计算机动画与仿真综述.doc

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1、计算机动画与仿真综述11?如1998年ACMsiggraph计算机图形杰出奖获得者MichaelF.Cohen在今年siggraph论文前言所述，在siggraph过去的25年历史里，我们的世界发生了翻天覆地的变化。在电影屏幕上，当恐龙以不可思议的真实朝我们走來时，很少人会表示惊讶。对穿梭于电视屏幕上闪闪发光的三维标志人们已经习以为常。这充分说明，计算机动画已经渗透进人们的生活。在过去几十年里，计算机动画一直是人们研究的热点。在全球的图形学盛会siggraph±,几乎每年都有计算机动画的论文和专题。如在

2、今年的siggraph年会上，就有两个计算机动画的专题：一个为动画和仿真；另一个为脸部造型和动画。甚至论文集封面和封底上的图形也与动画有关：一-幅为衣服动画的图形，另一幅为脸部表情的图形。计算机动画每年一度的学术会议ComputerAnimation和学术期刊《JournalofVisualizationandComputerAnimation》为专业人士观摩和交流这方面的研究成果提供了进一步的机会。推动计算机动画发展的一•个重要原因是电影电视特技的需要。H前，计算机动画已形成一个巨大的产业，并有进一步

3、壮大的趋势。随着计算机硬件性能价格比的快速提高，商用动画软件公司及时地推出了动画软件的微机版本。如原来运彳亍于T作站上价格昂贵的动画软件softimage和maya现在都己有NT版本，出然还有许多原来运行于Windows/NT±的动画软件3DS、3DMAX.lightwave等。计算机动画是计算机图形学和艺术相结合的产物，它是伴随着计算机硬件和图形算法高速发展起来的一门高新技术，它综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学和其它相关学科的知识在计算机上生成绚丽多彩的连续的虚拟真实画面，给人们提供了一个充分展

4、示个人想象力和艺术才能的新天地。在《侏罗纪公园》、《失落的世界》和《魔鬼终结者》等优秀电影屮，我们可以充分领略到计算机动画的高超魅力。计算机动画不仅可应用于电影特技、商业广告、电视片头、动画片、游艺场所，还可应用于计算机辅助教育、军事、飞行模拟，甚至于法院的审理。简单地讲，计算机动画是指用绘制程序生成一系列的景物画面，其小当前帧画面是对前一帧画面的部分修改。动画是运动屮的艺术，正如动画大师JohnHalas所讲的，运动是动画的要素。计算机动画所生成的是一个虚拟的世界，画面屮的物体并不需要真正去建造，物体

5、、虚拟摄像机的运动也不会受到什么限制，动画师可以随心所欲地创造他的虚幻世界。在本文屮，我们将从关键帧动画、变形物体动画、过程动画、关节动画和人体动画、基于物理的动画儿个方面对计算机动画作一个较全面的综述。一、关键帧动画关键帧的概念來源于传统的卡通片制作。在早期WaltDisney的制作室，熟练的动画师设计卡通片屮的关键画而，也即所谓的关键帧，然后由一般的动画师设计屮间帧。在三维计算机动画屮，屮间帧的生成由计算机来完成，插值代替了设计屮间帧的动画师。所有影响画而图彖的参数都可成为关键帧的参数，如位置、旋转

6、角、纹理的参数等。关键帧技术是计算机动画屮最基本并且运用最广泛的方法。另外一-种动画设置方法是样条驱动动画。在这种方法屮，用户采用交互方式指定物体运动的轨迹样条。几乎所有的动画软件如Alias、softimage>Wavefront>TDK3DS等都提供这两利

7、基本的动画设置方法。无论是样条驱动动画还是关键帧插值方法，都会碰到这个问题：给定物体运动的轨迹，求物体在某一帧画面屮的位置。物体运动的轨迹一般由参数样条來表示。如果直接将参数和帧频联系起来，对参数空问进行等问隔采样，有可能带来运动的不均匀性。为了

8、使物体沿一样条匀速运动，必须建立弧长与样条参数的一一对应关系。Guenter等提出用Gauss型数值积分方法计算弧长，用Newton-Raphason迭代来确定给定弧长点在曲线上的位置，并采用查找表法记录参数点弧长值的方法来加速计算。在动画设计屮，动画师经常需调整物体运动的轨迹來观察物体运动的效果，交互的速度是一个很重要的因素。Watt等提出了用向前差分加查找表的方法来提高交互的速度。在精度要求不是很高的情况下，他们的方法非常有效。从原理上讲，关键帧插值问题可归结为参数插值问题，传统的插值方法都可应用到

9、关键帧方法屮。但关键帧插值又与纯数学的插值不同，它有其特殊性。一个好的关键帧插值方法必须能够产生逼真的运动效果并能给用户提供方便有效的控制手段。一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的，但从运动学或动画设计来看可能是错误的或者不合适的。用户必须能够控制运动的运动学特性，即通过调整插值函数来改变运动的速度和加速度。为了很好地解决插值过程屮的吋间控制问题，Steketee等提出了用双插值的方法来控制运动参数。其屮之一为位置样条，它是位置对关键帧