第十一章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用

1、11.1.1 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的起源與發(fā)展 11.1.2計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的應(yīng)用 11.1.3 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的過程與分類 11.1.4 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的中的運(yùn)動(dòng)控制方法 11.1.5典型動(dòng)畫方法介紹 11.1.6計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的制作軟件 11.1.1 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的起源與發(fā)展計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的起源與發(fā)展 60年代: 二維計(jì)算機(jī)輔助動(dòng)畫系統(tǒng) ( MSGEN系統(tǒng)(加拿大) , CAAS系統(tǒng)(美國)）70年代: 三維圖形與動(dòng)畫的基本技術(shù)的開發(fā); 一小批領(lǐng)導(dǎo)三維動(dòng)畫與圖像的公司的出現(xiàn); 一些三維可明暗著色的系統(tǒng)的完成;80年代: 優(yōu)化70年代出現(xiàn)的模型和陰影技術(shù); 康奈爾大學(xué)（輻射度方法），JPL實(shí)驗(yàn)室(運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)), 加利福利亞大學(xué)

2、(樣條模型), 多倫多大學(xué)(過程技術(shù)), 俄亥俄洲立大學(xué)(人物分級動(dòng)畫與逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)), 蒙特利爾大學(xué)(人物動(dòng)畫與嘴唇同步), 東京大學(xué)(氣泡表面模型技術(shù)),廣島大學(xué)(輻射度與燈光) Alias Animator(加拿大), Softimage(美國) Wavefront(美國), Explore/TDImage(法)90年代: 動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)、三維仿真演員系統(tǒng) 自主動(dòng)畫(面向目標(biāo)的動(dòng)畫) 誰陷害了兔子羅杰？動(dòng)畫片11.1.2計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的應(yīng)用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的應(yīng)用 動(dòng)畫片制作;廣告特技;教學(xué)演示;訓(xùn)練模擬;作戰(zhàn)演習(xí);產(chǎn)品模擬試驗(yàn);醫(yī)學(xué)診斷;電子游戲11.1.3 11.1.3 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的過程與分類計(jì)算

3、機(jī)動(dòng)畫的過程與分類 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫劃分為三個(gè)步驟：1. 1. 造型造型2. 2. 運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制3. 3. 繪制繪制 分類：l 從動(dòng)畫速度從動(dòng)畫速度上可以將計(jì)算機(jī)動(dòng)畫分為逐幀動(dòng)畫逐幀動(dòng)畫與實(shí)時(shí)動(dòng)畫實(shí)時(shí)動(dòng)畫。l 從動(dòng)畫對象 從動(dòng)畫對象的角度，我們從總體上將計(jì)算機(jī)動(dòng)畫分為圖形動(dòng)畫圖形動(dòng)畫和圖圖象動(dòng)畫象動(dòng)畫 l 從動(dòng)畫方法 主要有關(guān)鍵幀方法關(guān)鍵幀方法、彈性體動(dòng)畫彈性體動(dòng)畫、人體動(dòng)畫人體動(dòng)畫和關(guān)節(jié)動(dòng)畫關(guān)節(jié)動(dòng)畫、過程動(dòng)畫過程動(dòng)畫11.1.4 11.1.4 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的中的運(yùn)動(dòng)控制方法計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的中的運(yùn)動(dòng)控制方法 關(guān)鍵幀動(dòng)畫法關(guān)鍵幀動(dòng)畫法代數(shù)動(dòng)畫法（造型動(dòng)畫法代數(shù)動(dòng)畫法（造型動(dòng)畫法 ）具體可以分為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

4、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力學(xué)模型和逆向模型逆向模型。 11.1.4.1 11.1.4.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 通過直接給出物體的運(yùn)動(dòng)速度或運(yùn)動(dòng)軌跡，來控制物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 物體的剛體運(yùn)動(dòng)可以用下式表示： 111213212223313233( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )mmmX tltltltXxtY tltltltYytZ tltltltZzt其中矩陣lij是局部坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，它決定了物體在時(shí)刻t的方向；向量xm(t),ym(t),zm(t)是時(shí)刻t局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對于世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)，即相對平移量。 11.

