（計算機應用技術(shù)專業(yè)論文）卡通爆炸特效建模與繪制.pdf

浙江大學碩 學位論文 摘要 摘要 菲真實感繪制 n o n p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g n p r 是計算機技術(shù)與繪畫藝術(shù) 相結(jié)合的一個研究領(lǐng)域 其主要內(nèi)容是用計算機的軟硬件來模擬各種藝術(shù)式的繪 制風格來產(chǎn)生各種動畫效果 近年來 隨著計算機技術(shù)的不斷進步 非真實感繪 制在卡通動畫領(lǐng)域的應用越來越廣 其中對卡通煙霧 卡通云和卡通爆炸效果的 模擬是一個比較活躍的研究方向 目前已有學者提如一些用計算機自動實現(xiàn)手繪 卡通煙霧與卡通云效果的方法 但對手繪卡通爆炸效果的計算機模擬繪制仍然沒 有 個完整的系統(tǒng) 本文在卡通煙霧建模技術(shù)的基礎(chǔ)上 對卡通爆炸效果的建模 與繪制技術(shù)進行了深入的研究 提怨了 個比較完整的卡通爆炸效果繪制系統(tǒng) 從蠢實現(xiàn)了對傳統(tǒng)手繪卡通爆炸效果的計算機模擬繪制 本文提出的系統(tǒng)首先對手繪卡通爆炸的動畫序列及其動態(tài)規(guī)律進行了分析 并在這個基礎(chǔ)上建立一個卡通爆炸效果的動態(tài)骨架 沿著該動態(tài)骨架繪制出不同 類型和顏色的煙霧基元 最后自動形成卡通爆炸效果的動畫序列 本系統(tǒng)總體上 可以分為建模及繪制兩方面 卡通爆炸效果的建?；诳ㄍ熿F建模 主要包括 三個階段 爆炸預備 迅速爆炸和彌教過程 在爆炸的不同除段 煙霧基元的形 狀各異 因此系統(tǒng)需要分別就三個階段建立相應的煙霧基元 對這些煙霧基元進 行歸類 確定其靜態(tài)形狀和動態(tài)變化規(guī)律 卡通爆炸特效的繪制主要是煙霧基元 的著色和爆炸的一個動態(tài)實現(xiàn)問題 對于煙霧的著色 由于系統(tǒng)包括多種非規(guī)則 的多邊形基元 在此引入多種填色算法如三角化算法 而動態(tài)的實現(xiàn)主要介紹煙 霧基元的保存 更新 重繪等 同時 系統(tǒng)在控制參數(shù)中弓 入隨機分量 使得生成的卡遙爆炸特效在整體上 相似 但局部有不相同的變化 在實現(xiàn)參數(shù)化控制的基器爨上 系統(tǒng)可以控制其爆 炸的起始位置 大小 變化速度等 控制運動軌跡可以生成不同效果的爆炸模型 該系統(tǒng)的研究在卡通動畫 游戲等領(lǐng)域有廣泛的應用前景 關(guān)鍵詞 非真實感繪制 卡通動釃 卡通爆炸 建模 繪制 i 浙江大學碩士學位論文a b s t r a c t a b s t r a c t n o n p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g n p r c o n d u c t sr e s e a r c ht h a tc o m b i n e sa e s t h e t i c a n ds t y l i z e de l e m e n t 麗mc o m p u t e rg r a p h i c s i tp r i m a r i l yf o c u s e so ne x t r a c t i n gt h e d r a w i n gs t y l ef r o ma r t i s t i ci n f o r m a t i o n a n ds i m u l a t i n gv a r i o u sa n i m a t i o ne f f e c t sb a s e d o na b o v es t y l e i t sg a i n i n gm o r e a n dm o r ep o p u l a r i t yi nt h ea r e ao fc a r t o o na n i m a t i o n e s p e c i a l l yt h es i m u l a t i o no fc a r t o o ns m o k e c a r t o o nc l o u d sa n dc a r t o o ne x p l o s i o n f o r c a r t o o ns m o k ea n dc a r t o o nc l o u d s t h e r ea r ea l r e a d ye x i s t i n gt e c h n o l o g i e sp r o p o s e dt o a u t o m a t i c a l l yr e n d e rt h e s eh a n d p a i n t e de f f e c t s b u tt h e r ei s n tac o m p l e t et e c h n o l o g y o rs y s t e mf o rs t i m u l a t i n gt h eh a n d p a i n t e de f f e c to fc a r t o o ne x p l o s i o n t h i sp a p e r p r e s e n t sap r o f o u n ds t u d yo nt h et e c h n o l o g yo fm o d e l i n ga n dr e n d e r i n gt h ec a r t o o n e x p l o s i o ne f f e c tb a s e do nc a r t o o ns m o k e sm o d e l i n g a n db r i n g s0 1 1a l li n t r o d u c t i o no n a c o m p l e t es y s t e mt os i m u l a t et h ee f f e c to fc a r t o o ne x p l o s i o n t h es y s t e mo fc a r t o o ne x p l o s i o nc o n s i s t so ft w om a i nt a