计算机图形学第六章计算机动画.ppt

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1、计算机动画计算机动画关节动画关节动画l在三维计算机动画中，加入人、动物这样的角色会使画面活泼、具有生机活力。关节动画是实现这类角色动画不可缺少的部分。l关节结构由一系列刚体链在关节处连接而成，其中链结构的自由端称为末端影响器。l在数学上，描述关节链常采用DH(Denavit-Hartenberg)表示，其坐标架定义在每一个链上以描述一个链相对于其它相邻链的运动，两个相邻链坐标系的齐次坐标变换矩阵称为A矩阵。例子例子可以用于关节动物可以用于关节动物也可以用于无生命的物体以创建拟人也可以用于无生命的物体以创建拟人效果效果正运动学方法正运动学方法l在正运动学方法中，所有关节向量的值均由动画师显式给出

2、，末端影响器的位置由各相邻关节间变换的复合得到。即给定关节向量，求末端影响器的位置。 1 l1 l2 X=(x,y) 2 逆运动学方法逆运动学方法l逆运动学方法（Inverse Kinematics）是一种目标导向的运动指定方法，简称IK。l在逆运动学方法中，动画师指定末端影响器的位置，系统求解各关节向量的值。l逆向运动学方法只需给定末端影响器的空间方位，就可反求出整个状态向量，用户的交互非常简便。l但该方法需求解不定系统方程，通常存在着多解及求解不稳定现象。 逆运动学的求解逆运动学的求解 迭代d =J-1(dX) f () X Xgoal f (goal) X+dX dX f (+d) 动力

3、学方法动力学方法l在动力学方法中，物体的运动是由力和力矩驱动的，由于计算过程依据物理规律，故能生成更复杂和逼真的运动。l正动力学方法。给定作用于物体的力和力矩，计算各关节的位移、速度和加速度；l逆动力学方法。力和力矩是通过给定的运动学参数反求而得到。运动捕获和运动重现运动捕获和运动重现l运动捕获(Motion Capture)采用软硬件系统记录表演者的真实运动信息，并把动作过程复制到一个虚拟的人或动物上。l该方法类似于早期Disney公司制作卡通片白雪公主时使用的“rotoscoping”技术，即动画师根据素材画面，用手工交互的方式跟踪获取画面主体的运动信息。l运动捕获可以获取表演者动作的个性

4、和细节，是生成逼真人体动画最实用、最有效的方法，因而在影视特技、游戏和动画广告中被广泛采用。应用实例应用实例指环王指环王系列电影中的古鲁姆的运动系列电影中的古鲁姆的运动指环王：双塔奇谋指环王：双塔奇谋 应用实例应用实例加勒比海盗加勒比海盗3运动捕获的三种技术运动捕获的三种技术l光学运动捕获系统 l磁性运动捕获系统l机械式运动捕获系统(a) 光学运动捕获系统光学运动捕获系统 (b) 磁性运动捕获系统磁性运动捕获系统 (c) 机械式运动捕获系统机械式运动捕获系统运动重现（运动重现（Motion Retargeting）l运动捕获数据是表演者真实运动的映像，因而在获取运动数据时，应尽量使表演者与虚拟

5、角色的关节结构尺寸接近。l在表演者和虚拟角色的关节结构尺寸（如身高、腿长、手臂长度等）不相同时，若不加修改地直接把运动捕获的数据直接应用到一个不同尺寸的虚拟角色上，就有可能出现运动不协调、双脚离地等不真实的运动。l运动重现（Motion Retargeting）可以把一个角色的动画赋给另一个具有相同关节结构但具有不同关节长度的角色，并能保持原有动画的质量。把运动曲线应用于一个新的角色把运动曲线应用于一个新的角色l定义运动的约束条件l对于整个运动，求解约束优化问题动画演示动画演示演员和虚拟角色的一致性演员和虚拟角色的一致性(a) 表演者表演者 (b) 树怪树怪l为了使树怪的关节尺寸与表演者接近并