5、1.4.2 11.1.4.2 動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力學(xué)模型 動(dòng)力學(xué)模型即根據(jù)物體的物理屬性及其所受外力情況對物體各部分進(jìn)行受力分析，再由牛頓第二定理或相應(yīng)的物理定律得出物體根部分得加速度，以控制物體得運(yùn)動(dòng)。 剛體動(dòng)力學(xué)模型 彈性體動(dòng)力學(xué)模型 Terzopoulos于87年提出的根據(jù)物體的變形產(chǎn)生的應(yīng)力來控制物 體的運(yùn)動(dòng)。 Miller的“Snake motion” 。在布料動(dòng)畫方面，90年Aono通過假設(shè)布料是各向同性的，利用廣義虎克定理控制布料的運(yùn)動(dòng)。 無論在對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，都涉及到無論在對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，都涉及到碰撞檢測問題碰撞檢測問題。 11.1.4.3 11.1.4.3 逆向模型逆向

6、模型 根據(jù)對物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的約束或者運(yùn)動(dòng)過程中物體之間的相互約束計(jì)算出物體所受的力，物體在這些力的作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)將會(huì)滿足前面所給定的約束。 多個(gè)剛體組成的集合 ABFaFbMaMba2=b1圖3.111.1.4.3 11.1.4.3 逆向模型（續(xù)）逆向模型（續(xù)） 基本約束類型 固定點(diǎn)圖3.2 定點(diǎn)約束粘合點(diǎn)圖3.3 點(diǎn)點(diǎn)約束11.1.4.3 11.1.4.3 逆向模型（續(xù)）逆向模型（續(xù)） 圖3.4 點(diǎn)線約束圖3.5 方向約束11.1.4.4 11.1.4.4 物體的同步運(yùn)動(dòng)物體的同步運(yùn)動(dòng) 圖3.6ABpap2pbd1d2h對運(yùn)動(dòng)的同步和并發(fā)的規(guī)定 11.1.511.1.5典型動(dòng)畫方法介紹典型動(dòng)

7、畫方法介紹 關(guān)鍵幀方法關(guān)鍵幀方法 11.1.5.1.1 二維圖形的關(guān)鍵幀方法 1 1、關(guān)鍵幀中物體要素之間的對應(yīng)問題。 2、對應(yīng)要素之間的插值方法。 11.1.5.1.2 三維圖形的關(guān)鍵幀方法 11.1.5.1.1 二維圖形的關(guān)鍵幀方法 A3B1B2A1A2B3圖5.1 多邊形之間的插值多邊形頂點(diǎn)間的對應(yīng)? 11.1.5.1.1 二維圖形的關(guān)鍵幀方法 增加頂點(diǎn)數(shù)的方法 多邊形A多邊形B中間多邊形圖5.2 重合頂點(diǎn)圖5.3 邊內(nèi)加頂點(diǎn)多邊形A多邊形B中間多邊形11.1.5.1.1 二維圖形的關(guān)鍵幀方法 插值方法要解決的問題插值路徑插值路徑 ：位置線性插值法 Intrinsic Shape Ble

8、nding Intrinsic Shape Blending AB圖5.4兩種不同的插值路徑得到不同的結(jié)果AB11.1.5.1.2 三維圖形的關(guān)鍵幀方法 對應(yīng)問題是對應(yīng)問題是三維圖形關(guān)鍵幀方法中的首要問題。對虧格為零的多面體 要尋找其對應(yīng)，首先要使其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，最基本的想法是先將它們都對應(yīng)到單位球上，在單位球上把拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合并，這樣以單位球作為媒體實(shí)現(xiàn)兩個(gè)虧格為零的多面體的對應(yīng)。這一思想的總體步驟是： 1、把兩個(gè)物體映射到同一單位球上。2. 2、在單位球上把拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合并。3. 3、合并后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射回原來的物體，從而得到兩個(gè)與原來的物 體有相同的幾何形狀的新模型，而著兩個(gè)新模型有著共同的拓?fù)?/p>

