计算机图形学应用基础 课件 第6章 计算机动画2

计算机动画授课教师：单位：过程动画技术

过程动画是指采用一个过程来描述物体的运动或变形。最简单的过程动画是设立一个数学模型去控制物体的几何形状和运动，如旗帜迎风招展、水波随风荡漾等。较复杂的过程动画则可能包括物体的跳跃、拉伸、爆炸、碰撞等复杂运动。例子动画演示动画演示粒子系统

粒子系统是最实用的过程动画技术之一，是影视特技中生成特殊视觉效果的一种主要方法。这一方面的先驱是Reeves，他在1983年所发表的论文中成功地提出了一种模拟不规则自然景物生成和动画的系统，也就是所谓的粒子系统。粒子系统采用了一套完全不同于以往的造型、绘制方法来构造、绘制景物，造型和动画巧妙地连成一体。景物被定义为由成千上万个不规则的、随机分布的粒子所组成，而每个粒子均有一定的生命周期，它们不断改变形状、不断运动。可很好地模拟火、云、水、森林和原野等自然景物。应用例子泡沫、溅起的水花采用粒子系统生成《完美风暴》剧照动画演示生成粒子系统某瞬间画面的基本步骤粒子系统的基本思想是将许多简单形状的微小粒子作为基本元素聚集起来形成一个不规则的模糊物体，每个粒子均经历出生、成长、衰老和死亡的过程，与粒子有关的每一参数均将受到一个随机过程的控制。生成粒子系统某瞬间画面的基本步骤是：生成新的粒子并加入系统中；赋予每一新粒子以一定的属性；删除那些已经超过其生命周期的粒子；根据粒子的动态属性对粒子进行移动和变换；绘制并显示由有生命的粒子组成的图形。

群体动画在生物界，许多动物如鸟、鱼等以某种群体的方式运动。这种运动既有随机性，又有一定的规律性。Reynolds提出的群体动画成功地模拟了这种方式的运动。Reynolds指出，群体的行为包含两个对立的因素，即既要相互靠近又要避免碰撞。用三条按优先级递减的原则来控制群体的行为：碰撞避免原则，即避免与相邻的群体成员相碰；速度匹配原则,即尽量匹配相邻群体成员的速度；群体合群原则,即群体成员尽量靠近。在同一物理环境下拥有相同目的的一群个体，他们的行为有别于作为单独个体时的行为。(Alargegroupofindividualsinthesamephysicalenvironmentsharingacommongoalandmayactinadifferentwaythanwhentheyarealone.)(Benesh,86andRoloff,81)

群组的定义群组层次群——Crowdbehaviors组——Groupbehaviors个体——Individualbehavior得到大场面的视觉震撼效果动漫设计和影视特技中，不可避免地会遇到各种大规模群体动作场面的制作。例如，两军对垒中的数十万大军冲锋的效果、兽群、鸟群等。减少动画师的工作量节约成本请群众演员成本高、指挥调度难、拍摄困难。成功例子：《指环王》系列、《狮子王》、《纳尼亚传奇》、《星球大战前传》、《木乃伊》等为什么需要群组动画？应用例子《花木兰》剧照《贞观之治》剧照动画演示WetaDigital公司网站/看过“theLordoftheRings”指环王三部曲的观众都会被其中千军万马的宏大场面所折服，这要归功于能创造数以万计数字角色的群组模拟软件Massive。在2007年8月7日的SIGGRAPH上，MassiveSoftware发布了最新版Massive3.0，新版软件包括了对MentalRay和MayaFBX格式的支持。群组模拟软件MassiveMassive是为指环王三部曲的制作而开发的。其创始人为新西兰人StephenRegelous当PeterJackson（指环王三部曲的导演）问Regelous能否为指环王三部曲开发一套群组模拟系统的时候，他立即就被这个项目吸引了。Regelous担任了指环王三部曲的群组模拟主管，并花了2年的时间编写出了Massive。荣获2003年奥斯卡科学与工程奖群组模拟软件Massive布料动画

布料在日常生活中随处可见，在计算机动画中出现布料的场合很多，如服饰、窗帘、桌布、飘动的旗帜等。衣服覆盖了人体的80%以上，如果要求人体动画具有令人满意的细节和真实感，那么布料动画是不可缺少的。布料动画的一个特殊应用领域为时装设计，它将改变传统的服装设计过程，让人们在着装之前看到服装的式样和试穿后的效果。布料动画例子动画演示动画演示基于深度学习的布料仿真XiaoyuPan,JiamingMai,XinweiJiang,DongxueTang,JingxiangLi,TianjiaShao,KunZhou,

XiaogangJin,DineshManocha，PredictingLoose-FittingGarmentDeformationsUsingBone-DrivenMotionNetworks,ProceedingsofSiggraph'2022.脸部表情动画