s k s m o d e l i n ga n d r e n d e r i n g f i r s t l y t h es y s t e ma n a l y z e st h eh a n d p a i n t e dc a r t o o ne x p l o s i o ns e q u e n c e a n di t sm o t i o no r d e r l i n e s s a n dt h e nb u i l d sad y n a m i cs k e l e t o nt os e q u e n t i a l l yr e n d e r s m o k ew i t hd i f f e r e n tt y p e sa n dc o l o r a sar e s u l t ac a r t o o n e x p l o s i o ne f f e c t i s g e n e r a t e d t h em o d e l i n gp r o c e s so fc a r t o o ne x p l o s i o ni nt h es y s t e mb a s e do nt h e m o d e l i n go fc a r t o o ns m o k e i ti n c l u d e st h r e es t a g e s p r e p a r a t i o n p r o m p te x p l o s i o na n d d i f f u s i o n w ee s t a b l i s hs m o k es k e l e t o n si nt h e s et h r e es t a g e sr e s p e c t i v e l y c l a s s i f yt h e s m o k ea sw e l la sb u i l dt h e i rs t a t i cf o r m sa n dl a wo ft h e i rm o v e m e n t s t h er e n d e r i n go f c a r t o o ne x p l o s i o nc o n s i s t so f c o l o r i n ga n di m p l e m e n t a t i o no ft h ed y n a m i ce x p l o s i o n b e c a u s et h e r ea r em a n yd i f f e r e n ts m o k es k e l e t o n si nt h es y s t e m m o s to fw h i c ha l e i r r e g u l a rp o l y g o n s t h i sp a p e re l a b o r a t e ss e v e r a la l g o r i t h m sf o rc o l o r i n g f o re x a m p l e t h et r i a n g u l a t i o na l g o r i t h m t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ed y n a m i ce x p l o s i o ni n c l u d e s s a v e u p d a t ea n dr e d r a wt h es m o k e a n ds oo n m e a n w h i l e t h es y s t e mi n t r o d u c e sar a n d o mc o m p o n e n ti n t ot h ec o n t r o l p a r a m e t e r s w h i c hm a k e st h eo v e r a l ie f f e c to fe x p l o s i o n sa r ev e r ys i m i l a rb u te a c h l o c a lr e g i o ni ss l i g h t l yd i f f e r e n t b yp r o v i d i n gs e v e r a lp a r a m e t e r si nt h eb a s i sc o n t r o l 塑翌奎蘭壁主蘭垡造壅 壘 竺鯉 m l l o o o o o 1 0 0 1 0 0 o o 1 1 一一一 o fs y s t e m s u c ha st h ei n i t i a lp o s i t i o n s i z ea n dt h es p e e d e t c w ec a l le a s i l yc o n t r o lt h e e f f e c to fe x p l o s i o n t h ei d e ap r o p o s e db ys y s t e mc a nb ee a s i l ye x t e n d e dt od i v e r s ea p p l i c a t i o n s r a n g i n gf r o mc a r t o o na n i m a t i o na n dc o m p u t e rg a m e s k e y w o r d s n o n p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g c a r t o o na n i m a t i o n c a r t o o ne x p l o s i o n m o d e l i n g r e n d e r i n g 浙江大學碩 j 學位論文 圖目錄 圖目錄 圖l l 手互繪制的卡通爆炸 5 圖1 2 骨架提取 6 圖l 3 花木蘭 爆炸模型的截圖一 6 圖1 4 基元等級結(jié)構(gòu)圖 7 圖2 l 基于時聞分京酶爆炸模擬 lo 圖2 2 幀的等級結(jié)構(gòu)圖 1 1 圖2 3 系統(tǒng)層次圖 1 2 圖2 4 不周的顏色和扁平系數(shù)生成不同的基元效果 