淺談三維動畫與計算機圖形圖像理論

1、淺談三維動畫與計算機圖形圖像理論摘要：結(jié)合計算機專業(yè)理論和計算機圖形圖像學(xué)理論以及相關(guān)的制作動畫的常識論討論三維動畫技術(shù)。三維動畫的片頭字幕和角色動畫的動作周期可以用計算機理論中的布爾運算和數(shù)據(jù)構(gòu)造來解釋。通過各種詳細(xì)的算法并結(jié)合AYA軟件詳細(xì)分析三維動畫的角色設(shè)計。關(guān)鍵詞：三維動畫計算機圖形圖像AYA軟件隨著三維動畫廣告和片頭在電視屏幕上頻頻播映，計算機三維動畫已經(jīng)悄無聲息地走進了人們的日常生活。計算機三維動畫是采用計算機技術(shù)生成的一系列動態(tài)畫面。人的視覺生理說明，眼睛具有視覺殘留特性，即瞬間映如今視網(wǎng)膜上的畫面不會立即消失。當(dāng)屏幕以每秒25幀以上的速率播送計算機生成的序列畫面時，一幅幅離散

2、畫面在人的頭腦中串接成連續(xù)的動畫。計算機三維動畫既可以是它所描繪角色的形象或位置的連續(xù)變化，也可以是畫面中光照情況的連續(xù)變化或觀察者視點位置和視線方向的連續(xù)變化。上述變化可以基于客觀世界中的物理規(guī)律或人們?nèi)粘Ｉ钪兴熘男袨榉绞?，也可以源于藝術(shù)家的精巧構(gòu)思和大膽創(chuàng)意。前者廣泛應(yīng)用于科學(xué)演示、工程仿真、教育訓(xùn)練、軍事模擬以及虛擬現(xiàn)實中，后者廣泛應(yīng)用于廣告設(shè)計、影視特技、電子游戲等。隨著計算機動畫技術(shù)的開展，目前采用計算機圖形工作站和先進的動畫軟件所生成的三維動畫可產(chǎn)生非常逼真的效果，到達以假亂真的地步。尚在設(shè)計的城市小區(qū)在計算機三維動畫中可變成拔地而起的高樓，早已絕跡的古代恐龍可以在屏幕上成群

3、奔逐，種種不可思議的奇跡可以憑借計算機三維動畫技術(shù)而神奇地再現(xiàn)。1三維動畫原理概述用計算機產(chǎn)生表現(xiàn)真實對象和模擬對象隨時間變化的行為和動作，稱為計算機動畫。計算機三維動畫是計算機圖形學(xué)的一個重要的分枝，其應(yīng)用領(lǐng)域非常寬廣，包括影視作品制作、科學(xué)研究、視覺模擬、電子游戲、工業(yè)設(shè)計、教學(xué)訓(xùn)練、軍事仿真、過程控制、平面繪畫、建筑設(shè)計等等。位挪動畫(又稱插值動畫)是一種簡單實用的動畫制作方法，來源于表現(xiàn)形象的夸張變形的傳統(tǒng)動畫手法。這種方法在物體外表的頂點上設(shè)置一個位移向量，通過位移向量改變頂點的位置形成動畫，但保持了物體的材質(zhì)和拓?fù)錁?gòu)造。最初開發(fā)的計算機動畫系統(tǒng)都是基于程序語言的或只有有經(jīng)歷的計算機

4、專家才能使用的交互式系統(tǒng)。計算機動畫制作程序語言的開發(fā)和使用，使計算機動畫系統(tǒng)更易為一般藝術(shù)工作者所承受，幫助他們創(chuàng)造出更多更動人的特殊動畫效果。動畫語言也經(jīng)常與三維建模語言結(jié)合在一起，使得描繪一個對象及其運動的過程可以同時完成。動畫語言種類很多，主要可分為三類：線性表標(biāo)記語言、擴展了動畫描繪功能的通用語言和圖形語言。另一種實現(xiàn)動畫語言的方法是在現(xiàn)有的通用程序設(shè)計語言中嵌入動畫描繪。2三維動畫的實現(xiàn)首先，要理解三維軟件里的時間。幀是三維軟件的一種普通的時間概念，在電腦動畫中需要控制的往往是在某一點關(guān)鍵性的動畫轉(zhuǎn)換那一鄭這是一種最傳統(tǒng)和普遍的方法，因此對于運動時間的概念非常重要。關(guān)鍵幀的概念來源

