3D图形大揭秘：计算机3D动画.pdf

数字生活指南3D图形大揭秘：计算机3D动画浩然大家好，我是浩然。在上一期中，我们学习了如何得到更优良的纹理。本期是这个系列的最后一期，我们将了解计算机是如何进行三维动画显示的。首先，我们可以简单地将运动分为两种刚体动画（图2）：场景中物体的运动和镜头的运动。后者比较简单，我们只要像拍摄电影或视频那我们在上半年学习二维动画时，了解了样，将虚拟的摄像机按照一定的轨迹进行移二维动画显示的基本原理。快速翻动一本画有动、旋转即可。连续动作的小册子（图1），由于人眼的视觉暂留效果，就形成了连续的画面，这就是动画的原理。电影的原理与此类似，一分钟内拍摄24张以上的照片，放映的时候采用同样的速度进行播放，就可以还原动态影像了。那么，三维动画和游戏又是如何得到连续画面的呢？图2前者则比较复杂。我们已经了解过，三维物体一般是通过三角形网格来表示的，修改网格每个顶点的坐标就可以改变物体的形状。但是，高精度的三维网格的顶点数量非常庞大，可能有数万个图132（图4）。想象一下，我们将一个长方体进行甚至数十万个顶点，此时，我们显然无旋转，既可以绕着竖直方向旋转，也可以绕着法手动更改每个顶点的坐标，而必须依水平方向旋转，还可以绕纵深方向旋转。靠计算机程序，实现坐标的自动修改。我们曾经学习过二维图形的变换，二维图形的变换方法同样适用于三维图形。例如，三维图形同样可以被平移，我们只要将每个顶点的坐标都增加相同的向量，就可以将其沿着某个方向移动（图3，上面的五星只有一个顶点被移动了，下面的五星5 个顶点都被移动了，就产生了平移效果）。同样，旋转也可以通过一定的运算来实现，骨骼动画与动作捕捉不过，刚性运动不能表示比较复杂的动画。例如，我们人类在走路的时候并不是简单的平图3平移和旋转由于只改变了物体在空间中的位置，而不会改变物体本身的形状，是动画显示中比较简单的变换形式。平移、旋转，以及同时进行平移和旋转的运动被称为刚性（Ri g i d）运动。对于二维平面而言，每个图形的刚性运动可以用绕中心旋转角、X方向位移和Y方向位移三个数值来表示。而对于三维图形而言，位移则需要在X、Y、Z三个方向上进行移动；旋转更复杂，需要依次绕X、Y、乙方向旋转，故需要知道三个方向上的旋转角移，而是有对应的肢体动作。现在，我们将情况进行简化（使用二维图形来说明），考虑一个“火柴人”（图5）的运动情况：火柴人的身体形状不是固定不变的，每一部分都可以单独活动，所以我们可以将其肢体的每一部分都看作一个单独的模型，每个模型都可以单独进行刚性运动，这样就可以实现复杂的运动了。但是，如果我们任意对每个部分进行移动，火柴人的身体可能就散架了（图6）。33这时候，我们就可以运用动作捕捉技术，即让真实的演员穿上特定的动作捕捉服，在摄影棚中像拍摄电影一样做各种动作（图8）。图8不过此时我们不是用摄像机拍摄画面，而是用电脑记录动作捕捉服所确定的关节的位置和状态。这样，我们就可以轻松地获得大量的动作细节了。之后，我们再将这些信息应用到“火柴人”上，图5所以我们需要在相邻两个部分的连接处添加“关节”。最简单的一种关节是“球形关节”（图7）。顾名思义，这种关节将相邻两个部分的一端固定在一起，二者可以绕关节做球形旋转，但是不能分离。这样的关节，也被称为“约束”，因为它限制了每个部分的移动范围。这样，“火柴棍”以及它们之间的关节就组成了人的骨骼一样的系统。图6就可以实现“火柴人”的动画了。图7现在，我们就可以靠改变每个部分的位这样从外表看上去就不是单调的火柴棍，而置来实现动画了。不过，要实现更逼真的效果，是有血有肉的人需要的关节数量会比较多，制作起来很不方了一当骨骼运便，而且通过人工的方式慢慢调节，也很难动时，蒙皮也随得到自然流畅的动作。比如，人在站立时往之一起运动。这往不是完全静止的，而是会不自样的动画就是“骨觉地有一些小动作。如果设计人骼动画”，我们员忽视了这一点，画面就会不太无须确定一个人自然。但是这些不自觉的物肢体每一部分的运动情况，只要掌握相对简动作又太琐碎，不太好处理。最后，我们可以对骨骼进行蒙皮（图9）。图9单的骨骼整体运动即可。34角形网格一没错，我们再次用到了“化一系列回顾曲为直”理念。时间过得好快啊，一年1 2 期这么快就结束了是的，又到了说再见的时间了。还记得我们介绍过哪些内容吗？我想想，最开始我们介绍了计算机显示、图片保存的基础一一点阵图。使用纹理给三角形网格赋予图案倒是比较容易，不过之后讲的如何优化纹理就稍微有点儿难了。哈哈，没关系。能够理解这么多已经非常了不起了。结语没错，后面我们又陆续学习虽有许多不舍，3D图形大揭秘这个了二维图形的变换，以及如何绘系列也要在这里跟大家说再见了，这大概也将制直线。这期间我们介绍了线性组合与线是我与少电的最后一次告别了。上小学时性插值。我订阅少电，升入高年级后我不再订阅，这是以读者身份的告别。中学时，我开始向少电投稿，完成了RPGMakerVA游戏制作系列，随后我因为准备高考停止了投稿，这是以作者身份的告别。当我步入大学，疾风又找到我，我又回到少电的大家庭，先后完成了失落的小读者之城游戏制作系列、从零开始学游戏编程系列以及今年的3D图形大揭秘系列。少电带给我很多美好的回忆，也给了我一个舞台，将自己的专业知识发挥出来。现实中，我目前是浙江大学的一名博士生，后来我们遇到了一个难题何画一条曲线，没想到，解决办法竟然是将它转换为许多很短的线段。是的，“化曲为直”在整个计算机图形世界中是一个非常重要的理念。可以说，脱离了“化曲为直”，我们就不可能得到三维图形。说到三维图形的构建，最开始讲的“体素”真的非常直观，玩过Minecraft的话，就更容易理解了。在电影和游戏中，表示三维形状时，更多的时候还是利用三一如主要研究计算机图形学一今年的这个系列属于我的专业范围。这次与少电道别，我将全身心投入博士学位的攻读中，希望将来有一天，能够与诸位读者以某种方式再次相会。35