1 4 圖3 1 計算機生成的卡通煙團 1 8 圖3 2d i s n e y 花木蘭 爆炸模型截圖 2 0 圖3 3d i s n e y 扁螺外擺線生成的控制點序列圖 2 l 圖3 4 弓 入正弦的半徑大小控制丞數(shù) 2 2 圖3 5 選取骨架上的點進行插值并著色后的效果 2 3 圖3 6 以圓為骨架的煙團基元 2 3 圖3 7 迅速爆炸模擬結(jié)果 2 4 圖3 8 三角形骨架 2 5 圖3 9 骨架類型 2 6 圖3 1o 基元s h a p e 2 6 圈3 1lu ps h a p e 2 7 圖3 1 2b o t t o ms h a p e 2 8 圖3 1 3 組合的效果圖 2 9 圖3 1 4 發(fā)射過程模擬 3l 圖3 15 迅速爆炸 3 2 圖4 1 手工繪制的爆炸模型后期的彌散過程截圖 3 4 圖4 2s k e l e t o n 3 6 圖4 3 在s k e l e t o n 上添加基元恁的效果圖 3 7 圖4 4 分塊著色分解圖 4 l 圖4 5 多邊形三角純一 4 2 圖4 6 分區(qū)域三角化處理著色 4 3 圖4 7 三角化 4 3 圖4 8 顏色漸變 4 5 圖4 9 實驗結(jié)果圖 4 7 浙江大學碩j 二學位論文 表目錄 表目錄 表2 1 基元的屬性列表 1 2 表2 2 幀系統(tǒng)的成員屬性 1 3 表3 1 煙霧基元的屬性 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 3 2 續(xù)表3 2 3 3 i v 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其 他入已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲褥逝望盤堂或其他教育機 構(gòu)的學位或證書焉使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做豹任何貢獻 均已在論文中作了明確的說明并表示謝意 學位論文作者簽名 關(guān)固懸 簽字網(wǎng)期 凈參年 爹胃毒日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解堂鎏墨堂有關(guān)保留 使用學位論文的規(guī)定 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤 允許論文被查閱和 借閱 本人授權(quán)逝姿叁鱟可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫 進行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復制手段保存 匯編學鏈論文 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)書 學位論文作者簽名 關(guān)匆庭 導師簽名 9 簽字同期 力必年多 月弓同簽字同期 礎(chǔ) 月琴只 浙江人學碩 學位論文 第1 幸緒論 1 1 課題背景 1 1 1 非真實感繪制 第l 章緒論 隨著真實感圖形學趨向于具有更強的真實感并提供更貼近現(xiàn)實世界的場景 研究者們意識到 在有些時候 人們反而更需要由計算機來生成一些不同于照片 的圖形 特別在教育和藝術(shù)領(lǐng)域 人們往往更傾向于借助素描 繪畫 卡通等藝 術(shù)形式來刻畫豐富多彩的現(xiàn)實和虛幻的世界 自2 0 世紀9 0 年代中期開始 菲真 實感繪制 n o n p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g 逐漸成為計算視圖形學的研究熱點之一 顳名思義 非真實感繪制指的是利用詩算機生殘不具有照片般真實感 焉具有手 繪風格的圖形的技術(shù) 其目標不在于圖形的真實性 麗主要在于表現(xiàn)圖形的藝術(shù) 特質(zhì) 模擬藝術(shù)作品或作為真實感圖形的有效補充 非真實感繪制 也稱之為風格化繪制 s t y l i s t i cr e n d e r i n g 是計算機技術(shù)和 繪域藝術(shù)相結(jié)合的一個研究領(lǐng)域 其主要內(nèi)容為使用計算機來模擬各種藝術(shù)式的 繪制風格 以及基于這些繪制風格的各種動畫效果 n p r 研究的目的是能在形式 上指定繪畫作品的表現(xiàn)方式 并能隨后通過計算機自動生成所要的非真實感繪畫 作品 模仿手工的可視化風格是 種面向藝術(shù)的手法 是對入類繪畫創(chuàng)作的模擬 模擬藝術(shù)手法是相當困難的 因為它意味著要模擬人類的思考和推理 特別是創(chuàng) 造性的思考 這用算法或者信息處理系統(tǒng)是不可能實現(xiàn)的 計算視圖形學所熊做 的是模仿藝術(shù)處理的結(jié)果并提出實現(xiàn)的工具 這些工具進一步增強了計算機的圖 形技術(shù)的表達能力 非真實感繪制技術(shù)發(fā)展十余年來 取得了很大的成果 在不同領(lǐng)域有著廣泛 的應用 各種各樣的風格化模擬算法層出不窮 生成的畫面具有很強的藝術(shù)效果 l 浙江大學碩士學位論文 第l 章緒論 人們對各種算法進行了總結(jié)和歸納 把模擬相同風格的算法集成在一起 形成了 菲真實感繪制系統(tǒng) 與真實感繪制系統(tǒng)一樣 囂翦的菲真實感繪制系統(tǒng)形式各異 種類繁多 僵它們的最終冒標是一致的 就是利用計算機為用戶生成具有特殊藝 術(shù)效果的畫廈和動凰 近年來 隧羞數(shù)字媒體產(chǎn)業(yè)的蠛起 使得非真實感繪制系統(tǒng)不斷成熟和完善 也出現(xiàn)了 些商業(yè)化的繪制系統(tǒng) 如皮克斯 迪斯尼等電影公司 都有自己開發(fā) 的卡通動畫繪制系統(tǒng) 非真實感繪制系統(tǒng)在動畫 電影領(lǐng)域有著廣泛的應用 卡 通動畫就是非真實感繪制系統(tǒng)在動廁領(lǐng)域應用的一個典型代表 l 1 2 卡通動畫及煙的動態(tài)模擬 最近這幾年 