專利名稱：一種基于可編程gpu的骨骼動畫處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機圖形領(lǐng)域，特別是一種骨骼蒙皮動畫的處理方法。
背景技術(shù)：
骨骼蒙皮動畫也叫做骨骼動畫。使用骨骼動畫技術(shù)。可以塑造出各種各樣,栩栩如生的動畫角色。其中，人體的骨骼動畫運用得最為廣泛。一般來說，骨骼動畫由兩部分來表示。一部分是形成層次的一系列的骨骼，通常稱為骨架，另一部分是蒙在骨架上的皮膚。在骨骼動畫渲染時，求每一個與骨骼節(jié)點綁定的頂點在下一時刻的位置都要進行一次坐標(biāo)變換，這需要大量的矩陣和乘法運算。在可編程硬件出現(xiàn)之前，這些工作都是由CPU來完成。CPU需要承擔(dān)實時應(yīng)用中大部分的運算，如場景管理，物理計算等等，這樣就會造成CPU與GPU之間的負荷不平衡，當(dāng)系統(tǒng)負荷變大時，CPU就成為提高系統(tǒng)性能的瓶頸，因此很難實現(xiàn)實時動畫。隨著圖形硬件性能的提高，GPU的可編程性和計算性能越來越高。GPU全稱是GraphicProcessing Unit,即圖形處理單兀，GPU作為圖形渲染的最重要硬件,隨著其處理能力的不斷提高和可編程性的不斷完善，如何讓GPU代替CPU完成更多的工作以平衡兩者的協(xié)作已經(jīng)成為計算機動畫領(lǐng)域的研究熱點之一。GPU使顯卡減少了對CPU的依賴，并能處理部分原本CPU的工作，尤其是在處理3D圖形時。如果將一些計算從CPU轉(zhuǎn)移至可編程GPU中，從而將CPU解放出來用于諸如場景管理、光照以及物理等計算，可以實現(xiàn)更加豐富多彩的效果。目前將工作從CPU轉(zhuǎn)移至GPU已經(jīng)是一種技術(shù)趨勢，因此如何將可編程GPU引入到骨骼動畫技術(shù)之中是一個值得研究的課題，可以預(yù)見在骨骼動畫領(lǐng)域，GPU具有良好的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明意在提供一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理方法，將骨骼動畫不同部分的計算任務(wù)放到GPU中進行，使部分或者全部的計算量從CPU轉(zhuǎn)移到GPU，從而將CPU從繁重的頂點變換、骨骼更新的計算中解脫出來。本發(fā)明揭示了一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理方法，步驟一在CPU中將頂點綁定到其所對應(yīng)的骨骼；步驟二 在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定；步驟三在CPU中更新骨架并將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，然后將更新后的骨骼矩陣與頂點信息傳送到GPU中；步驟四在GPU中利用傳入的骨骼矩陣對頂點信息進行更新。本發(fā)明揭示了另一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理方法，包括步驟一在CPU中將頂點綁定到對應(yīng)的骨骼；步驟二 在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定；步驟三在CPU中計算得到起始骨架和結(jié)束骨架，將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，并將計算結(jié)果傳送到GPU中；步驟四在GPU中對起始骨骼矩陣和結(jié)束骨骼矩陣進行插值運算，得到當(dāng)前時間點的骨骼矩陣，并利用該矩陣對頂點信息進行更新。本發(fā)明還揭示了一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理方法，包括步驟一在CPU中將頂點綁定到對應(yīng)的骨骼；步驟二 在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定；步驟三在CPU中計算得到所有動畫的骨架，將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，并將這些計算結(jié)果制作成紋理，傳送到GPU中；步驟四GPU采樣數(shù)據(jù)紋理，并用采樣的結(jié)果對頂點信息進行更新。


