计算机动画运动生成的方法和原理.doc

计算机动画运动生成的方法和原理 专家论帐电子止版1995年第11期 计算视动画遏动 生成的方法和原翟 .杨四亦 1.运动生成方法的研究内容 1.1计算机动画是一门综合的边缘学科 在计算机图形学的基础上，计算机动画的研 究主要针对动画运动的生成方法。以前，更多地是 把计算机动画运动生成方法作为计算机图形学的 一项研究内容的延伸，把它看成三维空间的计算 机图形学在四维空间的延伸。但随着各种运动生成 技术的发展和成熟，它已日渐发展成为一门独立 的学科。 计算机动画运动生成方法除了借鉴传统动画 的制作技术、计算机图形学的一些方法，还涉及到 数学物理方法、动力学、运动学控制论、优化方 法、机器人运动控制原理、人工智能方法、面向对 象方法、数字图象处理技术、多媒体技术、视频显 示技术、虚拟现实技术、美术甚至也包括了视觉生 理学、视觉心理学等领域的内容。它把各个领域的 内容融合在一起，已经成为一门日渐成熟的非常综 合的边缘应用学科。 作为一个独立的学科领域，计算机动画运动 生成方法具体研究内容有以下几个方面; (1)与计算机图形学和图象处理相关的内 容。 从三维空间的计算机图形学在延伸四维空间 的计算机动画的一些基础理论如图象生成在时间 域的反走样，利用数字图象处理技术处理图象合 成及产生动画运动等。 (2)运动生成方法的数学物理基础。 与动画生成方法有关的一些数学方法:如插 值理论、数值计算方法、逼近论、控制论、最优化 方法等。 与动画生成方法有关的一些物理方法:如运 动学、动力学、热力学、流体力学等。 (3)各种运动生成技术 包括借鉴传统动画的制作技术的关键帧方 法，借鉴运动学方法、机器人运动控制原理等的过 程控制方法，以动力学原理为基础的仿真方法，以 人工智能原理为基础的智能运动生成方法。 (4)运动生成的程序实现方法 以软件工程方法为基础，用面向对象方 法、模块化等方法实现运动生成技术。 (5)有关动画制作的技术和设备 表1与运动生成方法相关的学科及相关的研究内容 相关学科研究内容 计算机图形学 图象处理技术 数学方法 物理方法 传统动画 人工智能 艺术 计算机硬件 多媒体技术 虚拟现实技术 图象绘制在时间域的反走样、利用动画帧的相关性的快速图象 绘制算法、含时间域的建模。 图象合成，含时间域的图象处理。 插值理论、数值计算方法、逼近论、控制论、最优化方法。 运动学、动力学、热力学、流体力学。 关键帧方法和制作技巧 智能运动生成方法软件设计方法面向对象方法、模块化等软件实现方法。 有关动画制作的艺术、视觉生理学和视觉心理学 实时仿真系统、计算机动画软件的运行平台 视频技术、音频技术、计算机动画制作的素材输人输出器 实时仿真动画、计算机动画制作的数据输人器。 一 605-电苦止版1995年第11期专家论桂 以计算机硬件技术、多媒体技术、虚拟现实技 术、视频显示技术为基础开发动画制作的硬件平台 。研究有关动画的美术、视觉生理学和视觉心理学 是制作优秀动画作品的关键。 1.2运动生成技术的分类 对运动生成技术的分类方法很多，作者认 为，运动生成技术分为关键帧方法、过程控制的运 动生成方法、物理仿真方法和智能运动生成四类。 2.关键帧方法(Keyframinganimation) 2.1含义 传统动画中制作动画的技术是中间帧制作 (inbetweening)，即通过先画出一系列关键画而中 间画由动画师插画得出从而得到动画帧系列。 早期的运动生成技术很自然地与传统动画运 动生成技术，即中间帧方法相对应，即采取由计算 机对关键动画帧进行插值的方法制作动画，因此称 为关键帧技术(Keyframing)。 关键帧技术包括两个类别:形状变化的插值 技术及运动参数的插值技术。Dav记.zelter分别称之 为形状插值和关键值插值。 形状变化的插值技术(shaPeinterPolation)通 常又称为形状混合(shaPeblending)、形状平均 (shaPeaverage)、或形状转变(shaPetransforma- tion)。因为通常这种求中间帧的过种中要用到插 值方法，所以统称为插值变形。根据两个关键帧所 含信息的不同，有对图象的插值变形、对二维物体 的插值变形及对三维物体的插值变形。 运动参数的插值技术是传统动画的关键帧插 值思想用于对运动参数插值方面的推广，即在动画 系统中对某参数指定一系列对应时间点的参数值， 用插值方法得到整个时间段内的运动参数变化曲 线，例如绕X轴旋转的角度、物体的颜色都可作为 动画运动参数。 2.2运动参数关键帧插值方法 运动参数关键帧插值方法包括两个方面的问 题: 运动参数关键帧插值方法包括两个方面的问 题二 a.给定参数关键值，如何得到中间值，即插 值问题。 b.运动的合理参数化:例如用四维数(quater-