計算機動垂是計算機圖形學中非常熱門的領(lǐng)域 引起了大量計 算機研究人員豹重視 同時也取得了一系列重大的突破 以圖形學的頂級會議 s i g g r a p h 為例 每年計算機動頤方面的論文都在s i g g r a p h 當年發(fā)表的論文總數(shù)中 占有相當大的比例 計算機動畫按照研究對象的不同可以分為模擬人物的動畫以及模擬自然景 觀的動畫 而按照最終生成的動畫的城格的不同 則可以分為真實感動西和囂真 實感動畫 近年來迅速發(fā)展的卡通動畫屬于非真實感動茴的一個研究領(lǐng)域 在卡通動酒 中不僅要表現(xiàn)人物和動物等角色 這些角色還需要放在 定的環(huán)境中 煙霧 火 焰等效果是我們?nèi)粘－h(huán)境的一部分 它們的表現(xiàn)對增添動畫的真實感 烘托氣氛 等都有重要的作用 由于卡通煙霧在形態(tài)以及運動方式上有別于卡通人物 所以 動蕊繪制人員要特別掌握表現(xiàn)它們的方法 在高質(zhì)量的卡通動畫景 動磷師要分 別兩出不同視點下的動畫序烈 制作時溯和成本相應很高 如果用計算機方法來 自動生成這些效果 就可以縮短制作周期 降低制作成本 由于煙的形狀具有高度不規(guī)則性且其運動隨機度很大 煙的動態(tài)模擬一直是 計算機圖形學中非常具有挑戰(zhàn)性的難題之一 在過去十幾年中 計算機圖形學研究人員提出了許多表現(xiàn)火焰和煙霧的方法 浙江大學碩士學位論文 第l 章緒論 如r e e v e s 通過粒子系統(tǒng)來模擬焰火 1 p e r l i n s 0 用湍流函數(shù)來生成太陽冕 2 1 t h a l a m a n n 用同樣的方法設(shè)計出一個更通用的火焰函數(shù)模型 3 j i n a k a g e 根據(jù)一個物 理的燃燒模型成功地再現(xiàn)蠟燭火焰 4 o h s h i m a 和i t a h a s h i 給出了一個基于2 維分形 紋理和其他處理技術(shù)生成篝火的方法 5 a g u i k o h n o 和n a k a j i m a 提出用蜂窩狀自 動機 c e l l u l a ra t o m a t a 按簡單規(guī)則進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換來模擬酒精燈的焰酣6 1 g a r d n e 用分形橢圓來為火焰建模 7 s a k a s 提出了基于湍流頻譜理論的模擬湍流氣體的方 法 默9 1 s t a m 和f i u m e 用擴散過程表現(xiàn)火和其他氣體現(xiàn)象 i o l 上述工作大都致力于生成具有真實感的火焰和煙霧動畫 而對傳統(tǒng)手工繪制 的卡通煙霧 卡通火焰的建模和繪制問題在相當長的時間里幾乎無人涉及 其困 難主要在于以下兩點 1 傳統(tǒng)的計算機輔助制作卡通動畫系統(tǒng)主要采用關(guān)鍵幀 k e y f r a m e 插值 方法 它要求兩個被插值關(guān)鍵幀中物體各個部分建立一一對應關(guān)系 由于火焰和 煙霧的運動具有隨機成分 破壞了動畫相鄰畫面間的對應關(guān)系 所以關(guān)鍵幀插值 方法在這種情況下完全失效 2 卡通火焰 卡通煙霧是手工繪制的具有藝術(shù)風格的二維畫面 它們難以 用r e e v e s 提出的粒子系統(tǒng)表示 我們也無法利用物理知識如燃燒理論 湍流理論 等對其建立模型 盡管如此 由于卡通火焰 卡通煙霧是動畫家對自然現(xiàn)象的藝術(shù)再現(xiàn) 所以 它們的運動仍有規(guī)律可循 這為我們用計算機自動生成這些效果提供了可能 事 實上動畫家在表現(xiàn)某個卡通效果的時候?qū)υ撐矬w的空間結(jié)構(gòu)和運動方式等已有 一定的知識 他們把這些知識轉(zhuǎn)化成一系7 0 維畫面上的視覺符號 不同的視覺 符號構(gòu)成不同的藝術(shù)風格 而這些符號在不同畫面中的變化與我們直覺中它們 應該如何變化應當保持一致 在此準則下 動畫家可以畫出正確的動畫序列 由 于繪畫過程在時間上是順序進行的 我們可以把它分解為若干繪畫步驟 在每一 步動畫家一般傾向于畫出某物體中具有相同特征的部分 結(jié)果該物體的結(jié)構(gòu)信息 通過這些繪畫步驟反映出來 物體的靜態(tài)結(jié)構(gòu) 即物體不同部分的空間關(guān)系 體 現(xiàn)在一幅畫面內(nèi) 物體的動態(tài)結(jié)構(gòu) 物體不同部分如何隨時間變化 體現(xiàn)在多個 浙江大學碩士學位論文 第l 章緒論 畫面內(nèi) 利用前者我們可以用計算機重建所繪物體的結(jié)構(gòu) 利用后者我們可以對 物體的不同部分進行動態(tài)自動控制 基于上述思想 y u 和p a t t e r s o n 提出一個等級結(jié)構(gòu)的卡通火焰模型 i 在該 模型內(nèi)用3 級分別控制各個卡通焰苗的位置 骨架以及形狀 于金輝等提出一個 卡通煙霧模型f 1 2 1 該模型可以生成香煙在安靜環(huán)境下冒出的煙縷以及煙筒冒出的 濃煙效果 陳天洲等提出計算機生成3 維卡通煙塵動畫 1 3 1 表現(xiàn)不同透視和視點 下的3 維卡通煙塵動畫 給出一個計算機自動生成3 維卡通煙塵動畫的模型 a n d r e ws e l l e a l e xm o h r 和s t e p h e nc h e n n e y 描述了動態(tài)煙霧的卡通繪制技術(shù)1 1 4 j 用實體的帶顏色腫塊和堅實的邊界線來表達了大氣的狂暴 流動屬性 m o r g a n m c g u i r e 和a n d if e i n 提出了卡通風格的動態(tài)煙霧粒子系統(tǒng)繪制算法 l5 1 實現(xiàn)了卡 通煙霧 卡通云的實時繪制 1 2 研究內(nèi)容 爆炸是卡通動畫里常見的場景之一 對渲染動畫效果也扮演著舉足輕重的作 用 需要高度重視 由于爆炸過程過煙的形狀本身具有高度不規(guī)則性且爆炸運動 過程的隨機度很大 卡通爆炸的動態(tài)模擬一直是計算機圖形學中非常具有挑戰(zhàn)性 的難題之一 在已有的算法中 