變形。解決與未知 V和fRtg方程是一個非

18、線性優(yōu)化過程。我們采用交替最小二乘優(yōu)化方法，從最初的配置 V開始，fRtg通過使用奇異值分解（SVD）所估計的旋轉(zhuǎn)矩陣。然后，我們解決了籠頂 V，而固定fRtg。這兩個步驟交替迭代，在我們的大多數(shù)例子中，收斂很快。距離保護：第四個術語EB處理了兩個相互作用的人物之間的距離變化。在等式（1）的相對空間約束是指相對于從運動路徑估計的局部坐標系。運動路勁的伸長使得局部坐標系發(fā)生了歪斜。因此，兩個相互作用的人物之間的距離相應縮放。需要注意的是EM不限制由局部坐標系的傾斜引起的距離變化。能量術語EB在迭代過程中使用。我們在第一次迭代進行優(yōu)化時，不使用EB，它將在第二次迭代才生效。分別令。和。為當前和先前

19、迭代的運動路徑。距離維護約束被配制成連接所有距離維護限制和封堵MVC為約束方程。處理局部籠：在一個局部籠的存在下，兩個相互作用的人物之間的相對約束可能與籠邊界相交，使一個人物逗留局部籠內(nèi)和其他處在籠外。維持人物之間的原始相互作用，我們規(guī)定約束點p的位置以及其切線方向的運動軌跡在籠內(nèi)?？臻g的彈性：原有運動路徑的過度變形可能導致不自然的人物動作，但這是不容易為用戶檢查個性運動在一大群人物中。我們提供了一個空間快恢復的方法來將動作控制在合理范圍。每當用戶從拖動中釋放，系統(tǒng)就會檢查變形運動路徑。如果動作變形編輯超過所允許的范圍內(nèi)，該系統(tǒng)將減少活性拖動手柄的權重值，并增加了不平等的條件捕捉該運動路徑返回

20、到允許的范圍。5.2 時間操作籠在時間方面編輯的目標是保持用戶和運動約束運動給定的初始速度。時間籠的編輯比空間籠容易的原因在于籠頂點只沿水平方向。該問題也被配制成二次規(guī)劃：變形是由時間差得到的。時間差的關聯(lián)導致了線性系統(tǒng)，因而，相應的二次能量被導出。這里，EC和EM分別是時間域中用戶限制和相對的相互作用限制的能量函數(shù)。如同在空間域中一樣，時間域中用戶限制也是同樣的方式定義的。用戶可以操縱在籠子里的任何時間的軌道籠子邊界頂點或任意點。拖動只允許在水平方向上。操作邊界頂點的收益和直接操作時間軌跡的收益。連接時間域中所有用戶約束形成能量函數(shù)。在等式的同步約束（2）中既可以由用戶手動指定又可以通過分析

21、運動數(shù)據(jù)自動計算。隨著時間的籠子MVC的更換時間指數(shù)，能量函數(shù)也導致了二次型。注意，空間編輯不同，我們并不需要第四術語用于縮放補償因為縮放工件不會發(fā)生在一維時域。6 防撞組群運動數(shù)據(jù)中的人物被緊密整合并且相互影響。通過改變它們的整體形式來操縱組群運動容易導致人物之間或在原初運動中并未呈現(xiàn)的人物與環(huán)境之間的沖突。解決人物和環(huán)境幾何學之間的沖突相對容易。如果沖突被發(fā)現(xiàn)，我們就添加一項新的約束以推動人物退出環(huán)境幾何學的邊界之外。我們重復此過程直至所有沖突被解決。這個交互式的過程與Choi等人建議的相似。 一個更具挑戰(zhàn)性的問題是解決人物之間的沖突。我們提供一個以cage為基礎的沖突避免演算法以解決此問

22、題。特別地，我們在大型群體中討論了高效沖突探查，通過分組周圍沖突人物來創(chuàng)建一個籠以及將局部籠迭代式的稀疏，以解決沖突。 給出一組群動畫，探查人物之間在每一幀上的沖突是在計算上非常困難的。我們可以用稀少的分段的線性弧線以每秒二次的速度抽樣路徑點來估計原初運動路徑。給出兩個在i-th和j-th線性弧線上的人物，當兩條弧線間最小距離小于用戶定義的臨界值r時，我們可確定沖突。當這種情況被滿足時，我們可以通過最小化公式找到精確的沖突時間tmin。當0tmin1時，我們可以輕易定位兩條線性弧線間的交叉點。如果tmin 1，我們計算出兩條線性弧線間的每個頂點，并且找到距離最小化處的精確的時間tmin。找到t

23、min后，我們創(chuàng)造局部籠，來包圍發(fā)生沖突的每一個人物極其共同的人物。在同一籠中附入鄰居非常重要，可以當修復現(xiàn)存沖突時預防另一沖突。兩種情況必須在當?shù)豤age中滿足特征：（1）沖突人物極其鄰居的分段線性弧線應為半平行；（2）連接兩個沖突人物的直線必須交叉于其臨近人物的運動路徑。我們通過調(diào)整直線的長度確定的當?shù)豤age的型號。當小型cage定位沖突的效果時，大型cage制造運動路徑的光滑模擬。在我們的實驗中，系統(tǒng)以相反方向推進兩個局部cage，以每一循環(huán)r/3的量重復這一過程直至所有沖突被解決。三個簡化策略被運用以在避免沖突時增強效果。第一，每個局部cage擁有只有四個頂點的矩形形狀以減少MVC的

24、計算消耗。第二，我們只使用MVC和一種cage變形，這是符合沖突相反方向的嚴格轉(zhuǎn)譯。最后，我們在循環(huán)中漸進地減少當?shù)豤age的大小以快速收斂集合。有了這些策略，我們可以高效地獲得無沖突的群動畫。圖表8展示了Kwon等人的沖突控制以及我們的方法。我們的方法大概比先前使用同樣臨界值r的方法快60倍，并且比之原初動畫的偏離也更少。當用戶有意將一個cage覆蓋在另一cage之上以制造復雜的交錯情境時，人物之間的沖突需要被解決。當cage被重疊時，我們的系統(tǒng)使用同樣的沖突探查方法和循環(huán)局部cage轉(zhuǎn)譯。在所有沖突被解決后，系統(tǒng)允許以提供對于空間中所有特征的原初cage或新的單一cage來進行更深層的編輯。伴隨的視頻展示了以這樣的重疊cage的沖突避免示例。7.實驗結(jié)果我們實驗中使用的運動數(shù)據(jù)從不同來源收集而來，一些是由動作捕捉得到的，一些是在人群中模擬生成的，還有一些采用了數(shù)據(jù)驅(qū)動的運動合成方法。我們的例子展現(xiàn)了從原始運動數(shù)據(jù)到運動編輯的過程。每個操作工程用時都不足10分鐘。我們給讀者附上了視頻，以便了解交互過程。8.討論我們已經(jīng)提出了