9、結(jié)構(gòu)。11.1.5.1.2 三維圖形的關(guān)鍵幀方法三維圖形的關(guān)鍵幀方法 星形物體的映射星形物體的映射 掃描掃描(sweep)體的映射體的映射 圖5.8 平移掃描體到其凸包的映射11.1.5.1.2 三維圖形的關(guān)鍵幀方法三維圖形的關(guān)鍵幀方法 基于物理的方法基于物理的方法 ABe1e2e3e4e5abcdei1i2圖5.9 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合并11.1.5.1.3 圖象的關(guān)鍵幀方法圖象的關(guān)鍵幀方法 主要要解決的是圖象間象素點(diǎn)的對應(yīng)問題根據(jù)象素點(diǎn)在兩幅圖象中的位置進(jìn)行對應(yīng) 基于特征的圖象變形技術(shù) PQAuvPQAvu目標(biāo)圖象源圖象圖5.10 以一對特征線為基礎(chǔ)的對應(yīng)11.1.5.1.3 圖象的關(guān)鍵幀方法圖象

10、的關(guān)鍵幀方法 P2Q2Au2v2P2Q2A2v2u2目標(biāo)圖象源圖象圖5.11 以兩對特征線為基礎(chǔ)的對應(yīng)P1Q1u1v1u1v1P1Q1A1A11.1.5.2 人體動(dòng)畫和關(guān)節(jié)動(dòng)畫人體動(dòng)畫和關(guān)節(jié)動(dòng)畫 人體動(dòng)畫的研究內(nèi)容主要包括面部表情面部表情、軀體動(dòng)畫軀體動(dòng)畫、手的運(yùn)動(dòng)手的運(yùn)動(dòng)、著裝的模擬著裝的模擬 11.1.5.2.1 人體的造型 基本立體形態(tài)的組合來構(gòu)造人體 Metaball造型技術(shù) 定義等勢面來構(gòu)造空間的一張隱式曲面 不光滑圖7.1 用橢球組合成的體11.1.5.2.1 人體的造型 P1P2r(P2)r(P1)圖7.2 以線段為骨架的隱式曲面(a)(b)sisj圖7.3 骨架交接處產(chǎn)生凸起1

11、1.1.5.2.1 人體的造型 Psisjdidjd圖7.4 骨架交接處附近的點(diǎn)到骨架的距離定義sisj圖7.5 采用新的距離定義生成的曲面11.1.5.2.2 11.1.5.2.2 運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制 面部動(dòng)畫 關(guān)鍵幀方法 參數(shù)化面部模型 基于肌肉的模擬方法 軀體動(dòng)畫 骨架運(yùn)動(dòng)的控制 外層肌膚的變形 si+1sisj圖7.6 人體骨架結(jié)構(gòu)(xi(t),yi(t)lili+1(xi+1(t),yi+1(t)i(t)i+1(t)(xi+2(t),yi+2(t)圖7.7 人體骨架的部分參數(shù)11.1.5.311.1.5.3過程動(dòng)畫過程動(dòng)畫 用一個(gè)過程來描述物體的變動(dòng)規(guī)律，它往往與前述的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法、動(dòng)力

12、學(xué)方法相互結(jié)合，如用數(shù)學(xué)模型控制水波運(yùn)動(dòng)等。粒子系統(tǒng)粒子系統(tǒng)將造型和動(dòng)畫連成一體。其基本思想是用大量形狀簡單的微小粒子作為基本元素來表示不規(guī)則景物，通過大量粒子的運(yùn)動(dòng)來描述所表示物體的運(yùn)動(dòng)。 群體動(dòng)畫群體動(dòng)畫 用來模擬以群體方式運(yùn)動(dòng)的對象，如鳥、魚等。一定程度上可以將其看成粒子系統(tǒng)的推廣 11.1.6計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的制作軟件計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的制作軟件 11.1.6.1三維動(dòng)畫制作軟件 Softimage 3D MAYA 3Ds Max 11.1.6.2網(wǎng)頁動(dòng)畫格式及制作軟件網(wǎng)頁動(dòng)畫格式及制作軟件 目前用于網(wǎng)頁設(shè)計(jì)的最流行的是 Flash動(dòng)畫動(dòng)畫 3D Flash Animator Swish GIF動(dòng)畫

