智能人体动画简述

本文概述了智能人体动画的制作技术,包括基于运动捕捉的动画制作流程、群体动画技术以及面向动画序列生成的技术。重点讨论了运动数据获取、预处理、合成,以及群体动画的建模和智能体在动画中的应用。最后,提到了深度学习在人体动画领域的应用和发展趋势。

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摘要

近年来很多学者将人工智能、人工生命等技术融入到人体动画制作中,从而实现动画序列的自动生成,让人物角色具备一定的自主性和智能性。由于很多智能人体动画技术以人体运动捕捉数据为基础,因此本文先简要介绍了基于运动捕捉的人体动画制作流程中涉及到的各项技术,然后分别介绍了两类智能人体动画技术的发展脉络:群体动画技术和面向动画序列生成的人体动画制作技术。最后对智能人体动画技术的未来研究趋势作了展望。

关键词:计算机动画,智能人体动画,运动捕捉,群体动画,运动合成

1.引言

计算机动画以计算机图形学为基础,涉及到图像处理技术、运动控制原理、视频技术和艺术甚至于视觉心理学、生物学、机器人学、人工智能学等领域,是一个多种学科和技术综合的领域。计算机角色动画是计算机动画中非常重要的组成部分,其中又以人体动画最为常见。为了得到形象逼真的人体动画,艺术、计算机等领域的专家提出了很多方法,人体动画技术取得了很大进展,但由于人体运动包含的自由度多、数据维数高,运动过程中需要与外部环境进行交互等原因,在计算机中模拟复杂的人体运动仍然存在着很多困难和挑战。对人体动画的研究方法大致可以分为三类[1]:手工方法;基于物理的方法;运动捕捉数据驱动的方法。很多传统方法没有考虑到动画角色之间以及动画角色与虚拟场景之间的协调融合,在最终的动画制作过程中缺乏一定的智能性。为了进一步提高人体动画制作的效率,近年来很多学者将人工智能、人工生命[2]等技术融入到动画制作中。肖俊[3]将智能人体动画技术大致分为两类:群体动画技术和面向动画序列生成的人体动画制作技术。

很多智能人体动画技术都是以已有的三维人体运动捕捉数据为基础,因此本文先对基于运动捕捉的人体动画制作技术流程做简要介绍,再分别从群体动画技术和面向动画序列生成的人体动画制作技术两个方面来梳理智能人体动画技术的发展脉络。

2.基于运动捕捉的人体动画制作技术

基于运动捕捉的动画制作技术是以真实感三维运动数据为基础,采用数据驱动的方式产生三维人体动画。具体创作流程可以大致分为如下步骤[3]:运动数据获取、数据预处理、运动合成。

2.1 三维人体运动数据获取

运动捕捉技术起源于上世纪70年代[4],该技术的基本思想是采用特殊设备,实时捕捉真实运动物体(演员、动物等)的三维运动数据,然后将捕捉得到的运动数据映射到动画师事先建立好的三维模型上生成动画序列。

运动捕捉技术经过几十年的发展,大致分为两类:基于传感器的捕捉技术和基于视频的捕捉技术。基于传感器的捕捉技术中的运动捕捉设备有机械式、声学式、电磁式和光学式。基于视频的捕捉技术也可以进一步分类:从运动捕捉条件来看,可以分为基于单相机和基于多相机两类;从技术手段来看,可以分为基于特征跟踪、基于模型匹配、基于统计学学习、基于侧影分析等几类。基于视频的捕捉技术仅仅使用少量便宜设备就能利用大量已有的视频信息,和基于传感器的捕捉技术相比具有成本低、环境限制少的优势。

2.2 人体运动数据预处理

运动捕捉设备得到的原始运动数据通常有数据量大、缺少结构化信息的缺点,我们通常希望运动数据能够通过预处理满足一些需求[5]:(1)数据完善,可以精确反映运动;(2)可以复用;(3)可以增加衣服的运动等辅助运动;(4)可以建立非真实感的风格化运动;(5)根据动画制作的设想改变运动意图;(6)弥补真实运动的一些不足:如反复运动不循环等。运动编辑技术可以对已有的运动数据,按照用户需求对其特征进行改变,从而满足动画制作的需求。在运动编辑技术中,输入给系统的往往都是一段单一的运动数据。常见的运动编辑技术有运动数据分割、运动重定向、关键帧编辑、运动变形、运动路径编辑等。

2.3 运动合成

运动合成是以多个已有三维人体运动数据为输入,通过处理产生一段新运动数据的过程。根据不同的技术手段和面向的问题,运动合成技术的常见类别有以下几种[6]:
(1)运动过渡和运动融合:将用户输入的两段运动数据进行无缝拼接,最终形成一段较长

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### 人工智能应用场景概述 人工智能(AI)的应用场景非常广泛,涵盖了多个领域和技术方向。以下是几个主要方面: #### 1. **通用人工智能(AGI)** AGI 是 AI 领域的一个重要研究方向,其目标是创建一种具备广泛认知能力的人工智能系统,这种系统可以像人类一样在不同环境中学习并应用知识[^1]。尽管 AGI 尚未完全实现,但它代表了未来 AI 技术发展的长期愿景。 #### 2. **导数在人工智能中的应用** 导数的概念在人工智能中扮演着至关重要的角色。无论是优化算法中的梯度下降方法还是神经网络训练过程中的反向传播机制,都离不开导数的支持。通过对函数变化率的研究,研究人员能够设计出更加高效的学习算法和模型结构,从而提升系统的性能表现[^2]。 #### 3. **大数据与人工智能结合的实际案例** 随着信息技术的进步以及互联网普及程度不断提高,海量的数据被生产出来;而这些数据又成为了驱动新一代智能化服务的核心资源之一。例如,在医疗健康领域利用机器学习预测疾病风险、金融行业中基于历史交易记录检测欺诈行为等都是典型例子[^3]。 综上所述,从理论探索层面如追求强人工智能(即AGI),到具体实践操作比如借助数学工具改进现有框架效率乃至解决现实世界复杂难题等方面来看,当前阶段下关于如何有效部署运用这项前沿科技仍存在巨大潜力等待挖掘。 ```python # 示例代码展示简单的线性回归模型训练过程 import numpy as np def compute_gradient(X, y, w): N = len(y) gradient = (-2/N) * X.T.dot(y - X.dot(w)) return gradient X = np.array([[1], [2], [3]]) y = np.array([1, 2, 3]) w_initial = np.zeros((1,)) learning_rate = 0.01 for _ in range(100): grad = compute_gradient(X, y, w_initial) w_initial -= learning_rate * grad print(f"Trained weights: {w_initial}") ```
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