計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫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

第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.1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)(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(jí)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) AliasAnimator(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)畫片第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.2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;電子游戲第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.3計(jì)算機(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.造型

2.運(yùn)動(dòng)控制

3.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)畫與實(shí)時(shí)動(dòng)畫。l

從動(dòng)畫對(duì)象

從動(dòng)畫對(duì)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)畫和圖象動(dòng)畫

l

從動(dòng)畫方法

主要有關(guān)鍵幀方法、彈性體動(dòng)畫、人體動(dòng)畫和關(guān)節(jié)動(dòng)畫、過程動(dòng)畫第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.4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、動(dòng)力學(xué)模型和逆向模型。

第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.4.1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：

其中矩陣[lij]是局部坐標(biāo)系相對(duì)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(duì)于世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)，即相對(duì)平移量。

第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.4.2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(duì)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“Snakemotion”。

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(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，都涉及到碰撞檢測(cè)問題。

第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.4.3逆向模型根據(jù)對(duì)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3.1第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.4.3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

第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.4.3逆向模型（續(xù)）

圖3.4點(diǎn)線約束圖3.5方向約束第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.4.4物體的同步運(yùn)動(dòng)圖3.6ABpap2pbd1d2h對(duì)運(yùn)動(dòng)的同步和并發(fā)的規(guī)定

第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.5典型動(dòng)畫方法介紹

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(duì)應(yīng)問題。

2、對(duì)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

第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫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(duì)應(yīng)?

第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫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中間多邊形第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫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：位置線性插值法

IntrinsicShapeBlending

AB圖5.4兩種不同的插值路徑得到不同的結(jié)果AB第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.5.1.2三維圖形的關(guān)鍵幀方法

對(duì)應(yīng)問題是三維圖形關(guān)鍵幀方法中的首要問題。對(duì)虧格為零的多面體

要尋找其對(duì)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(duì)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(duì)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)浣Y(jié)構(gòu)。第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.5.1.2三維圖形的關(guān)鍵幀方法

星形物體的映射

掃描(sweep)體的映射

圖5.8平移掃描體到其凸包的映射第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.5.1.2三維圖形的關(guān)鍵幀方法

基于物理的方法

ABe1e2e3e4e5abcdei1i2圖5.9拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合并第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.5.1.3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(duì)應(yīng)問題根據(jù)象素點(diǎn)在兩幅圖象中的位置進(jìn)行對(duì)應(yīng)基于特征的圖象變形技術(shù)

PQAuvP’Q’A’vu目標(biāo)圖象源圖象圖5.10以一對(duì)特征線為基礎(chǔ)的對(duì)應(yīng)第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.5.1.3圖象的關(guān)鍵幀方法

P2Q2Au2v2P’2Q’2A’2v2u2目標(biāo)圖象源圖象圖5.11以兩對(duì)特征線為基礎(chǔ)的對(duì)應(yīng)P1Q1u1v1u1v1P’1Q’1A’1A’第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.5.2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、軀體動(dòng)畫、手的運(yùn)動(dòng)、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(shì)面來構(gòu)造空間的一張隱式曲面

不光滑圖7.1用橢球組合成的體第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫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)生凸起第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.5.2.1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第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.5.2.2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)第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.5.3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)

將造型和動(dòng)畫連成一體。其基本思想是用大量形狀簡(jiǎn)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

用來模擬以群體方式運(yùn)動(dòng)的對(duì)象，如鳥、魚等。一定程度上可以將其看成粒子系統(tǒng)的推廣

第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.6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

Softimage3D

MAYA

3DsMax

第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫11.1.6.2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

3DFlashAnimator

Swish

GIF動(dòng)畫格式Ulead的GifAnimatorMicroMedia的FireworksAdobe的ImageReady

第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.2科學(xué)計(jì)算可視化11.2.1

科學(xué)計(jì)算可視化的概念和意義

11.2.2

標(biāo)量場(chǎng)可視化方法一維標(biāo)量場(chǎng)的可視化二維標(biāo)量場(chǎng)的可視化三維標(biāo)量場(chǎng)的可視化

11.2.3矢量場(chǎng)可視化方法11.2.4張量場(chǎng)可視化方法11.2.5可視化應(yīng)用軟件第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.2科學(xué)計(jì)算可視化11.2.2.1一維標(biāo)量場(chǎng)的可視化

維標(biāo)量場(chǎng)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、直方圖和柱形圖等不同方式。11.2.2.2二維標(biāo)量場(chǎng)的可視化

根據(jù)應(yīng)用的不同，二維標(biāo)量場(chǎng)的可視化可分為曲面圖、圖象法和等值線等不同方式。

第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11.2科學(xué)計(jì)算可視化11.2.2.3

三維標(biāo)量場(chǎng)的可視化

11.2.2.3.