6、表现出沉重的步伐，表演者通过假肢和加重的鞋来影响其自然表演，从而增加目标角色动作的真实性。运动模糊运动模糊l在计算机动画中，当摄象机和场景之间的相对运动过快时，会引起时间域走样。在动画画面中，这表现为恼人的闪烁现象。当物体的运动速度较快时，这种不自然现象表现得尤为明显。l运动模糊方法通过在时间域上滤波采样的图像，可有效地缓解这类走样问题。l根据对真实摄象机的镜头的模拟，运动模糊方法主要分为三类。l二维运动模糊。l三维运动模糊或时间域超采样。l2.5维运动模糊。应用例子应用例子动画演示动画演示动画后期合成动画后期合成 l动画后期合成软件取代了传统的价格昂贵的在线或离线视频编辑器，并能生成许多视频

7、编辑器难以实现的效果。l合成软件提供了剪辑、叠化、抠象、合成、图像morphing、图像处理、特殊动画效果制作、音乐编辑、音乐合成、动画实时播放等强大功能，已经成为影视动画软件的核心组件。l由于是全数码合成，因而避免了传统视频系统因多次操作而引起的图像损失。l一个典型例子是迪斯尼影片公司2000年出品的巨作恐龙。影片中的史前生物是计算机制作的，但影片中恐龙的生活背景却是外景队到世界各地拍摄的实景，如加州死亡谷、澳大利亚坎贝尔国家公园、委内瑞拉国家森林公园等。通过图像合成，电脑创造的史前动物与真实场景天衣无缝地融合在一起。应用例子迪斯尼公司应用例子迪斯尼公司恐龙恐龙 虚实无缝合成需要考虑的因素虚

8、实无缝合成需要考虑的因素 l虚拟场景与真实场景的透视关系应一致。l虚拟场景的光照情况应与真实场景一致。l虚拟场景与真实场景的相互作用。l虚拟场景与真实场景的遮挡关系。分量分量 l图像合成中的一个重要概念是图像像素的分量。 l分量指明了当前图像在该像素处的透明度，为0时表示当前图像在该像素为全透明的，为1时表示当前图像在该像素处为不透明的。 l分量获取方式：l由动画软件直接计算得到。l抠象方法计算得到。图像合成操作图像合成操作 rgbrgbrgbBAAC)1 ( (a)输入图像输入图像 (b) 通道通道 (c) 合成结果合成结果虚拟演播室虚拟演播室 l虚拟演播室是建立在高速图形计算和视频色键基础

9、上发展起来的演播室技术。l在虚拟演播室系统中，现场视频可以实时地与计算机产生的三维图形完美无缝地集成在一起，构成一个现实中不存在的，但是在电视画面上却又起到演播室作用的那种假想的新的环境和气氛，并可极为灵活地根据用户需求进行定制。l一台工作站可与多台摄像机连接，摄像机可在虚拟演播室中随意移动，它突破了传统布景、道具、灯光、场地等演播室制作工艺的限制，虚拟模型可使用户在布景、拆景及贮存道具方面节省大量开支。同时，用户还可以通过建立三维模型得到真实道具所不能达到的特殊效果。技术制作人员可以利用鼠标器来激活或改变场景中的任何事物。 虚拟演播室虚拟演播室l虚拟演播室是在色键系统的基础上发展起来的。l色

10、键系统的主要不足在于：前景在运动，但背景却不能作出与前景运动相应的动作，前景无法真正地“溶入”到背景中。l 虚拟演播室突破了传统色键系统的限制，消除了摄象机不能与背景同步运动的致命弱点，前景中的演员能深入到虚拟的三维场景中，并能与其中的虚拟对象实时交互。l一套典型的虚拟演播室系统一般由三个子系统组成：跟踪子系统、图形绘制子系统和合成子系统。例子例子虚拟演播室中的虚拟背景虚拟演播室中的虚拟背景计算机游戏计算机游戏 l计算机游戏是指在计算机上运行的游戏软件，是一种具有娱乐功能的计算机软件。 l网络游戏的形式有很多种类l战略游戏(Realtime Strategy Game)l动作游戏(Action

