● 摘要
计算机动画是指以计算机图形学为基础，结合了多个领域的相关技术使一幅图像或一个模型“活”起来的过程。在图形图像处理中，模型骨架通常被应用于模型的变形和动画的生成，因此在计算机动画生成领域中，骨架动画是计算机动画的生成的一种非常重要的技术。通过模型骨架驱动与之相连的皮肤网格或相关体素变形来生成动画的技术具有计算量小、易于实现硬件加速等诸多优点，因此关于如何快速高效的提取体数据骨架，并借助骨架动画技术编辑和生成体数据动画的研究具有重要的意义。
本文结合当前GPU强大的可编程图形流水线的并行处理能力提出了一种直接在体数据中提取三维轮廓线，构建曲线密度场，进行体数据骨架提取并生成动画的方法，取得了以下研究成果：
（1）给出并实现了一种基于体数据渲染的空间曲线密度场生成方法。首先，从多个视点对体数据进行直接体绘制，采用的是基于GPU的光线投射算法，获得多个二维渲染结果。其次，对二维渲染结果利用轮廓线检测算法，提取二维轮廓线。然后，根据能量最小化约束，把二维轮廓线映射为三维轮廓线，同时借助动态规划思想在GPU上求解，加快了计算效率。最后，用卷积积分的方法生成了曲线密度场。
（2）给出并实现了一种基于场的体数据骨架提取方法。首先，对已经得到的曲线密度场逐采样点计算梯度。然后，通过引入最小二乘解思想求解曲线方向，该方向反映了三维轮廓线在空间中的方向信息。梯度和方向的计算是在GPU上求解的，加快了计算效率。最后，利用曲线方向和体素的空间位置信息构建包围盒提取骨架点，将骨架点相连形成了骨架，体数据骨架反应了模型的形状和拓扑结构。
（3）给出并实现了一种基于骨架驱动的体数据变形和动画生成方法。首先，指定骨架的变形方式利用图形学空间转换方法进行骨架变形，然后根据骨架与体数据中体素的映射关系实现体数据的变形和生成动画。