大多是對卡通煙 卡通云的動態(tài)模擬 對卡通爆炸場景的 模擬還無人涉及 因此本文旨在卡通煙的建模的基礎(chǔ)上建立一個卡通爆炸特效模 型 實現(xiàn)卡通爆炸的動態(tài)模擬 1 2 1 手工繪制的卡通爆炸 由于爆炸意在給觀眾一個震撼的效果 所以不能對它采用固定模式 在動畫 中有許多種制造爆炸的方法 但在時間分配上它們都存在一些相似之處 爆炸有 一個預備階段 然后是一個迅速的爆裂 最后是一個緩慢的彌散過程 由于爆炸 很迅速 在爆炸前的預備階段是必不可少的 這可以讓觀眾眼睛看到爆炸的點 能夠加強爆炸效果的表現(xiàn) 爆炸前的預備階段一般用4 至1 j 5 幅畫面 一旦爆炸開始 4 浙江大學碩士學位論文 第l 章緒論 大約需要3 幅畫面充滿屏幕 緊接著用大約6 幅表現(xiàn)一個抽動效果 最后的煙霧彌 漫消失持續(xù)幾秒鐘 下圖是一個手工繪制的卡通爆炸模型 困震隧劍匕型 豳圓圈豳園 圖 1 2 2 建模與繪制 圖1 1 手工繪制的卡通爆炸 1 從手工繪制卡通爆炸模型的畫面提取骨架 卡通火焰 煙霧是手工繪制的具有藝術(shù)風格的二維畫面 它們難以用r e e v e s 提出的粒子系統(tǒng)表示 我們亦無法利用物理知識如燃燒理論 湍流理論等對其建 立模型 觀察手繪的畫面可以找出規(guī)律 物體的靜態(tài)結(jié)構(gòu) 即物體不同部分的空 間關(guān)系 體現(xiàn)在一幅畫面內(nèi) 物體的動態(tài)結(jié)構(gòu) 物體不同部分如何隨時間變化 體現(xiàn)在多個畫面內(nèi) 利用前者我們可以用計算機重建所繪物體的結(jié)構(gòu) 利用后者 我們可以對物體的不同部分進行動態(tài)自動控制 基于上述思想 y u 在論文 1 2 中提出了從手工繪制的卡通煙霧畫面中提取骨 架的方法 然后在該骨架上設(shè)計不同的形狀繪制模型以生成不同的煙霧效果如煙 縷和煙團 y u 在論文中用半徑為肋的基圓作為煙團骨架 然后再用一些短弧圍繞 骨架基圓描繪出煙團 其中各短弧的位置 大小在一定范圍內(nèi)隨機變化 如圖1 2 a 所示 圖1 2 b 是煙霧上升運動軌跡的骨架 浙江大學碩i j 學位論文 第l 章緒論 a 單個煙團骨架及其輪廓 圖1 2 骨架提取 b 煙霧骨架 對于卡通爆炸特效 我們參考d i s n e y 花木蘭 罩的爆炸場景 建立爆炸過 程中煙霧的靜態(tài)形狀和運動變化的模型 下圖1 3 是其中的部分截圖之一 從圖 中可以看出構(gòu)造煙霧骨架 l y u 1 2 1 中復雜的多 單從形狀上有很多種類型 圖1 3 花木蘭 爆炸模型的截圖一 2 基元合成法 由于我們需要建模的卡通爆炸是手工繪制的具有藝術(shù)風格的二維畫面 很難 浙江大學碩士學位論文 第1 章緒論 利用r e e v e s 提出的粒子系統(tǒng)表示 也無法利用物理知識如燃燒理論 湍流理論等 對其建立模型 a n d r e ws e l l ee t 在 1 4 里提出了用帶顏色的腫塊和實體的邊界線來 表達大氣的狂暴與流體的形狀和運動特性 本文中我們對煙霧體進行了參數(shù)化 進而通過參數(shù)來控制生成煙霧基元 賦 予每個基元一定的屬性 大小 顏色 生命值等 在爆炸過程中煙霧形狀 大小 顏色的變換 在煙霧基元個體與個體之間 以及幀與幀之間都需要一個協(xié)調(diào)性及連接性 因此在爆炸過程中 每個煙霧運動 方向都需要進行模擬建模 建立煙霧基元的運動軌跡 然后再進行基元附著 本 文中每個基元間的鏈接和協(xié)調(diào)采用合成法 y u 在 1 1 里采用了每一火焰模型分成 主b o d y 基元和t o p 基元 而后進行連接 他們的模型可用一個等級結(jié)構(gòu)圖表示 如 圖1 4 m o d e l 跏e 倚e 嘲y f l a m e 砒 i i n l c 唧 b 0 洲釓洲 t o pf l a m e s 圖1 4 基元等級結(jié)構(gòu)圖 本文在此技術(shù)上 每一個基元在每一幀中保持了大致的方向 然后在形狀上對其 賦予一定的隨機性 擾動性 從而避免產(chǎn)生機械感的效果 幀與幀之間的銜接 主要通過控制爆炸的方向 即記錄下爆炸的每個方向 一 個整體骨架 每一幀的整個骨架產(chǎn)生一個位移且煙霧基元的位置也引入一個隨 機分量 而后在其上附著不同形狀 不同顏色的煙霧基元 生成帶有隨機性的煙 霧運動效果 1 3 研究目標及其意義 本文的研究目標是對卡通爆炸特效進行建模與繪制 即利用計算機實現(xiàn)手繪 二維卡通爆炸場景的自動生成 n p r 的一個目標是模仿手工的可視化風格 要成 功地產(chǎn)生非真實感圖像 最重要地是澄清兩個問題 一是在對手工繪制的圖像的 7 浙江大學碩 t 學位論文 第l 章緒論 形狀和屬性進行建模時如何定義它們 二是如何一個接一個地繪制它們 因此本文研究的主要內(nèi)容分為兩個部分 1 建模 分耩手工繪制的爆炸酒面序列 找出煙霧運動規(guī)律 建立運動骨 架 對煙霧基元建模 先對它們進行歸類 然后尋找合適的骨架建模工作 2 繪制 卡通爆炸的繪制 主要模擬了爆炸的三個主要階段 預備 迅速 爆炸和彌散過程 在1 的基礎(chǔ)上進行效果的繪制 其中主要是煙霧基元的填色 分布和變化等 本文的主要貢獻 本文是計算機動畫領(lǐng)域第一次提出卡通爆炸特效的建模與 繪制方法 對于卡透爆炸特效 建立其靜態(tài)形狀和運動交化的模型 在此基礁上 對其進行參數(shù)化控制 如爆炸的起始位置 大小 變化速度等 1 4 本文結(jié)構(gòu)組織 根據(jù)上述研究內(nèi)容和研究目標 文章內(nèi)容組織如下 本文共分為五章 第一章簡要介紹了非真實感圖形學研究的對象 卡通動畫 及煙的卡通動態(tài)模擬 以及卡通煙霧的模擬在卡通動萄 游戲等領(lǐng)域的重要作用 本章最霜介紹了本文研究的主要內(nèi)容及其組織結(jié)構(gòu) 第二章系統(tǒng)的框架 該部分主要介紹了系統(tǒng)隨著時間分布的 含結(jié)構(gòu) 爆 炸從時間上來分布大致可以分為三個階段 然后介紹了系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu) 