5、于傳統(tǒng)的卡通片制作。在早期altDisney的制作室中，純熟的動畫師負(fù)責(zé)設(shè)計卡通片中的關(guān)鍵畫面，即所謂的關(guān)鍵幀，然后由助理動畫師設(shè)計中間鄭在三維計算機動畫中，中間幀的生成由計算機來完成，插值代替了設(shè)計中間幀的動畫師。所有影響畫面圖像的參數(shù)都可成為關(guān)鍵幀的參數(shù)，如位置、旋轉(zhuǎn)角、紋理的參數(shù)等。關(guān)鍵幀技術(shù)是計算機動畫中最根本并且運用最廣泛的方法。另外一種動畫設(shè)計方法是樣條驅(qū)動動畫，在這種方法中，用戶采用交互方式指定物體運動的軌跡樣條。幾乎所有的動畫軟件都提供這兩種根本的動畫設(shè)計方法。在三維動畫的制作中，根據(jù)籌劃，以及結(jié)合現(xiàn)有的素材資源進展動畫的構(gòu)思。3三維動畫及與計算機理論的應(yīng)用角色動畫中的角色可以

6、是任何東西，從一個單個的幾何體到一個復(fù)雜的，功能齊全的，具有骨骼和外形的虛擬人物。用動畫軟件把角色的各種不同的對象結(jié)合起來，一旦它們正確的結(jié)合成為角色，那么它們都將成組在一個單個的節(jié)點下，并且可以從某處開始將角色中所有對象的通道進展適當(dāng)?shù)膭赢嫛＝巧⒉坏韧诔山M的對象組，其一個非常重要的理由是：角色節(jié)點是組節(jié)點，不是幾何節(jié)點或變形節(jié)點。正是因為角色是組，就可以將其它節(jié)點放置在該組中，或放置在其它節(jié)點的某個通道。這樣，只有相對于角色動畫的通道需要添加到該角色中，不必去尋找其它的通道和特定的關(guān)鍵幀，而這些特定的關(guān)鍵幀只有在不使用角色組進展動畫時才出現(xiàn)。用計算機產(chǎn)生表現(xiàn)真實對象和模擬對象隨時間變化的

7、行為和動作，稱為計算機動畫。3.1關(guān)鍵幀動畫關(guān)鍵幀技術(shù)來直接源于傳統(tǒng)的動畫制作。出如今動畫片中的一段連續(xù)畫面實際上是由一系列靜止的畫面來表現(xiàn)的，制作過程中并不需要逐幀繪制，只需從這些靜止畫面中選出少數(shù)幾幀加以繪制。被選出的畫面一般都出如今動作變化的轉(zhuǎn)折點處，對這段連續(xù)動作起著關(guān)鍵的控制作用，因此稱為關(guān)鍵幀(KeyFrae)。繪制出關(guān)鍵幀之后，再根據(jù)關(guān)鍵幀插畫出中間畫面，就完成了動畫制作。早期計算機動畫模擬傳統(tǒng)的動畫生成方法，由計算機對關(guān)鍵幀進展插值，因此稱作關(guān)鍵幀動畫。關(guān)鍵幀技術(shù)通過對運動參數(shù)插值實現(xiàn)對動畫的運動控制，如物體的置、方向、顏色等的變化，也可以對多個運動參數(shù)進展組合插值。近年來，很

8、多新的數(shù)學(xué)方法被應(yīng)用到這一技術(shù)中，以實現(xiàn)各種條件下的插值算法，例如用查找表記錄參數(shù)點弧長以加快計算的速度、通過約束挪動點對途徑和速度的插值進展標(biāo)準(zhǔn)以減少運動的不連續(xù)性、對樣條曲線進展插值以實現(xiàn)局部控制、用三次樣條函數(shù)把運動的軌跡參數(shù)中的時間和空間參數(shù)結(jié)合起來以獲得對運動途徑細(xì)節(jié)的控制等。一般也可以將關(guān)鍵幀動畫技術(shù)所涉及方面理解為以下三種：弧長參數(shù)化問題，無論是采用樣條驅(qū)動動畫還是關(guān)鍵幀插值方法，都會碰到這個問題：給定物體運動的軌跡，求物體在某一幀畫面中的位置。物體運動的軌跡一般由參數(shù)樣條來表示。假設(shè)直接將參數(shù)和幀頻聯(lián)絡(luò)起來，對參數(shù)空間進展等間隔采樣，有可能帶來運動的不均勻性。為了使物體沿樣條勻