圖1實施例1的基于GPU的骨骼動畫框架圖；圖2實施例1的處理方法的流程圖；圖3實施例2的處理方法流程圖；圖4實施例3的處理方法的流程圖。
具體實施例方式由于CPU與GPU構(gòu)造的不同，決定了他們計算與數(shù)據(jù)存儲方式的不同。所以，基于(PU的算法并不能夠簡單的復(fù)制用于GPU中，必須先要對其進行分析與簡化。骨骼動畫中的數(shù)據(jù)計算主要包括以下四方面(I)骨骼與頂點的對應(yīng)關(guān)系；(2)骨骼的偏移矩陣與骨架的對應(yīng)關(guān)系；(3)骨架的更新；(4)頂點的更新。使用GPU進行計算與使用CPU進行計算有很大的不同。GPU在頂點處理階段處理的每一個點，都使用同樣的算法進行計算，對于像素處理階段的每一個像素也是如此。并且在GPU中每個頂點或者像素的計算是相互獨立的，當(dāng)前的計算結(jié)果不能用于下 個頂點或者像素，而且頂點與頂點之間，像素與像素之間，計算結(jié)果不能被共享。由此可見，GPU較適合用于大規(guī)模并行計算，而不適合用來做邏輯性和復(fù)雜性很高的算法運算。因此，要將骨骼動畫的某些運算交付給GPU來執(zhí)行，這些運算必須保持算法簡單，且適用于大量數(shù)據(jù)。所以在設(shè)計基于GPU的算法時應(yīng)盡量保證程序的簡潔。在了解了 GPU的計算特性之后，下面將對這四種計算分別進行分析(I)骨骼與頂點的對應(yīng)關(guān)系骨骼與頂點的創(chuàng)建是分開的，但在創(chuàng)建的過程中，我們要將骨骼與頂點綁定在一起。這樣當(dāng)我們改變骨骼時，頂點才會跟著一起移動。(2)骨骼的偏移矩陣與骨架的對應(yīng)關(guān)系骨骼的偏移矩陣規(guī)定了綁定在某個骨骼中頂點的偏移量，它與骨架一起控制了頂點在空間中的位置。(3)骨架的更新骨骼矩陣的改變會對它的兄弟骨骼和子骨骼產(chǎn)生影響，所以要對相應(yīng)的骨骼進行更新，即骨架的更新。(4)頂點的更新
在整個骨架的位置改變后，附著在骨架上的頂點當(dāng)然也需要改變，這樣才能使模型動起來。被改變的頂點信息有頂點的位置及頂點的法向量。從以上分析可以發(fā)現(xiàn)骨骼與頂點的對應(yīng)關(guān)系需要保留計算結(jié)果以用于下一步的計算，并且由于涉及到很多的查找計算，所以算法相對比較復(fù)雜。骨骼的偏移矩陣與骨架的對應(yīng)關(guān)系同樣需要保留計算結(jié)果用于下一步的計算，同樣因為涉及到很多的查找計算，所以算法也相對比較復(fù)雜。骨架更新的計算結(jié)果也需要保留并且由于骨架采樣是樹形存儲結(jié)構(gòu)，一般使用遞歸的方法進行更新。算法比較復(fù)雜，也并不適合在GPU中計算。但是，因為骨骼動畫是許多不同骨架的演化結(jié)果.所以仍有辦法在GPU中生成新的骨架。頂點更新的結(jié)果可以直接輸出到屏幕上而無需保留，所以頂點更新是骨骼動畫中最適合GPU計算的一部分。在過去的骨骼動畫中，所有的計算都在CPU中進行，計算得到的所有結(jié)果都放到頂點緩存中，然后送入GPU，最后繪制在屏幕上。由于本發(fā)明的方法將頂點更新甚至骨架更新的一部分計算放到GPU中去處理，因此不僅要將原始的頂點數(shù)據(jù)送入GPU中，而且還要將所有用于頂點更新的數(shù)據(jù)信息一同傳給GPU。由于CPU與GPU之間進行數(shù)據(jù)傳遞并不像CPU從內(nèi)存中調(diào)用數(shù)據(jù)那樣方便，二者之間的數(shù)據(jù)傳遞相對來說是比較費時的，特別是在傳遞大段數(shù)據(jù)的時候更是如此。所以在算法設(shè)計中應(yīng)盡量減少兩者之間數(shù)據(jù)傳遞的頻率，并且傳遞的數(shù)據(jù)量不要太大。CPU與GPU之閬數(shù)據(jù)的傳遞方法有兩種(I)直接傳遞，該方法在傳遞數(shù)據(jù)時消耗比較大。傳遞后的數(shù)據(jù)放在GPU的內(nèi)存中，在GPU計算過程中調(diào)用比較方便；(2)利用數(shù)據(jù)紋理進行傳遞，該方法在數(shù)據(jù)傳遞時消耗比較小。但傳遞后的數(shù)據(jù)存放在GPU的紋理內(nèi)存中，為了獲取所需的數(shù)據(jù)，我們需要計算出數(shù)據(jù)在紋理中的位置，并對相應(yīng)位置的紋理進行采樣。實施例1 :該實施例將邏輯較為復(fù)雜的骨架更新等工作放在CPU中進行計算，將邏輯較為簡單的頂點更新放在GPU中進行計算，充分利用了 CPU與GPU的資源，框架圖如圖1所示。