高等教育089计算机图形学北工大8计算机动画

2023/9/21第八章计算机动画Computeranimation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《谁陷害了兔子罗杰？》2023/9/23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），AliasAnimator（加拿大）,Softimage（美国）等专用动画软件出现，运行在工作站环境；2023/9/24续：90年代流行的动画制作软件：3DStudio(－>3DMAX)：AutodeskMAYA：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Flash2023/9/25计算机动画的生成过程造型运动控制绘制2023/9/26典型三维动画系统结构三维建模真实感模拟物理规则知识表达传统动画方法＋＋＋造型表达运动表达＋三维动画＋2023/9/27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2023/9/28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2023/9/29关键帧生成问题的一般描述每一关键帧可视为一组参数(状态)的定义关键帧序列可视为高维状态空间中的点集中间帧（inbetween）的计算可视为在上述点之间进行插值插值策略：？2023/9/210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2023/9/211策略二：非线性插值中间帧沿曲线呈等距分布2023/9/212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2023/9/213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2023/9/214二维图形关键帧方法多边形之间的顶点对应及插值问题A1A2A3B1B2B32023/9/215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2023/9/216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2023/9/217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2023/9/218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。2023/9/219续可使用样条插值Hermit曲线2023/9/220考虑时间连续性的插值路径2023/9/221三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2023/9/222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2023/9/223基于特征的图像变形技术1992年Beier和Neely提出针对目标图像中的每一点计算其在源图像中的对应点对应像素值进行插值实现连续过渡定义特征线段将源图像中的特征线段变换到目标图像中的特征线段上2023/9/224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2023/9/225续:2023/9/226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演示2023/9/227骨盆脊柱头肩脖子头右肩肘腕左肩右臀左臀膝盖踝关节圆形部位脚趾例：人体动画的实现-骨骼动画2023/9/228人体关节运动控制前向运动学模型2023/9/229续：逆向运动学模型2023/9/230续：MotionCapture2023/9/2312023/9/232可捕获的参考点2023/9/233Motioncapture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2023/9/2342023/9/235动态皮肤变形动画SangIlPark,SIGGRAPH20062023/9/236续：2023/9/237基于MPEG-4的人体/人脸动画人脸和人体动画标准（FaceandBodyAnimation）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、FAPSDemo-082023/9/238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2023/9/239粒子系统适宜于云、烟、火、瀑布、焰火等模拟2023/9/240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2023/9/241网格分辨率—模拟的关键碰撞检测—计算耗时2023/9/242二维动画软件Macromedia公司出品的Flash被广泛用于制作网页动画优点：使用矢量的图形格式多媒体交互功能：支持声音和位图采用流媒体形式有三维版本:3DFlashAnimator其它:AnimatorStudioFirework等2023/9/243三维动画制作软件Autodesk公司：1991年推出DOS下的动画软件3DStudio；1996年推出Windows下的3DMAX基本占领了动画软件的中低端市场，各具专长的插件扩展了它的应用空间高端市场：Alias合并Wavefront又被SGI收购后推出MAYA(SGI/NT版本)Softimage3D：Softimage公司产品，有SGI和NT版本LIGHTWAVE3D:支持大多数工作平台,影视制作的首选软件许多动画制作模型是先经过MAYA建模后，再转换经由Softimage进行动作控制2023/9/244例:3DMAX制作的建筑图(a)在3DSMax中赋材质加灯光渲染后的建筑图(b)在Photoshop中加完配景后的建筑图2023/9/245动画的后期处理动画的后期处理影视片段剪辑与特技处理包括合成、图像Morphing