13、格式Ulead的Gif AnimatorGif AnimatorMicroMediaMicroMedia的的Fireworks Fireworks AdobeAdobe的的ImageReady ImageReady 11.2.1科學(xué)計(jì)算可視化的概念和意義科學(xué)計(jì)算可視化的概念和意義 11.2.2標(biāo)量場可視化方法標(biāo)量場可視化方法一維標(biāo)量場的可視化一維標(biāo)量場的可視化 二維標(biāo)量場的可視化二維標(biāo)量場的可視化 三維標(biāo)量場的可視化三維標(biāo)量場的可視化 11.2.3 11.2.3 矢量場可視化方法矢量場可視化方法11.2.4 11.2.4 張量場可視化方法張量場可視化方法 11.2.511.2.5可視化應(yīng)用軟件

14、可視化應(yīng)用軟件 11.2.2.1 一維標(biāo)量場的可視化一維標(biāo)量場的可視化 維標(biāo)量場的可視化根據(jù)函數(shù)值是在區(qū)間上的逐點(diǎn)定義、區(qū)間定義還是枚舉定義可采用線狀圖線狀圖、直方圖直方圖和柱形圖柱形圖等不同方式。11.2.2.2 二維標(biāo)量場的可視化二維標(biāo)量場的可視化 根據(jù)應(yīng)用的不同，二維標(biāo)量場的可視化可分為曲面圖曲面圖、圖象法圖象法和等值線等值線等不同方式。 11.2.2.3 三維標(biāo)量場的可視化三維標(biāo)量場的可視化 11.2.2.3.1 等值面法等值面法 從等值線進(jìn)行重構(gòu)的方法從等值線進(jìn)行重構(gòu)的方法 各層的等值線等值面圖11.基于等值線的等值面構(gòu)造圖11？拓?fù)洳煌瑫r(shí)的處理abc11.2.2.3 三維標(biāo)量場的可

15、視化三維標(biāo)量場的可視化 11.2.2.3.1 等值面法等值面法 基于體素的等值面生成基于體素的等值面生成 Marching Cube方法方法 圖11 Marching cube 的14種情況11.2.2.3 三維標(biāo)量場的可視化三維標(biāo)量場的可視化 11.2.2.3.2 體繪制方法體繪制方法 1體光照模型體光照模型 源源-衰減模型衰減模型 其中S是體素的源強(qiáng)度，M是衰減系數(shù) 變密度發(fā)射模型變密度發(fā)射模型 材料分類及混合模型材料分類及混合模型 ( )exp( )Is tM P dP dt11.2.2.3 三維標(biāo)量場的可視化三維標(biāo)量場的可視化 11.2.2.3.2 體繪制方法體繪制方法 2. 繪制方法

16、繪制方法以圖象空間為序的體繪制算法以圖象空間為序的體繪制算法( (如體光線投射法如體光線投射法) )以對象空間為序的體繪制算法以對象空間為序的體繪制算法( (如體單元投影法如體單元投影法) ) 光線投射法光線投射法(Ray Casting) 體單元投影法體單元投影法 V-Buffer算法 Foot Print算法 相關(guān)性投影法 11.2.3 矢量場可視化方法矢量場可視化方法 箭標(biāo)圖方法（箭標(biāo)圖方法（Arrow Plots） 二維矢量數(shù)據(jù)可用平面上的箭頭來實(shí)現(xiàn)可視化。 顯示三維矢量，通常使用三維立體箭標(biāo)由立體矢量的深度提示或光照/濃淡來提供深度真實(shí)感。 流線法流線法 流線上任一點(diǎn)的切線方向與矢量場在該點(diǎn)的方向一致，因而流線r(t)滿足方程，求解該方程就可得到某一瞬時(shí)的一條流線 矢量場拓?fù)鋱D方法矢量場拓?fù)鋱D方法 一般是通過分析關(guān)于位置向量的矩陣來確定矢量場的臨界點(diǎn)，從而找出馬鞍點(diǎn)、吸附點(diǎn)和排斥點(diǎn)等。 粒子法粒子法 在矢量場中加入帶顏色和一定透明度的粒子，粒子在矢量場的作用下運(yùn)動(dòng)，人們可以通過觀察粒子的運(yùn)動(dòng)得到矢量場的印象。 11.