[高等教育]089计算机图形学课件北工大8计算机动画.ppt

2019/5/3,1,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,谁陷害了兔子罗杰？,2019/5/3,3,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；,2019/5/3,4,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,2019/5/3,5,计算机动画的生成过程,造型 运动控制 绘制,2019/5/3,6,典型三维动画系统结构,2019/5/3,7,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,2019/5/3,8,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,2019/5/3,9,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：？,2019/5/3,10,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,2019/5/3,11,策略二：非线性插值,中间帧沿曲线呈等距分布,2019/5/3,12,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,2019/5/3,13,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,2019/5/3,14,二维图形关键帧方法,多边形之间的顶点对应及插值问题,A1,A2,A3,B1,B2,B3,2019/5/3,15,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,2019/5/3,16,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,2019/5/3,17,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,2019/5/3,18,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。,2019/5/3,19,续,可使用样条插值 Hermit曲线,2019/5/3,20,考虑时间连续性的插值路径,2019/5/3,21,三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,2019/5/3,22,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,2019/5/3,23,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,2019/5/3,24,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,2019/5/3,25,续:,2019/5/3,26,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,2019/5/3,27,例：人体动画的实现-骨骼动画,2019/5/3,28,人体关节运动控制,前向运动学模型,2019/5/3,29,续：,逆向运动学模型,2019/5/3,30,续：Motion Capture,2019/5/3,31,2019/5/3,32,可捕获的参考点,2019/5/3,33,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,2019/5/3,34,2019/5/3,35,动态皮肤变形动画,Sang Il Park, SIGGRAPH 2006,2019/5/3,36,续：,2019/5/3,37,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,Demo-08,2019/5/3,38,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,2019/5/3,39,粒子系统,适宜于云、烟、火、瀑布、焰火等模拟,2019/5/3,40,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,2019/5/3,41,网格分辨率模拟的关键 碰撞检测计算耗时,2019/5/3,42,二维动画软件,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:3D Flash Animator 其它: Animator Studio Firework等,2019/5/3,43,三维动画制作软件,Autodesk公司：1991年推出DOS下的动画软件3D Studio；1996年推出Windows下的3D MAX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) Softimage 3D：Softimage公司产品，有SGI和NT版本 LIGHTWAVE 3D :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,2019/5/3,44,例:,3D MAX制作的建筑图,2019/5/3,45,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、特殊