计算机动画技术7关节与人体动画课件_1

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1、计算机动画技术第七讲关节与人体动画2010北京航空航天大学计算机学院孟宪海22021/8/25北京航空航天大学目录计算机动画中的运动学关节动画技术；正向运动学；逆向运动学；两足行走模型；骨架驱动的肌肉模型；脸部动画技术；32021/8/25北京航空航天大学关节动画技术有骨架动物的动画技术：计算机动画技术中最具挑战性的课题之一；促进了机器人等学科的发展；使人类采用计算机动画技术模拟自身的行为和动作成为了可能；42021/8/25北京航空航天大学关节动画技术骨架动画的复杂性：建模现有的参数曲面、隐函数曲面造型等技术难以再现真实的人物和动物，随着三维扫描技术的出现，该

2、问题已得到较好的解决；绘制动物与人体的绘制有别于传统图形绘制，目前在绘制皮肤、毛发和皱纹等特殊效果上的各种技术日益成熟；运动控制…52021/8/25北京航空航天大学关节动画技术骨架动画的复杂性：运动控制技术—发展较为滞后人体或动物的运动涉及到大量的自由度，其运动的确定非常复杂；运动看上去相对直观、简单，但任何动作都是自然平衡和环境的多重影响的结果，是许多因素的协同作用所致；每个人体或动物角色均有一定的个性，如何抽取描述角色个性的参数是有骨架角色动画的重要问题；62021/8/25北京航空航天大学关节动画技术骨架动画：骨架—控制三维动画角色的运动；角色的骨架定义

3、为一系列骨件，而包裹这些骨件的“皮肤”则是一个顶点网；每个顶点的位置因受到一个或多个骨件运动的影响而变化；因此，只要定义好角色模型的骨架动作就可以实现栩栩如生的动画了；定义为皮肤顶点的运动则以数学公式的方式生成。骨架结构的关键：如何描述估计结构？描述相对运动；降维思想，利用关节结构提供的约束减少参数；72021/8/25北京航空航天大学82021/8/25北京航空航天大学关节动画技术骨架结构的描述：利用关节结构简化骨架结构：如何有效地描述关节链结构？如何有效地控制关节链结构？92021/8/25北京航空航天大学关节动画技术关节结构：关节链一系列依次相连的刚体连接

4、而成的开链；两刚体的连接点称为关节(joint)；连接两相邻关节的刚体称为连杆(link);计算机动画中将关节限制为旋转关节，相邻刚体在其连接关节处只能做相对旋转运动，不能做平移运动；基结点和末端影响器关节链的起点为基结点；其自由末端为末端影响器(endeffector)；102021/8/25北京航空航天大学关节动画技术关节结构：自由度DOF(degreeoffreedom)，完全确定关节链结构的状态所需的独立变量个数；无约束刚体的自由度为6；状态空间定义关节链结构的所有可能形态的向量空间；状态空间的每个向量（状态向量）定义了关节链结构的一种形态；可由一组独立

5、的位置、朝向及关节旋转等参数确定；状态空间的维数等于关节链结构的自由度；Θ=(x,y,z,ξ,φ,ψ)关节的类型：不同自由度的关节结构；112021/8/25北京航空航天大学1DOF2DOF3DOF122021/8/25北京航空航天大学关节动画技术关节结构：一条关节链结构的运动等价于在其状态空间中定义一条m维的运动路径；一条关节链通常不足以定义一个复杂的骨架；需将多个关节链结构有约束地连接起来构造复杂的模型；关节链结构的表示层次模型的关节链结构表示：人和动物的形体通常采用层次关节结构表示；层次关节结构可以利用树状结构来表示；树由节点和连接节点的弧组成；层次最高的

6、节点称为根节点，对应于层次结构中在世界坐标系下已知位置的根对象；层次结构中的其他节点的位置通过与根节点的相对关系来定位；叶节点，父节点，子节点；132021/8/25北京航空航天大学关节链结构的表示层次模型的关节链结构表示：树中的节点对应于关节链结构的连杆；树中的弧对应于关节链结构中的关节；142021/8/25北京航空航天大学关节链结构的表示层次模型的关节链结构表示：节点和弧中保存的结构信息；152021/8/25北京航空航天大学162021/8/25北京航空航天大学关节链的树结构示例：关节链的树结构示例：172021/8/25北京航空航天大学182021/8

7、/25北京航空航天大学192021/8/25北京航空航天大学202021/8/25北京航空航天大学关节链结构的表示DH表示法：对每一链杆建立坐标标架来描述链杆相对于其相邻的链杆的运动；用四个独立的参数来定义相邻链杆坐标标架间的线性变换关系；链杆的长度li、相邻链杆间的距离di、扭角αi和夹角βi；(li,αi)链杆参数；(di,βi)关节参数；适合一个旋转自由度的关节；212021/8/25北京航空航天大学关节链结构的表示222021/8/25北京航空航天大学232021/8/25北京航空航天大学关节链结构的表示AP表示法：DH表示法比较经济，没有任何冗余信息，

8、但只能表示单链结构；19