但是由于骨骼更新的工作在CPU中進行，所以在每次渲染的時候都需要將更新后的矩陣傳入GPU中去。如圖2所示，步驟如下第一步在CPU中將頂點綁定到其所對應(yīng)的骨骼；第二步在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定；第三步在CPU中更新骨架并將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，然后將更新后的骨骼矩陣與頂點信息傳送到GPU中；第四步在GPU中利用傳入的骨骼矩陣對頂點信息進行更新。實施例2 該實施例是頂點動畫與骨骼動畫的結(jié)合，用一組起始位置的骨骼矩陣和一組結(jié)束位置的骨骼矩陣來表示一段動畫，即對始末位置骨骼矩陣進行線性插值得到中間動畫姿勢。該實施例所展示的方法在初始化的時候完成起始位置骨骼矩陣和結(jié)束位置骨骼矩陣的計算工作，然后將所有與骨骼動畫相關(guān)的計算都放入GPU中完成。該實施例所展示的方法的優(yōu)點在于減少了 CPU與GPU之間的通訊，缺點在于僅使用GPU進行計算，浪費了 CPU的資源，加重了 GPU的負擔(dān)。
如圖3所示，步驟如下第一步在CPU中將頂點綁定到對應(yīng)的骨骼；第二步在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定；第三步在CPU中計算得到起始骨架和結(jié)束骨架，將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，并將計算結(jié)果傳送到GPU中；第四步在GPU中對起始骨骼矩陣和結(jié)束骨骼矩陣進行插值運算，得到當(dāng)前時間點的骨骼矩陣，并利用該矩陣對頂點信息進行更新。實施例3 該實施例以數(shù)據(jù)紋理作為傳輸方法，通過將骨骼動畫創(chuàng)建到紋理中，再通過紋理采樣的方式來獲取骨骼矩陣。該實施例所展示的方法的優(yōu)點在于減少了 CPU與GPU之間的通訊，缺點在于僅使用GPU進行計算，浪費了 CPU的資源，加重了 GPU的負擔(dān)。但是數(shù)據(jù)紋理作為一種能方便傳輸大量數(shù)據(jù)的方法，為實現(xiàn)骨骼動畫提供了另一種途徑。預(yù)創(chuàng)建骨骼動畫法可以將骨骼動畫數(shù)據(jù)制作成紋理，也可以創(chuàng)建一個紋理的ResourceView將數(shù)據(jù)映射到紋理中去。前者需要事先創(chuàng)建好紋理，而后者需要在初始化的過程中，計算骨骼動畫的信息并映射到紋理的ResourceView中。如圖4所示，步驟如下第一步在CPU中將頂點綁定到對應(yīng)的骨骼；第二步在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定；第三步在CPU中計算得到所有動畫的骨架，將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，并將這些計算結(jié)果制作成紋理，傳送到GPU中；第四步GPU采樣數(shù)據(jù)紋理，并用采樣的結(jié)果對頂點信息進行更新。本發(fā)明展示了幾種基于可編程GPU技術(shù)的骨骼動畫，通過使用不同的可編程GPU技術(shù)，將骨骼動畫不同部分的計算任務(wù)放到GPU中進行，使部分或者全部的計算量從CPU轉(zhuǎn)移到GPU，從而將CPU從繁重的頂點變換、甚至骨骼更新的計算中解脫出來。本發(fā)明主張的權(quán)利范圍并不限制于被披露的特定的形式，而是覆蓋所有的改進、等效和其它任何落入本發(fā)明的精神和范圍的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理方法,包括 步驟一在CPU中將頂點綁定到其所對應(yīng)的骨骼； 步驟二 在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定； 步驟三在CPU中更新骨架并將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，然后將更新后的骨骼矩陣與頂點信息傳送到GPU中； 步驟四在GPU中利用傳入的骨骼矩陣對頂點信息進行更新。
