高等教育089计算机图形学北工大8计算机动画.pptx

交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二1第八章第八章 计算机动画Computer animationComputer animation通过计算机生成连续的动态画面提提 纲纲起源与发展起源与发展典型动画方法典型动画方法谁陷害了兔子罗杰？交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二3计算机动画的起源与发展n早期:将计算机用于自动控制动画机械设备n20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n70年代:星球大战等影片采用了三维动画技术n80年代:nWavefront（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；交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二4续：n90年代流行的动画制作软件：n3D Studio(3D MAX)：AutodesknMAYA：Alias 合并Wavefront推出nSoftimage一起成为当前最流行的动画制作软件n本世纪：网页动画格式及制作软件nMacroMedia推出的Flash交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二5计算机动画的生成过程n造型n运动控制n绘制交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二6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交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二7典型动画方法n关键帧动画方法n二维图形的关键帧方法n三维图形的关键帧方法n图像的关键帧方法n造型动画法：人体动画和关节动画n过程动画交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二8关键帧方法n原理：n根据动画设计者提供的一组重要画面生成“关键帧”n通过对关键帧进行插值生成中间过渡画面n核心问题：n关键帧生成策略n关键帧中物体要素之间的对应问题n对应要素之间的插值方法交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二9关键帧生成问题的一般描述n每一关键帧可视为一组参数(状态)的定义n关键帧序列可视为高维状态空间中的点集n中间帧（inbetween）的计算可视为在上述点之间进行插值n插值策略：？交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二10策略一：线性插值n中间帧沿关键帧构成的直线呈等距分布n分布距离由用户指定的帧/秒确定交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二11策略二：非线性插值n中间帧沿曲线呈等距分布交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二12策略三：有松弛的非线性插值n根据运动对象的速度值,计算中间帧所在的位置交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二13分参数插值策略n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n关键帧插值扩展为关键值插值n对每个变量定义插值路径交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二14二维图形关键帧方法n多边形之间的顶点对应及插值问题A1A2A3B1B2B3交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二15顶点对应规则n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n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n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交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二16续：n例：建立多边形A=A1,A2,.,An和B=B1,B2,.,Bn之间的顶点对应关系。n解：引入能量函数交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二17续：n顶点数不同时的处理：增加顶点n重顶点n分割边界n复杂图形的对应n交互指定关键顶点间的对应关系n自动寻找其它顶点之间的对应关系交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二18插值路径n沿着不同的插值路径将得到不同的中间多边形n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。交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二19续n可使用样条插值nHermit曲线交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二20考虑时间连续性的插值路径交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二21三维图形的关键帧方法原理与二维图形关键帧方法相同n多面体之间的顶点对应更加困难n基本算法：n把两个物体映射到同一个单位球上；n在单位球上将两个物体的拓扑结构合并为一；n将合并后的拓扑结构映射回原来的物体n在拓扑同构的物体间建立对应关系并插值交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二22图像的关键帧方法n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n图像间的关键帧对应方法：解决图像间像素的对应关系n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，真实感差交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二23基于特征的图像变形技术n1992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交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二24续：n建立多对特征线增强对图像变形的控制能力n例：以两对特征线为基础的对应交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二25续:交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二26人体动画和关节动画n人体动画主要包括：n面部表情n躯体动画n手的运动n人体动画的困难在于n人体造型：外形及皮肤的质地和颜色n运动控制：特别是表情和肌肉的活动演示交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二27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-骨骼动画交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二28人体关节运动控制n前向运动学模型交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二29续：n逆向运动学模型交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二30续：Motion Capture交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二31交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二32可捕获的参考点交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二33Motion capture流程n跟踪参考点的运动n人体/人脸n磁性/光学/外骨骼参考点n转换为关节角度 n驱动该关节对应的3-D模型n根据当前环境调整相应动作n增加用户控制交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二34交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二35动态皮肤变形动画Sang Il Park,SIGGRAPH 2006交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二36续：交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二37基于MPEG-4的人体/人脸动画n人脸和人体动画标准（Face and Body Animation）FBA。n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n人脸动画标准使用：FDPS、FAPS Demo-08交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二38过程动画n与代数动画法相结合，用一个过程来描述物体的变动规律n粒子系统：将造型和动画连成一体n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n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、布料等交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二39粒子系统n适宜于云、烟、火、瀑布、焰火等模拟交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二40服装面料n不同种类具有不同属性n不是简单的弹性曲面n各向异性交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二41n网格分辨率模拟的关键n碰撞检测计算耗时交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二42二维动画软件nMacromedia公司出品的Flash n被广泛用于制作网页动画被广泛用于制作网页动画n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n有三维版本:3D Flash Animatorn其它:nAnimator StudionFirework等交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二43三维动画制作软件nAutodesk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n高端市场：nAlias合并Wavefront又被SGI收购后推出MAYA(SGI/NT版本)nSoftimage 3D：Softimage公司产品，有SGI和NT版本nLIGHTWAVE 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进行动作控制交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二44例:n3D MAX制作的建筑图(a)在3DS Max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交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二45动画的后期处理n动画的后期处理动画的后期处理n影视片段剪辑与特技处理影视片段剪辑与特技处理n包括合成、图像包括合成、图像Morphing、特殊光效等、特殊光效等n软件主要有：软件主要有：nDiscreet Logic公司的公司的FlintnSoftimage公司的公司的EddienAlias公司的公司的ComposernAdobe公司的公司的After Effects、Premier 交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics交互式计算机图形学2024/4/9 周二46总结n动画流程n典型的动画方法n关键帧动画方法n造型动画法：人体动画和关节动画n过程动画n典型动画制作软件