重點描 述了該系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵的基元類 屬性和成員函數(shù) 第三章系統(tǒng)的建模 本章主要介紹基元的分類 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 建模 主要介 紹了五種基元的建模方法 以及基元組合 詳細介紹了爆炸前兩個階段的幀建模 發(fā)射過程和逐速爆炸 另外籬單地描述了后期的彌散過程 第霹章繪制和實現(xiàn) 這章主要分紹了爆炸過程震甥的彌散過程的建模和實 現(xiàn) 由予煙霧基元顏色隨時間不同恧不同 顏色對表達最終效果有著重要作用 因此本章介紹三種顏色填充技術(shù) 及顏色漸變的處理 第五章總結(jié)與展望 本文的第五章對本文工作進行總結(jié) 歸納了本文的研 究內(nèi)容 主要貢獻以及創(chuàng)新點 并指出進一步可以進行研究的內(nèi)容 作為下個階 浙江大學碩1 學位論文 第l 章緒論 段研究的重點 1 5 本章小結(jié) 在本章中 首先簡單介紹非真實感繪制研究的對象 然后介紹卡通煙霧和火 焰的相關(guān)文獻及技術(shù) 并主要提出本文的研究目標 卡通爆炸特效的建模與繪制 然后簡單闡述爆炸過程及基元建模方法 最后列出文章的組織結(jié)構(gòu) 9 浙江大學碩士學位論文 第2 章系統(tǒng)框架 2 1 系統(tǒng)框架 第2 章系統(tǒng)框架 系統(tǒng)根據(jù)爆炸的時間分為三個主要階段 發(fā)射過程 模擬遠程射擊炸彈的一 個過程 迅速爆炸 爆炸后的煙霧彌散過程 在整個爆炸過程中 先指定爆炸 的起始位置 爆炸點 方向的控制 而后調(diào)用爆炸系統(tǒng) 圖2 1 基丁 時間分布的爆炸模擬 本文從系統(tǒng)如何完成卡通爆炸特效建模的角度來對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析 首先 分析手工繪制的二維動畫序列 找出煙霧具有的靜態(tài)結(jié)構(gòu) 運動軌跡以及一幀里 煙霧爆炸的軌跡 在此基礎(chǔ)上建立一個爆炸的骨架 然后在骨架上引入各類煙霧 基元 此時可以生成一個比較基本的爆炸幀模型 同時引入隨機分量函數(shù)來控制 煙霧的軌跡以打破機械感 在繪制下一幀時 改變煙霧基元的屬性 位置 大小 生命度 顏色等 來達到一個動畫的效果 系統(tǒng)由多幅關(guān)鍵幀構(gòu)建而成 每一關(guān)鍵幀主要由卡通爆炸效果骨架和附著在 骨架上的煙霧基元組成 如圖2 2 的等級結(jié)構(gòu)圖所示 l o 浙江人學碩l 學位論文 第2 章系統(tǒng)框架 2 2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) r 骨架t 形狀 t 基元丁囊套度 l 類型 因為難以用粒子系統(tǒng)或物理模型來表現(xiàn)二維的手工繪制圖像 所以在本文中 將煙霧基元參數(shù)化 通過參數(shù)來控制生成煙霧基元 b u r g 在文章 1 6 1 中提到 為 了更好的建立一個方便控制 并能很好地表現(xiàn)動態(tài)效果的粒子系統(tǒng) 構(gòu)建一個合 理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是非常必要的 如果數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的不合理則會顯著的降低系統(tǒng)的 性能 麗其中主要耗時的操作集中在粒子系統(tǒng)引起的內(nèi)存管理的問題之上 本文在設(shè)計一個參數(shù)化的煙霧基元時 注意到每個基元的保存和重繪大大酶 增加了每一幀的多邊形數(shù)量 一般來說 每一個基元需要多個控制點 而質(zhì)進行 線性插值 不能提前計算基元的插值后的點坐標 所以點計算在每一幀都要實時 的計算 所以系統(tǒng)要盡可能少地進行內(nèi)存操作 分配和釋放 為此 如果一個 基元經(jīng)歷一定的時期消亡時并不立即釋放它所占用內(nèi)存 而是設(shè)立一個標識說明 該基元當前的生命力為多少或是否已經(jīng)消亡 這樣 當所有的基元都被標識為 消 亡 后 即基元生命度減弱到一個閡值 薦一起釋放它們占據(jù)的內(nèi)存 即在下一 幀重繪時跳過 消亡幫的基元 這樣可以提高內(nèi)存的訪闖和繪制效率 系統(tǒng)所需的類如圖2 3 的系統(tǒng)程序?qū)哟螆D所示 最上端為爆炸模型系統(tǒng) e x p l o s i o ns y s t e m 第 層為幀模型 f r a m e 包含了煙霧等不同類型的基元 以及負責生成爆炸模型的骨架的t r a c k 類 在每一幀中 又包含著第三層 基元 層 本文采用自底向上的辦法設(shè)計這些類 首先設(shè)計基元類 e l e m e n t 浙江大學碩士學位論文第2 章系統(tǒng)框架 2 2 1t h ee i e m e n tc l a s s 圖2 3 系統(tǒng)層次圖 根據(jù)1 2 2 小節(jié)的介紹 可以確定一個煙霧基元應該具有哪些屬性 基元可以 看作是一種特殊的粒子 不熟悉粒子系統(tǒng)的讀者也可以參看j e f f 的文章 表 2 l 列出了一些常用的屬性 其中 基元的位囂是相對譴置 表達了單個基元相 對予它所屬的幀系統(tǒng)的相對位囂 顏色對于表達煙霧基元非常重要 表2 1 基元憋屬撞列表 數(shù)據(jù)類型名稱描述 v e c t o r 3 p 缸 y z 基元在它所屬幀系統(tǒng)中的相對位置 s i z e 2 墨m 秒基元每一幀的尺寸 系統(tǒng)通過該值對基元 進行繪制 c o l o n c 軹舀b 基元的顏色 f l o a tf a 基元的扁平系數(shù) f l o a t n 基元的生命周期 當此值消耗為一定閾值 的時候 基元死亡 2 2 2t h ef r a m em o d e l 幀結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)實現(xiàn)的核心 