2.一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理方法,包括 步驟一在CPU中將頂點綁定到對應(yīng)的骨骼； 步驟二 在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定； 步驟三在CPU中計算得到起始骨架和結(jié)束骨架，將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，并將計算結(jié)果傳送到GPU中； 步驟四在GPU中對起始骨骼矩陣和結(jié)束骨骼矩陣進行插值運算，得到當(dāng)前時間點的骨骼矩陣，并利用該矩陣對頂點信息進行更新。
3.一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理方法,包括 步驟一在CPU中將頂點綁定到對應(yīng)的骨骼； 步驟二 在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定； 步驟三在CPU中計算得到所有動畫的骨架，將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，并將這些計算結(jié)果制作成紋理，傳送到GPU中； 步驟四GPU采樣數(shù)據(jù)紋理，并用采樣的結(jié)果對頂點信息進行更新。
4.一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理系統(tǒng),包括 用于在CPU中將頂點綁定到其所對應(yīng)的骨骼的裝置； 用于在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定的裝置； 用于在CPU中更新骨架并將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，然后將更新后的骨骼矩陣與頂點信息傳送到GPU中的裝置； 用于在GPU中利用傳入的骨骼矩陣對頂點信息進行更新的裝置。
5.一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理系統(tǒng),包括 用于在CPU中將頂點綁定到對應(yīng)的骨骼的裝置； 用于在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定的裝置； 用于在CPU中計算得到起始骨架和結(jié)束骨架，將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，并將計算結(jié)果傳送到GPU中的裝置； 用于在GPU中對起始骨骼矩陣和結(jié)束骨骼矩陣進行插值運算，得到當(dāng)前時間點的骨骼矩陣，并利用該矩陣對頂點信息進行更新的裝置。
6.一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理系統(tǒng),包括 用于在CPU中將頂點綁定到對應(yīng)的骨骼的裝置 用于在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定的裝置； 用于在CPU中計算得到所有動畫的骨架，將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，并將這些計算結(jié)果制作成紋理，傳送到GPU中的裝置； 用于GPU采樣數(shù)據(jù)紋理，并用采樣的結(jié)果對頂點信息進行更新的裝置。
全文摘要
本發(fā)明意在提供一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理方法，將骨骼動畫不同部分的計算任務(wù)放到GPU中進行，使部分或者全部的計算量從CPU轉(zhuǎn)移到GPU，從而將CPU從繁重的頂點變換、骨骼更新的計算中解脫出來。一種基于可編程GPU的骨骼動畫處理方法，步驟一在CPU中將頂點綁定到其所對應(yīng)的骨骼；步驟二在CPU中將骨骼的偏移量矩陣與其所對應(yīng)的骨架進行綁定；步驟三在CPU中更新骨架并將更新后的骨架與其所對應(yīng)的偏移量矩陣作矩陣乘法，然后將更新后的骨骼矩陣與頂點信息傳送到GPU中；步驟四在GPU中利用傳入的骨骼矩陣對頂點信息進行更新。
文檔編號G06T13/00GK103021008SQ20121052777
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者賀景衛(wèi), 李彥, 吳佩, 周文敏, 皮珊珊 申請人:湖南師范大學(xué)