图形学实验报告 -运动的机器人儿.docxVIP

PAGE

1-

图形学实验报告-运动的机器人儿

一、实验目的

(1)本实验旨在通过图形学技术实现一个运动的机器人儿，以探究计算机图形学在虚拟现实和游戏开发中的应用。实验的目标是通过编写程序，实现一个具有基本运动能力的机器人儿，能够模拟现实世界中的运动轨迹，如行走、跳跃和旋转等。通过这一实验，学生将深入了解计算机图形学中的运动学原理，包括刚体运动、动画制作和物理模拟等。此外，实验还将涉及图形渲染技术，包括光照、阴影和纹理映射等，以增强机器人儿的视觉表现力和真实感。

(2)在实验中，我们将使用三维建模软件和编程语言来创建和编程机器人儿的模型。通过学习如何使用这些工具，学生将能够将二维图形转换为三维模型，并为其添加动画效果。实验将涉及到大量的数学知识，如线性代数、几何学和三角学，这些知识对于理解机器人儿的运动轨迹至关重要。此外，实验还将涉及到物理定律的应用，如牛顿运动定律和摩擦力，以实现逼真的运动效果。通过实验，学生将能够将理论知识与实际应用相结合，提高解决复杂问题的能力。

(3)实验中将使用的机器人儿模型将是一个简单的机械人形，具有头部、身体、四肢和关节等基本结构。通过编程，机器人儿将能够进行多种动作，如行走、跑步、跳跃和转弯等。为了实现这些动作，我们将使用关键帧动画技术，通过设置一系列关键帧来定义机器人儿的运动轨迹。实验还将涉及到实时渲染技术，使得机器人儿的动作能够在屏幕上实时显示。通过实验，学生将能够掌握从设计到实现的整个流程，了解图形学在实际项目中的应用，并能够根据需求调整和优化模型和动画效果。

二、实验原理

(1)实验原理基于计算机图形学中的运动学模型，主要包括刚体运动和自由形变。刚体运动是指物体在运动过程中保持其形状和尺寸不变，只改变其位置和姿态。在实验中，我们将使用刚体运动模型来模拟机器人儿的行走、跳跃和旋转等动作。该模型通过定义物体的质心位置、旋转轴和旋转角度来描述物体的运动状态。此外，为了使机器人儿表现出更加自然和丰富的动作，我们还将引入自由形变的概念，允许物体在运动过程中发生轻微的形变，以增强动画的真实感。

(2)在实现运动机器人儿的过程中，关键帧动画技术起着至关重要的作用。关键帧动画通过在时间轴上设置一系列关键帧，记录物体在不同时间点的位置和姿态，从而在渲染过程中插值计算物体在各个时间点的运动状态。这种方法可以有效地控制物体的运动轨迹，使得动画更加平滑和自然。在实验中，我们将使用关键帧动画技术来定义机器人儿的行走、跑步和跳跃等动作，并通过插值算法计算物体在运动过程中的姿态变化。

(3)为了实现逼真的运动效果，实验中还将涉及到物理模拟技术。物理模拟是指在计算机中模拟现实世界中的物理现象，如重力、摩擦力和碰撞等。在实验中，我们将使用物理引擎来模拟机器人儿在运动过程中的受力情况，如重力和摩擦力，以及与其他物体的碰撞。通过物理模拟，机器人儿在运动过程中将能够表现出更加真实和自然的物理效果，如跌倒、弹跳和滚动等。此外，物理模拟还可以用于优化动画，如调整运动速度和改变碰撞响应，以实现更丰富的动画效果。

三、实验内容及步骤

(1)实验首先从创建机器人儿的3D模型开始。我们使用Blender软件，通过构建头部、身体、四肢和关节等部件，最终组装成一个完整的机器人儿模型。在建模过程中，我们精确测量了每个部件的尺寸，例如头部的高度为1.5米，身体长度为2.5米，四肢长度为0.75米。模型构建完成后，我们对其进行了网格优化，确保模型在渲染时能够保持良好的性能。接着，我们为机器人儿添加了皮肤纹理，并进行了光照测试，以验证模型在不同光照条件下的表现。

(2)在完成3D模型制作后，我们开始编写机器人儿的动画脚本。首先，我们确定了机器人儿的基本动作，包括行走、跑步、跳跃和旋转等。为了实现这些动作，我们使用了Unity引擎，这是一个流行的游戏开发平台。在Unity中，我们为机器人儿设置了骨骼和蒙皮，通过调整骨骼的位置和旋转角度来控制机器人儿的动作。例如，行走动画中，机器人儿的腿部会交替迈步，每次迈步的步幅为0.3米，步频为每秒两步。在跑步动画中，机器人儿的步幅增加到0.6米，步频提高到每秒三步。跳跃动画中，机器人儿的腿部会向上抬起0.5米，然后下落至地面。

(3)接下来，我们对机器人儿的运动进行了物理模拟。为了实现物理效果，我们引入了物理引擎，如PhysX或Bullet。在物理模拟过程中，我们考虑了机器人儿在运动过程中受到的重力、摩擦力和碰撞等因素。例如，当机器人儿行走时，重力会使机器人儿保持与地面的接触，而摩擦力则影响机器人儿的行走速度。在跳跃动画中，物理引擎会计算机器人儿在空中的运动轨迹，并确保其落地时不会发生穿透。此外，我们还对机器人儿与其他物体的碰撞进行了测试，例如当机器人儿与墙壁碰撞时，它会被反弹，并且碰撞角度和