系統(tǒng)需要定義多種不同時刻的煙霧基元 麗這些 1 2 浙江大學碩士學位論文第2 章系統(tǒng)框架 基元的很多屬性和操作都是類似的 所以可以把它們抽象出來 它們的變化隨著 時間反應在不同的幀模型中 并將它們定義為類e x p l o s i o nc l a s s 作為系統(tǒng)類 只需要把普遍的屬性和操作加入該類即可 表2 2 列出了一些 在e x p l o s i o n 類中需要的屬性 在定義屬性的時候 要注意到 整個系統(tǒng)的屬性會直接影響系統(tǒng)中每個基元 的相對屬性 用戶可以根據(jù)需要對這些系統(tǒng)屬性進行修改 然后各個基元系統(tǒng)會 根據(jù)自己類型的設(shè)定對這些系統(tǒng)屬性進行適當?shù)男拚蛘咴黾与S機擾動后賦予 每一個系統(tǒng)中的基元 根據(jù)不同的基元模型 在初始化的過程中也需要進行不同 的設(shè)定 下表是幀系統(tǒng)的成員屬性 表2 2 幀系統(tǒng)的成員屬性 數(shù)據(jù)類型名稱描述 i m f r a m e幀在系統(tǒng)中所處的時間段 f l o a t s k e l e t o n s k e l e t o n 記錄爆炸方向 e t y p e 幸 f b r m s y s t e mp o i n t e rt oe l e m e n t 系統(tǒng)中指向煙霧基 元的指針 v e c t o r 3 伍彤矽系統(tǒng)的中心位置 幀在系統(tǒng)中所處的時間決定系統(tǒng)中的每一個煙霧基元的屬性 而煙霧基元的 顏色和形狀選取直接影響到系統(tǒng)所表現(xiàn)的物體的性質(zhì)特征 其中顏色是增強效果 的簡單有效的手段 煙霧基元用具有大小 形狀和顏色等屬性的幾何圖元來表示 系統(tǒng)中b s m o k e 煙霧基元采用了扁螺旋外擺線作為骨架 參數(shù)扁平系數(shù)和大小可 以由用戶根據(jù)自己的需求設(shè)定 煙霧基元的填色處理 可以根據(jù)需要來設(shè)定相應 的顏色 這樣就可以生成用戶需要的基元系統(tǒng)模型 不同的參數(shù)可以產(chǎn)生不同的 效果 比如圖2 4 a 中的煙霧圖案和圖2 4 b 中的煙霧圖案 圖2 4 c 中的煙霧和 圖2 4 d 中的煙霧都因為顏色和扁平系數(shù)選擇的不同而產(chǎn)生的不同的效果 浙江人學幀f j 學位論義 第2 章系統(tǒng)框架 圖2 4 不同的顏色和扁平系數(shù)生成不同的基元效果 2 2 3 成員函數(shù) 在系統(tǒng)類層次結(jié)構(gòu)中 還必須含有一些成員函數(shù) 其中一些用來設(shè)置基元系 統(tǒng)中基元的屬性 另外一些負責控制基元的產(chǎn)生 更新和繪制 對于設(shè)定煙霧基 元屬性的函數(shù) 又可分為兩種 一種是設(shè)定系統(tǒng)屬性的函數(shù) 一種是根據(jù)設(shè)定好 的系統(tǒng)屬性去分別設(shè)定各個基元屬性的函數(shù) 在第四章介紹煙霧系統(tǒng)的時候會用 到成員函數(shù) 在這罩先解釋一下系統(tǒng)中重要函數(shù)的命名規(guī)則 對于設(shè)置系統(tǒng)的變 量屬性的操作 一般用s e t s y s t e m n a m e t y p ev a l u e l t y p ev a l u e 2 的命名方式 其中n a m e 表示需要設(shè)置的系統(tǒng)屬性 括號中的t y p ev a l u e 代表想要設(shè)置的值 這種對于系統(tǒng)屬性的操作 一般是向用戶開放的 用戶可以通過界面上相應的功 能 對系統(tǒng)的系統(tǒng)屬性進行修改 設(shè)置系統(tǒng)中單個基元的屬性也需要專門的函數(shù) 其命名規(guī)則如下 s e t n a m e t y p ev a l u e l t y p ev a l u e 2 n a m e 代表需要設(shè) 置的基元的屬性名稱 類似地 s e t c o l o r c o l o r 3 1 0 0 用于設(shè)置基元其顏色為紅 色 基元屬性的設(shè)置操作沒有向用戶丌放 因為通常用戶都不會專f j x 寸某一個基 元進行操作 系統(tǒng)會根據(jù)初始化的或者用戶設(shè)定好的系統(tǒng)屬性值及時 白j 的變化 浙江大學碩士學位論文 第2 章系統(tǒng)框架 對系統(tǒng)中的各個基元進行屬性的操作 在生成基元時 系統(tǒng)設(shè)置了相應的函數(shù) 主要有 1 v o i du p l i n tl f t c p tp f l o a tl e n g t h f l o a tw i d t h f l o a ta n g l f l o a tc l r 4 該函數(shù)用于生成一個u ps h a p e 基元 其中l(wèi) r 控制基元是否關(guān)于中心軸對稱 p 為其 參考點 l e n g t h 和w i d t h 分別為基元的長度和寬度 a n g l 可以設(shè)置角度來控制基元 產(chǎn)生一個偏移 以獲得向某方向偏移的效果 c l r 為u p l 的填充顏色 2 v o i db s m o k e s m o k e c u r v e f l o a tf a f l o a to u t c l r 4 f l o a ti n c l r 4 該函數(shù)用于產(chǎn)生一個用扁螺外擺線作為骨架的基元 參數(shù)f a 控制扁平程度 o u t c l r 設(shè)置基元外輪廓線的顏色 參數(shù)i n c l r 設(shè)置基元的實體顏色 3 v o i db s m o k e s m o k e s k y s k e l e t o n f l o a tf a v e c t o r s k xv e c t o r 該函數(shù)用于得到煙霧基元骨架的控制點序列 此時基元骨架為扁螺外擺線 其中 