脸部表情动画在影视特技、人机交互、游戏等方面都具有重要的应用。关键帧插值法。该方法先用数字化仪将人脸的各种表情输入到计算机中，然后用这些表情的线性组合来产生新的脸部表情。基于肌肉模型的脸部表情模拟方法。表情捕捉法。应用实例《指环王2》剧照，古鲁姆的表情真实感人脸建模和表情关节动画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。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。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。例子可以用于关节动物也可以用于无生命的物体以创建拟人效果用关节表示人体动画动画演示2007.10.11浙江大学CAD&CG国家重点实验室32正运动学方法在正运动学方法中，所有关节向量的值均由动画师显式给出，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。

逆运动学方法逆运动学方法（InverseKinematics）是一种目标导向的运动指定方法，简称IK。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。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。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

动力学方法在动力学方法中，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。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；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(MotionCapture)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。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。运动捕获可以获取表演者动作的个性和细节，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《指环王》系列电影中的古鲁姆的运动《指环王：双塔奇谋》应用实例《加勒比海盗3》运动捕获的三种技术光学运动捕获系统磁性运动捕获系统机械式运动捕获系统(a)光学运动捕获系统(b)磁性运动捕获系统(c)机械式运动捕获系统运动重现（MotionRetargeting）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角色的关节结构尺寸接近。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。运动重现(MotionRetargeting)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定义运动的约束条件对于整个运动，求解约束优化问题动画演示Tangetal.Real-timeControllableMotionTransitionforCharacters,Siggraph2022角色的运动过渡演员和虚拟角色的一致性(a)表演者(b)树怪为了使树怪的关节尺寸与表演者接近并表现出沉重的步伐，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。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。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。二维运动模糊。三维运动模糊或时间域超采样。2.5维运动模糊。应用例子动画演示动画后期合成

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，并能生成许多视频编辑器难以实现的效果。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。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。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《恐龙》

虚实无缝合成需要考虑的因素

虚拟场景与真实场景的透视关系应一致。虚拟场景的光照情况应与真实场景一致。虚拟场景与真实场景的相互作用。虚拟场景与真实场景的遮挡关系。α分量

图像合成中的一个重要概念是图像像素的α分量。α分量指明了当前图像在该像素处的透明度，α为0时表示当前图像在该像素为全透明的，α为1时表示当前图像在该像素处为不透明的。α分量获取方式：由动画软件直接计算得到。抠象方法计算得到。图像合成操作

(a)输入图像(b)α通道(c)合成结果虚拟演播室

虚拟演播室是建立在高速图形计算和视频色键基础上发展起来的演播室技术。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。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是在色键系统的基础上发展起来的。色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。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。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。例子虚拟演播室中的虚拟背景计算机游戏

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。网络游戏的形式有很多种类战略游戏(RealtimeStrategyGame)动作游戏(ActionGame)角色扮演游戏(RolePlayingGame)

战略游戏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。代表性的战略游戏有《红色警戒》(RedAlert)动作游戏

强调玩家的反应能力和手眼的配合。剧情比较简单，只要熟悉操作技巧就可以进行游戏。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。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。动作游戏还可进一步分为射击游戏(ShootingGame)和格斗游戏(FightingGame)。代表性作品射击游戏(STG)代表作品有《彩虹六号》(Rainbow6)格斗游戏(FTG)代表作品的有《热血街霸》(GetAmped)

射击游戏代表作品《彩虹六号》格斗游戏

代表作品《热血街霸》角色扮演游戏

（RPG）是目前最受玩家欢迎的游戏类型之一。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。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。玩家依靠自身的胆识、智慧和机敏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。代表性的作品有《传奇》、《A3》、《魔兽世界》等。例子角色扮演游戏《传奇》Flash动画

Flash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。Flash动画可在网络上快速加载的另一个原因是“流式内容”。Flash动画另一个吸引人之处在于它的交互性。例子Flash动画制作软件MacromediaFlash

Cinema4DLightWave3DMotionBuilderBlender常用动画软件Autodesk3dsMaxAutodeskMayaHoudiniPoserAutodeskMayaAutodesk3dsMaxLightwave3DRenderman(Pixar)RenderMan以其高超的渲染质量和及其快速的渲染能力被广泛应用在高端动画生产制作过程中。在当今的动画电影和影视特效等高端领域，RenderMan是必不可少的一个渲染解决方案（另一个高端解决方案是著名的MentalRay渲染器），世界上许多著名制作公司象ILM和Sony等都使用它作为作为渲染的最终解决方案之一。

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Blender是一套跨平台的开源动画软件，支持FreeBSD，IRIX，GNU/Linux，MicrosoftWindows，MacOSX，Solaris，及SkyOS。最初，Blender是荷兰一个影片工作组NeoGeo与NotaNumberTechnologies(NaN)设计的内部使用软件。但后来其主要设计者TonRoosendaal于1998年6月将其进一步发展，并对外发布这个软件。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