基于运动捕捉的植物动画合成方法研究

Because of complex morphological structures and biologic attributes, accurate and realistic virtual simulation of plant is still a challenge both in botany and computer graphics. A study of plant animation approach will be carried out by use of motion capture which is employed as a new technological approach. Firstly, to acquire morphological structure features of typical plants, effective motion capture method and relative data processing algorithm for plant will be proposed. And then, combined by topological structure and periodic features of plant, a spatiotemporal coupling data processing algorithm will be presented and a method of semantic annotation for motion sequence will be implemented. Based on given condition, motion data synthesis and virtual model morphing algorithms will be proposed for data driven plant animation. Some key problems including motion capture, data processing and animation of plant will be resoved, and a theoretic and technical framework for realistic plant animation synthesis will be founded. Finally, an experimental system for plant animation synthesis will be developed as technological reference and a practical tool.

植物具有复杂的形态结构和生命特性，高精度、高真实感植物动画合成是一项富有挑战性的研究课题，本项目拟开展基于运动捕捉的植物动画合成方法研究工作，将运动捕捉作为新的技术手段引入植物动画合成中，首先针对典型植物的形态结构特征，研究有效的运动捕捉方法；进而结合植物表观形态的拓扑结构和运动周期性特征，提出时空耦合数据处理算法，实现植物运动数据时间序列的语义标注方法；研究给定条件下的运动数据合成算法和植物虚拟模型变形算法，提出基于数据驱动的植物动画合成方法。解决典型植物对象运动捕捉、数据处理、动画合成等关键问题，建立基于运动捕捉的植物动画合成理论方法体系，开发植物动画合成原型系统，为相关领域的植物仿真应用提供技术参考和实用工具。

本项目“基于运动捕捉的植物动画合成方法研究”主要围绕典型植物对象运动捕捉方法、植物运动捕捉数据处理方法、基于数据驱动的植物动画合成等三个方面展开。将运动捕捉技术应用到植物形态分析与虚拟仿真领域，提出针对植物对象的虚拟骨架构建方法，为解决高精度、高真实感植物动画合成提供新的数据采集手段；基于植物的内在生命生理属性，引入运动捕捉技术和方法，准确、定量地描述植物的运动学特征，研究基于数据驱动的高精度、高真实感植物动画合成方法，解决典型植物对象运动捕捉、数据处理、动画合成等关键问题，并开发相应的原型系统和软件工具。完成各项预期任务指标，发表学术论文8篇，SCI/EI检索5篇，另有4篇论文在审，申请专利3项，一项已获授权，软件著作权登记证书2项，项目部分成果技术主要包括动态虚拟仿真和动画合成与展示等功能模块，已集成到PlantCAD-Maize软件系统，获2015年北京市新技术新产品（服务）认定，并且已在河北农业大学虚拟教学项目、北京市农林科学院玉米中心品种推广项目等销售，实现产品的成果转化，产生了一定的经济和社会效益。项目整合计算机图形学、数据处理、计算机动画、植物学等多可学科领域，拓展了运动捕捉技术的应用范围，提供了运动捕捉技术在植物对象上的使用方法和案例，方法和技术可直接为植物相关的理论技术研究提供参考，为植物动态虚拟仿真和动画合成相关的辅助科研、数字城市、虚拟现实、景观设计、影视制作、教育培训等典型应用领域提供技术支撑、定制服务和实用工具。