11、 Game)l角色扮演游戏(Role Playing Game) 战略游戏战略游戏l一切都是实时发生的，要求玩家具备较好的敏捷与宏观指挥能力。 l代表性的战略游戏有红色警戒(Red Alert) 动作游戏动作游戏 l强调玩家的反应能力和手眼的配合。l剧情比较简单，只要熟悉操作技巧就可以进行游戏。l通常要求玩家所控制的主角（人或物）根据周围所遭遇的情况变化做出一定的动作，如移动、跳跃、攻击、躲避、防守等，来达到游戏所要求的目标。l动作游戏讲究逼真的形体动作、火爆的打斗效果、良好的操作手感及复杂的攻击组合等。一般比较有刺激性，情节紧张，声光效果丰富，操作简单。l动作游戏还可进一步分为射击游戏(Sh

12、ooting Game)和格斗游戏(Fighting Game)。 代表性作品代表性作品l射击游戏(STG) 代表作品有彩虹六号(Rainbow 6) l格斗游戏(FTG) 代表作品的有热血街霸(GetAmped) 射击游戏代表作品射击游戏代表作品彩虹六号彩虹六号格斗游戏格斗游戏 代表作品代表作品热血街霸热血街霸 角色扮演游戏角色扮演游戏 （RPGRPG）l是目前最受玩家欢迎的游戏类型之一。l提供给玩家一个可供冒险的世界或者一个反映真实的世界，这个世界包含各种角色、建筑、商店、迷宫及各种险峻的地形。l玩家扮演虚拟世界中的一个或者几个特定角色在特定场景下进行游戏。l玩家依靠自身的胆识、智慧和机敏

13、获得一次又一次的成功，使自己扮演的主角不断发展壮大，从而得到巨大的精神满足。l代表性的作品有传奇、A3、魔兽世界等。例子例子 角色扮演游戏角色扮演游戏传奇传奇FlashFlash动画动画 lFlash动画充分利用了矢量图形来表现剧情，既简洁明了，又减少了文件大小，从而利于网络传播。lFlash动画可在网络上快速加载的另一个原因是“流式内容”。 lFlash动画另一个吸引人之处在于它的交互性。 例子例子Flash动画制作软件动画制作软件Macromedia Flash 常用动画软件常用动画软件lMayal3DS MAX lSoftimage XSI lLightwave 3D lBlenderl

14、RenderManMayalMaya 2009 Windows x64bit 官方于2008年10月正式发行。lAutodesk Maya 2009中有很多的改进，它可以帮助你更有生产力，包括Maya的Assets（资产），预选高亮（Pre-Selection highlighting），热图显示（Heat Map Display），属性传递（Transfer Attribute）以及强大用户界面更新。l您还可以发现Maya 2009中显著的性能改善，在许多领域，包括支持多线程的工作和算法，而且它相比之前版本的速度更快，加速模拟和渲染的表现，甚至可以支持更多巨大的场景。3DS MaxlAuto

15、desk 发布了3ds Max 2009的有关信息。l3ds Max 2009 将被分割成两个产品线：用于游戏以及影视制作的3ds Max 2009 和用于建筑、工业设计、以及视觉效果人员的3Ds Max Design 2009。 Softimage XSIlSoftimage发布了最新版本的3D动画软件XSI 7。此版本是专门为游戏和影视所设计的3D动画软件。lSOFTIMAGE|XSI 7软件中将引进一个被称为ICE的开放式平台。通过一个可视化界面和易于使用的基于节点编程模型，用户可以快速的创建出复杂的视觉特效。lICE可以让艺术家开发，学习以及更改以粒子为基础的视觉特效库和变形工具或是创

16、建一个全新的工具等。 Blender（开源动画软件）（开源动画软件）lBlender是一套跨平台的动画软件，支持FreeBSD，IRIX，GNU/Linux，Microsoft Windows，Mac OS X，Solaris，及 SkyOS。l最初，Blender是荷兰一个影片工作组NeoGeo与Not a Number Technologies (NaN)设计的内部使用软件。但后来其主要设计者Ton Roosendaal于1998年6月将其进一步发展，并对外发布这个软件。l在经过债权人同意后，Blender缴付一次性报酬十万欧元后变为自由软件，并以GNU通用公共许可证发布。在2002年7月18日，Roosendaal开始为Blender筹集资金，在2002年9月7日，Blender宣布筹集足够资金，并将其源码对外公布。所以，Blender现在是自由软件，并由Blender基金会维护与更新。参考文献lJohn Lasseter, “Principles Of Traditional Animation Applied To 3D Computer Animation,” Comput