f i a 控制扁平程度 s k x 和s k y 返回控制點的坐標 另外 由于系統(tǒng)的動態(tài)特點 在每一幀煙霧基元的下列屬性可能會發(fā)生變化 基元位置r 基元大小最m z 基元顏色c 胂 基元生命周期 加 因此系統(tǒng) 要有一個更新函數(shù)負責此功能的實現(xiàn) 為此引入更新函數(shù)u p d a t e e t y r p e i n tn 其 中參數(shù)1 1 代表需要更新的基元序列號 其函數(shù)偽代碼如下 u p d a t e e t y p e i n ti i 代表需要更新的基元序列號 尸f 僅彭矽 s 伍彤矽 更新位置 厶佛彤砂 d l i 更新生命周期 g 仍g 砂 z s c i r 呂緲 更新基元顏色 按基元的類型更新基元尺寸 i f e t y p e t y p e b s m o k eo rc i r c l e r f z s r i e l s e 寫 彤d 4 娶陬矽 浙江大學碩 i 學位論文 第2 章系統(tǒng)框架 2 3 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)隨時間分布的結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu) 煙霧 基元類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與屬性列表 以及幀模型的構(gòu)造和成員函數(shù)命名規(guī)則 1 6 浙江大學碩b 學位論文第3 章系統(tǒng)建模 3 1 引言 第3 章系統(tǒng)建模 n p r 的一個目標是模仿手工的可視化風格 要成功地生成非真實感圖像 必 須解決兩個問題 一是確定在對手繪圖像的形狀和屬性進行建模時如何定義它 們 二是確定如何對它們進行繪制 因此利用計算機自動生成卡通爆炸效果時 卡通爆炸模擬大致上可以分為建模 m o d e l i n g 和繪制 r e n d e r i n g 兩部分 系 統(tǒng)首先分析手工繪制的卡通爆炸動畫序列 分析其動態(tài)規(guī)律 然后建立其靜態(tài)形 狀和運動變化的模型 進行建模 在此基礎(chǔ)上對其進行參數(shù)化控制 這些參數(shù)包 括爆炸的起始位置 大小和變化速度等 本章主要介紹建模工作 卡通煙霧建模 和幀建模 3 2 相關(guān)工作 y u 在文獻 1 2 中提出了從手繪卡通煙霧畫面中提取骨架的方法 并在該骨架 上設(shè)計不同的形狀繪制模型以生成不同的煙霧效果如煙縷和煙團 在該文中y u 使用半徑為r 6 的基元作為煙團骨架 a n d r e ws e l l e a l e xm o l a r 和s t e p h e nc h e n n e y 描述了動態(tài)煙霧的卡通繪制技術(shù) 1 4 用帶顏色的實體腫塊和邊界線來表現(xiàn)大氣的 狂暴與流動屬性 而r e e v e s 提出的粒子系統(tǒng)難以表現(xiàn)二維的手繪圖像 因此本文 主要結(jié)合前兩篇文章的思想 在此基礎(chǔ)上對基元進行參數(shù)化和著色 進而控制生 成帶有隨機性 擾動性 同時又具有可控性的煙霧基元 視覺效果建模 v i s u a lm o d e l i n g 主要考慮模擬物體的有效性和易控性 y u 的基元煙團骨架建模雖然簡單 但是煙霧在動態(tài)變化的過程中需要考慮對其扁平 程度的控制 否則很容易產(chǎn)生機械感 圖3 1 是使用y u 方法生成的卡通煙團效 果 浙江大學碩十學位論文 第3 章系統(tǒng)建模 圖3 1 計算機生成的 膏通煙團 粒子系統(tǒng)是模擬和繪制實時應用領(lǐng)域的煙霧的經(jīng)典方法 在許多領(lǐng)域例如計 算機游戲和電影工業(yè)有著廣泛的應用 在粒子系統(tǒng)里 程序上的規(guī)則指導著混合 在一起用來表現(xiàn)煙霧的b i l l b o a r d 粒子的演化 非真實感的b i l l b o a r d s 可以實現(xiàn)程式 化的視覺效果 l a m o r l e t t ea n df o s t e r s 2 0 0 2 火焰模型就是這種方法的一個高質(zhì)量 成果 另一個用來產(chǎn)生程序化的繪制的方法是插入非真實感紋理貼圖 這些紋理 貼圖在流體中會發(fā)生變形 但是這種方法的缺點是隨著流體的演化和紋理的混合 很多細節(jié)會被移除 本文結(jié)合前面兩篇文章的思想 提出了對基元進行參數(shù)化的方法 主要包括 以下三個研究內(nèi)容 1 為了能更好的控制基元的骨架變化 將其靈活的運用到場景的不同時刻 和場景中 需要將煙霧主體部分從原始視頻中提取出來 即找到煙霧輪廓 爆炸 煙霧有的分布集中 邊緣輪廓十分明顯 例如煙團 也有邊緣發(fā)散 如爆炸余波 對于不同的煙霧 提取的方法也有所不同 2 煙霧中心部位與邊緣區(qū)域要保持自然的過渡 并對煙霧顏色進行必要的 處理 3 建立模型來模擬煙霧的變色和擴散的效果 在所處時i 自j 不同的情況下有 不同的顏色效果 擴散過程中控制煙霧的大小與煙霧的消亡等屬性 浙江人學碩 學位論義 第3 章系統(tǒng)建模 3 3 基元的建模 觀察d i s n e y 花木蘭 中的爆炸場景 如圖3 2 a d a 在圖3 2 a 中 可以看到煙霧的主體性比較明確 可以利用一個整體的封閉基 元來對它進行模擬 本文中我們采用扁螺外擺線來表現(xiàn)單元煙團 稱之為 b s m o k e 后續(xù)小節(jié)將對其實現(xiàn)方法做具體介紹 b 在圖3 2 b 中 我們用三角形來對煙霧效果進行模擬 包括大三角形b c l r t r i 和小三角形s t r i 浙江大學碩 學位論文 第3 章系統(tǒng)建模 d 圖3 2d i s n e y 花木蘭 爆炸模型截圖 從圖3 2 c 和3 2 d 可以看到 邊緣的煙霧很不規(guī)則 顏色的差異的較大 也沒 有固定的形狀 具有相對的隨機性和動態(tài)性 本文在處理這類煙霧基元時 采用 了先分割后合成的方法 y u j i n h u i 在文獻 1 1