计算机动画技术_7_关节与人体动画课件.ppt

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1、计算机动画技术第七讲关节与人体动画2009北京航空航天大学计算机学院孟宪海2021/7/281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；运动捕捉技术；过程纹理动画；2021/7/282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；2021/7/283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

2、的人物和动物，随着三维扫描技术的出现，该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…2021/7/284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；2

3、021/7/285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。2021/7/286北京航空航天大学关节动画技术骨架结构的关键：关节结构：基于关节链的运动控制：如何有效地描述关节链结构；如何有效地控制关节链结构；2021/7/287北京航空航天大学关节动画技术

4、关节结构：关节链一系列依次相连的刚体连接而成的开链；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)；2021/7/288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

5、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)2021/7/289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；2021/7/2810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

6、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；2021/7/2811北京航空航天大学关节链结构的表示2021/7/2812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，但只能表示单链结构；1988年，轴位置关节表示法(Axis-positionjoint,AP);可以方便地表示多分支的关节结构；需要存

7、储：每个关节的位置；每个关节轴线的方向；指向每个关节所连的链杆的指针；描述相邻链杆的关系时需要七个参数，DH只需要四个；2021/7/2813北京航空航天大学关节动画技术关节链结构的运动求解技术：驱动关节链结构运动的方式；运动学模型（kinematics）：物体的运动独立于产生运动的力，其参数包括物体的位置、速度和加速度；动力学模型（dynamics）：物体的运动由所受的力控制，有关运动参数完全由动力学方程决定；2021/7/2814北京航空航天大学关节链结构的运动控制运动学模型：结构的运动要受到整体连

8、接性的限制；一个连杆引起其周围的连杆运动，连杆本身具有限制；由于这些限制必须在所有的插值位置上有效，所以不能轻易的使用关键帧系统；设关节链的末端影响器关于世界坐标系的方位为X;关节链结构的状态向量为Θ；X=f(Θ)2021/7/2815北京航空航天大学关节链结构的运动控制运动学模型：正向动力学(ForwardKinematics)通过给定状态向量Θ来确定各关节的位置及末端影响器的位置，正向求解过程；X=f(Θ)逆向动力学(InverseKi