北京工业大学计算机图形学课件8 计算机动画.ppt

2001年2月 计算机图形学讲义 1999-2000学年第二学期 计算机图形学讲义 第八章 计算机动画 Computer animation 通过计算机生成连续的动态画面 提 纲 起源与发展 典型动画方法 计算机动画的起源与发展 早期:将计算机用于自动控制动画机械设备 20世纪60年代:图形学及CAD技术的发展推动计算机动画技术的发展;初期的技术仅停留在对传统动画手段的改善 70年代:星球大战等影片采用了三维动画技术 80年代: Wavefront（美国）, Explore（法国），Alias Animator（加拿大）, Softimage（美国）等专用动画软件出现，运行在工作站环境； 续： 90年代流行的动画制作软件： 3D Studio(－3D MAX)：Autodesk MAYA： Alias 合并Wavefront推出 Softimage 一起成为当前最流行的动画制作软件 本世纪：网页动画格式及制作软件 MacroMedia推出的Flash 计算机动画的生成过程 造型 运动控制 绘制 典型三维动画系统结构 典型动画方法 关键帧动画方法 二维图形的关键帧方法 三维图形的关键帧方法 图像的关键帧方法 造型动画法：人体动画和关节动画 过程动画 关键帧方法 原理： 根据动画设计者提供的一组重要画面生成“关键帧” 通过对关键帧进行插值生成中间过渡画面 核心问题： 关键帧生成策略 关键帧中物体要素之间的对应问题 对应要素之间的插值方法 关键帧生成问题的一般描述 策略一：线性插值 中间帧沿关键帧构成的直线呈等距分布 分布距离由用户指定的帧/秒确定 策略二：非线性插值 策略三：有松弛的非线性插值 根据运动对象的速度值,计算中间帧所在的位置 分参数插值策略 对每个参数变量指定其关键帧；不同变量可有不同的关键帧 关键帧插值扩展为关键值插值 对每个变量定义插值路径 二维图形关键帧方法 多边形之间的顶点对应及插值问题 顶点对应规则 顶点间的对应可由用户交互控制，也可以通过预定义的规则自动生成 多边形顶点的自动对应规则： 内在几何量（边长、转角等）的变形尽可能地小 能量最小化方法 用能量值刻画不同对应多边形之间的差别，再选取其中能量最小的一个对应 续： 例：建立多边形A=[A1,A2,...,An]和B=[B1,B2,...,Bn]之间的顶点对应关系。 解：引入能量函数 续： 顶点数不同时的处理：增加顶点 重顶点 分割边界 复杂图形的对应 交互指定关键顶点间的对应关系 自动寻找其它顶点之间的对应关系 插值路径 沿着不同的插值路径将得到不同的中间多边形 最原始的方法：位置线性插值法 引起边的非单调变化，造成失真感。 续 可使用样条插值 Hermit曲线 考虑时间连续性的插值路径 三维图形的关键帧方法 原理与二维图形关键帧方法相同 多面体之间的顶点对应更加困难 基本算法： 把两个物体映射到同一个单位球上； 在单位球上将两个物体的拓扑结构合并为一； 将合并后的拓扑结构映射回原来的物体 在拓扑同构的物体间建立对应关系并插值 图像的关键帧方法 由图像定义的动画对象可以避开造型上的困难，但带来了运动控制的不便 图像间的关键帧对应方法：解决图像间像素的对应关系 简单的像素位置对应：简单、快速，但舍弃了图像中物体的概念，真实感差 基于特征的图像变形技术 1992年Beier和Neely提出 续： 建立多对特征线增强对图像变形的控制能力 例：以两对特征线为基础的对应 续: 人体动画和关节动画 人体动画主要包括： 面部表情 躯体动画 手的运动 人体动画的困难在于 人体造型：外形及皮肤的质地和颜色 运动控制：特别是表情和肌肉的活动 例：人体动画的实现-骨骼动画 人体关节运动控制 前向运动学模型 续： 逆向运动学模型 续：Motion Capture 可捕获的参考点 Motion capture流程 跟踪参考点的运动 人体/人脸 磁性/光学/外骨骼参考点 转换为关节角度 驱动该关节对应的3-D模型 根据当前环境调整相应动作 增加用户控制 动态皮肤变形动画 续： 基于MPEG-4的人体/人脸动画 人脸和人体动画标准（Face and Body Animation）FBA。 该标准以统一格式定义了人脸动画和人体动画的描述方法 人脸动画标准使用：FDPS、FAPS 过程动画 与代数动画法相结合，用一个过程来描述物体的变动规律 粒子系统：将造型和动画连成一体 群体动画：模拟以群体方式运动的对象，如鸟、鱼等 在一定程度上可看作是粒子系统的延伸 流体模拟：对连续、易变形对象的模拟，包括流体和气体，如云雾、布料等 粒子系统 适宜于云、烟、火、瀑布、焰火等模拟 服装面料 不同种类具有不同属性 不是简单的弹性曲面 各向异性 网格分辨率—模拟的关键 碰撞检测—