9、速運動，必須建立弧長與樣條參數(shù)的一一對應(yīng)關(guān)系。Guenter等提出用Gauss型數(shù)值積分方法計算弧長，Netn-Raphasn迭代來確定給定弧長點在曲線上的位置，并采用查找表法記錄參數(shù)點弧長值的方法來加速計算。在動畫設(shè)計中，動畫師經(jīng)常需調(diào)整物體運動的軌跡來觀察物體運動的效果，其中交互的速度是一個很重要的因素。att等人提出了用向前差分加查找表的方法來進步交互的速度。在精度要求不是很高的情況下，他們的方法非常有效。插值過程的運動學(xué)控制從原理上講，關(guān)鍵幀插值問題可歸結(jié)為參數(shù)插值問題，傳統(tǒng)的插值方法均可應(yīng)用到關(guān)鍵幀方法中。但關(guān)鍵幀插值又與純數(shù)學(xué)的插值不同，有其特殊性。一個好的關(guān)鍵幀插值方法必須可以產(chǎn)

10、生逼真的運動效果，并能給用戶提供方便有效的控制手段。一個特定的運動從空間軌跡來看可能是正確的，但從運動學(xué)或動畫設(shè)計來看可能是錯誤的或者是不適宜的。用戶必須可以控制運動的特性，即通過調(diào)整插值函數(shù)來改變運動的速度和加速度。為了更好地解決插值過程中的時間控制問題，Steketee等提出了用雙插值的方法來控制運動參數(shù)。其中之一為位置樣條，它是位置對關(guān)鍵幀的函數(shù)；另一為運動樣條，它是關(guān)鍵幀對時間的函數(shù)。Khanek等提出了一類適宜于keyfrae系統(tǒng)的三次插值樣條，他們把關(guān)鍵幀處的切矢量分成入矢量和出矢量兩局部，并引入三個參數(shù)：張量t、連續(xù)量和偏移量b，對樣條進展控制。該方法已在許多動畫系統(tǒng)中得到了應(yīng)用

11、。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.3.2變形動畫計算機動畫中另一類重要的運動控制方式是變形技術(shù)。變形可以是二維或三維的?；趫D象的rph是一種常用的二維動畫技術(shù)。圖象之間的插值變形稱為rph，圖象本身的變形稱為arp。對圖象作arp，首先需要定義圖象的特征構(gòu)造，然后按特征構(gòu)造變形圖象。兩幅圖象間的rph方法是首先分別按特征構(gòu)造對兩幅原圖象arp操作，然后從不同的方向漸隱漸顯地得到兩個圖象系列，最后合成得到rph結(jié)果。圖象的特征構(gòu)造是指由點或構(gòu)造矢量構(gòu)成的對圖象的框架描繪構(gòu)造，如在兩個畫面之間建立起對應(yīng)點關(guān)系。rph技術(shù)在電影特技處理方面得到了廣泛的應(yīng)用。三維物體的變形分兩類：拓?fù)錁?gòu)造發(fā)生變化的變形及拓?fù)?/p>

12、構(gòu)造不發(fā)生變化的變形。其中三維rph變形是指任意兩個三維物體之間的插值轉(zhuǎn)換漸變，主要內(nèi)容是對三維物體進展處理以建立兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，并構(gòu)造三維rph的插值途徑。三維rph處理的對象是三維幾何體，也可以附加物體的物理特性描繪。另一種三維物體變形技術(shù)稱為自由格式變形FFD(Free-FrDefratin)。實現(xiàn)了arp3D功能，可以對三維物體進展空間仿射變換，通過改變變形函數(shù)的參數(shù)就可以使物體變形。3.3人體動畫在計算機圖形學(xué)中，人體的造型與動作模擬一直是最困難、最具挑戰(zhàn)性的問題。這是因為，常規(guī)的數(shù)學(xué)與幾何模型不適宜表現(xiàn)人體形態(tài)，人的關(guān)節(jié)運動特別是引起關(guān)節(jié)運動的肌肉運動也非常難以模擬。一種經(jīng)常用

13、于電影及游戲制作的簡便方法是是旋轉(zhuǎn)復(fù)制法，利用感受器記錄真人的實際運動，從而模擬出真實人體運動。模擬三維空間中的人體通常有三種模型：基于線的模型，通常由抽象的骨骼和關(guān)節(jié)組成，生成效果的真實性較差，肢體的改變等動作也無法模擬；平面圖象，人體的骨骼被小的平面片或曲面片所覆蓋；立體圖象，將人體分解為幾種三維體元，如圓柱、橢球和球等。典型的造型方法及造型系統(tǒng)有NUDES系統(tǒng)、Bubblean模型和Laba表示法等。NUDES系統(tǒng)支持真實的人體素描動畫和隱藏線消去，使用橢圓輪廓消失和重現(xiàn)點的斷定來解決圓弧的可見性問題。Bubblean模型由假設(shè)干球面的交迭構(gòu)成，關(guān)節(jié)模型用一種樹形構(gòu)造描繪，并引入邏輯窗口

