[发明专利]一种基于草图实现形状保持的树木变形动画方法

说明书

本发明公开了一种基于草图的形状保持树木变形动画方法，包括：创建三维树木模型；将三维树木模型用骨架和树叶簇的形式表示；选择感兴趣的视角，检测步骤(2)中所述的三维树木模型的树冠侧影轮廓线，并在草图上绘制变形动画目标树冠侧影轮廓线，将三维树木模型的树冠侧影轮廓线逐渐变形成为变形动画目标树冠侧影轮廓线，并将三维树木模型的树冠侧影轮廓线的形变传递到枝条上，得到平滑的树木变形过程；逐帧记录树冠侧影轮廓线和枝条的变形过程，得到形状保持的树木变形动画。本发明保持树木拓扑一致性和树冠形态学意义，还提供了一种直观的三维树木编辑操作，仅需要绘制简单的草图就能够有效地编辑三维树木模型。

技术领域

本发明涉及计算机图形，树建模与计算机动画领域，特别是涉及一种基于草图的形状保持树木变形动画方法。

背景技术

无论是在现实世界还是虚拟世界，树木都是描述环境不可或缺的一部分。近些年，伴随着数字化科技的蓬勃发展和日渐普及，在影视娱乐，三维游戏以及虚拟现实场景中也广泛出现了计算机合成三维树木的身影。

树木三维建模工作可以追溯到上世纪六十年代。尽管有着很长一段历史，截止到现在，计算机和植物学等各领域的专家们对该方向依旧保持着较高的关注，提出了很多建模方法，以致力于创建更真实美观的三维树木模型。根据不同的建模目的，这些方法大致可以分为两类：静态三维树木建模方法和动态树木动画方法。静态三维树木建模方法的核心在于生成视觉效果真实的三维树木几何造型；动态树木动画方法的目的在于生成视觉美观的三维动画特效，包括树木的生长特效以及树木在光、障碍物、风、雨、火等因素的影响下与环境发生的相互作用。除此之外，在电影和动画行业中，为了营造缥缈虚幻的虚拟环境并烘托其神秘氛围，一些个性化特殊树木变形动画的需求也应运而生。其中，最典型的例子是在2010年迪士尼动画《长发公主》中一匹白马将自己藏在一棵大树后面，然后树枝平滑地变形成为马的形状。因此，风格化的树木变形动画成为树木变形动画领域的一个值得关注的研究方向。

实现形状保持的树木动画需要解决两个关键技术挑战：第一，如何保持树木变形动画中拓扑结构的连续性，即不会产生断裂漂浮的枝条；第二如何在保留拓扑层次结构的同时对树枝进行变形，使其形成有形态学意义的树冠。

从宏观上看，形状保持的三维树木变形动画与基于形状引导的三维树木建模、传统三维树木动画以及近些年提出的拓扑保持树木变形动画这三个方向密切相关。

迄今为止，计算机领域的专家们提出多种基于形状引导的三维树木建模方法，旨在生成符合给定的特定树冠形状的三维树木模型。其中，较经典的方法有剪枝L系统、空间殖民地算法以及变分式逆向树木建模。但是，它们都只能生成静态树，并且对引导形状的变化很敏感。也就是说，当引导形状发生变化时，这些算法需要重新运行以生成符合新的引导形状的三维树木模型。由于该类方法需要针对动画的每一帧重新生成新的树木模型，并且不能保证帧与帧之间树枝的拓扑一致性，因此不适合用来生成需要保持形状的树的动画。