14、來斷定骨骼的可見性問題，用一條連接各關(guān)節(jié)的線來代表骨干，認(rèn)為可以采用球面交迭的算法來改善真實性。3.4物理特性建模主要思想是將物體的物理特性參加到其幾何模型中，通過數(shù)值計算對其進展仿真，物體的行為由仿真過程自動確定。物體的物理特性包括：物體所具有的一組物理參量、不同參量之間的關(guān)系、物理參量與物體幾何特性及運動狀態(tài)之間的關(guān)系、不同物體的物理參量之間的關(guān)系。通常，物理參量即為物理學(xué)中一般意義上的物理量。每個物體各個參量之間的關(guān)系以及這些物理參理與幾何特性之間的關(guān)系表示了物體的內(nèi)部構(gòu)造。物體的物理參量與運動狀態(tài)之間的關(guān)系表示物理特性對物體運動的影響，一般用力學(xué)議程表示。不同物體的物理參量之間的關(guān)系表

15、示了物體之間的互相作用。因此，基于物理特性的仿真計算需要涉及如下幾個方面的內(nèi)容：剛體、柔性體的經(jīng)典力學(xué)問題，物體之間的互相作用問題，有約束條件的控制問題，以及物體如何隨時間運動或改變其形狀等?；谖锢砟Ｐ偷膭赢嫾夹g(shù)結(jié)合了計算機圖形學(xué)中現(xiàn)有的建模、繪制和動畫技術(shù)，并將其統(tǒng)一成為一個整體。運用這項技術(shù)，設(shè)計者只要明確物體運動的物理參數(shù)或者約束條件就能生成動畫，更適宜對自然現(xiàn)象的模擬。給定物理特性后，物體的運動就可以計算出來；通過改變物理特性就可以對物體的運動加以控制。但是，物體所具有的物理參量往往無法直接指定，因為人們對許多物理特性的量值并沒有直接的概念。必須解決對物理特性表示的控制問題，好的控制

16、方法在計算機動畫以及機器人運動控制和虛擬現(xiàn)實等相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域中都起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)有的方法多數(shù)是控制微分方程的初值，利用能量約束條件，用反向動力學(xué)求解約束力，通過幾何約束來建立模型，及結(jié)合運動學(xué)控制等方法，實現(xiàn)對物理模型的控制。此外還有很多基于彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、熱學(xué)和幾何光學(xué)等理論的方法，結(jié)合不同的幾何模型和約束條件模擬了各種物體的變形和運動。3.5其它動畫技術(shù)位挪動畫(又稱插值動畫)是一種簡單實用的動畫制作方法，來源于表現(xiàn)形象的夸張變形的傳統(tǒng)動畫手法。這種方法在物體外表的頂點上設(shè)置一個位移向量，通過位移向量改變頂點的位置形成動畫，但保持了物體的材質(zhì)和拓?fù)錁?gòu)造。此外，所涉及的L系統(tǒng)、粒子系

17、統(tǒng)等方法也在計算機動畫中得到了廣泛的應(yīng)用，用來模擬植物、火焰、雨雪等自然景物的動畫。3.6動畫語言最初開發(fā)的計算機動畫系統(tǒng)都是基于程序語言的或只有有經(jīng)歷的計算機專家才能使用的交互式系統(tǒng)。計算機動畫制作程序語言的開發(fā)和使用，使計算機動畫系統(tǒng)更易為一般藝術(shù)工作者所承受，幫助他們創(chuàng)造出更多更動人的特殊動畫效果。動畫語言也經(jīng)常與三維建模語言結(jié)合在一起，使得描繪一個對象及其運動的過程可以同時完成。動畫語言種類很多，主要可分為三類：線性表標(biāo)記語言、擴展了動畫描繪功能的通用語言和圖形語言.在線性表標(biāo)記語言中，對動畫中每個事件的描繪都由起始幀與完畢幀的編號以及相關(guān)動作組成，并通過將這些事件組織成一個線性表來描繪整個動畫過程。這類動畫語言在詳細(xì)實現(xiàn)時往往有所擴展，例如Sef(SEneFrat)除支持線性表構(gòu)造外，還提供了對象組和層次對象構(gòu)造，以及類似高級語言的程序控制構(gòu)造等。另一種實現(xiàn)動畫語言的方法是在現(xiàn)有的通用程序設(shè)計語言中嵌入動畫描繪。我國對計算機三維動畫技術(shù)的應(yīng)用和研究始于九十年代初期。1992年北京工業(yè)大學(xué)AD中心和北京科教電影制片廠結(jié)合完成了一部完全采用計算機三維動畫技術(shù)制作的科教影片?相似?。1993年，他們又同香港先濤公司、香港A公司合作制作了北京申辦2000年奧運會的動畫宣傳片?北京歡迎您?。浙江大學(xué)ADG國家重