第10章 計算機圖形學應用課件

計算機圖形學基礎第10章計算機圖形學應用第10章計算機圖形學應用本章主要內(nèi)容10.1計算機動畫10.2計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）10.3虛擬現(xiàn)實與計算機仿真10.4科學計算可視化10.5計算機動畫實例——隕石撞飛機

第10章計算機圖形學應用10.1.1計算機動畫的起源與發(fā)展

60年代:二維計算機輔助動畫系統(tǒng)

(MSGEN系統(tǒng)(加拿大),CAAS系統(tǒng)(美國)）70年代:三維圖形與動畫的基本技術(shù)的開發(fā);

一小批領(lǐng)導三維動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);

多倫多大學(過程技術(shù))

俄亥俄洲立大學(人物分級動畫與逆向運動學)

蒙特利爾大學(人物動畫與嘴唇同步)

東京大學(氣泡表面模型技術(shù))

出現(xiàn)較成熟動畫制作軟件：

AliasAnimator(加拿大),Softimage(美國)Wavefront(美國),Explore/TDImage(法)90年代:動力學仿真技術(shù)、三維仿真演員系統(tǒng) 自主動畫(面向目標的動畫)

《誰陷害了兔子羅杰？》第10章計算機圖形學應用10.1.2計算機動畫的應用

動畫片制作、廣告特技教學演示訓練模擬、作戰(zhàn)演習產(chǎn)品模擬試驗醫(yī)學診斷電子游戲其他……第10章計算機圖形學應用第10章計算機圖形學應用10.1.3計算機動畫的過程與分類

計算機動畫劃分為三個步驟：

1.造型

2.運動控制

3.繪制

分類：l

從動畫速度分為逐幀動畫與實時動畫。l

從動畫對象

從動畫對象的角度，從總體上將計算機動畫分為圖形動畫和圖象動畫

l

從動畫方法

主要有關(guān)鍵幀方法、彈性體動畫、人體動畫和關(guān)節(jié)動畫、過程動畫第10章計算機圖形學應用10.1.4計算機動畫的中的運動控制方法

關(guān)鍵幀動畫法

1、關(guān)鍵幀中物體要素之間的對應問題。

2、對應要素之間的插值方法。代數(shù)動畫法（造型動畫法）具體可以分為運動學模型、動力學模型和逆向模型。

第10章計算機圖形學應用運動學模型通過直接給出物體的運動速度或運動軌跡，來控制物體的運動規(guī)律。

物體的剛體運動可以用下式表示：

其中矩陣[lij]是局部坐標系相對于世界坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣，它決定了物體在時刻t的方向；向量{xm(t),ym(t),zm(t)}是時刻t局部坐標系的原點相對于世界坐標系的坐標，即相對平移量。

第10章計算機圖形學應用動力學模型——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行受力分析，再由牛頓第二定理或相應的物理定律得出物體根部分得加速度，以控制物體得運動。剛體動力學模型

彈性體動力學模型

Terzopoulos于87年提出的根據(jù)物體的變形產(chǎn)生的應力來控制物體的運動。

Miller的“Snakemotion”。

在布料動畫方面，90年Aono通過假設布料是各向同性的，利用廣義虎克定理控制布料的運動。

無論在對其進行動力學模擬時，都涉及到碰撞檢測問題。

第10章計算機圖形學應用二維圖形的關(guān)鍵幀方法

A3B1B2A1A2B3多邊形之間的插值多邊形頂點間的對應?

第10章計算機圖形學應用增加頂點數(shù)的方法

多邊形A多邊形B中間多邊形重合頂點邊內(nèi)加頂點多邊形A多邊形B中間多邊形二維圖形的關(guān)鍵幀方法

第10章計算機圖形學應用插值方法要解決的問題插值路徑：位置線性插值法

IntrinsicShapeBlending

AB兩種不同的插值路徑得到不同的結(jié)果AB二維圖形的關(guān)鍵幀方法

第10章計算機圖形學應用

對應問題是三維圖形關(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，首先要使其拓撲結(jié)構(gòu)相同，最基本的想法是先將它們都對應到單位球上，在單位球上把拓撲結(jié)構(gòu)合并，這樣以單位球作為媒體實現(xiàn)兩個虧格為零的多面體的對應。總體步驟：

1、把兩個物體映射到同一單位球上。

2、在單位球上把拓撲結(jié)構(gòu)合并。

3、合并后的拓撲結(jié)構(gòu)映射回原來的物體，從而得到兩個與原來的物體有相同的幾何形狀的新模型，而著兩個新模型有著共同的拓撲結(jié)構(gòu)。三維圖形的關(guān)鍵幀方法

第10章計算機圖形學應用三維圖形的關(guān)鍵幀方法

星形物體的映射

掃描(sweep)體的映射

平移掃描體到其凸包的映射第10章計算機圖形學應用三維圖形的關(guān)鍵幀方法

基于物理的方法

ABe1e2e3e4e5abcdei1i2

拓撲結(jié)構(gòu)的合并第10章計算機圖形學應用圖象的關(guān)鍵幀方法

主要要解決的是圖象間象素點的對應問題根據(jù)象素點在兩幅圖象中的位置進行對應基于特征的圖象變形技術(shù)

PQAuvP’Q’A’vu目標圖象源圖象

以一對特征線為基礎的對應第10章計算機圖形學應用圖象的關(guān)鍵幀方法

P2Q2Au2v2P’2Q’2A’2v2u2目標圖象源圖象

以兩對特征線為基礎的對應P1Q1u1v1u1v1P’1Q’1A’1A’第10章計算機圖形學應用10.1.5人體動畫和關(guān)節(jié)動畫

人體動畫的研究內(nèi)容主要包括

面部表情、軀體動畫、手的運動、著裝的模擬

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

用橢球組合成的體第10章計算機圖形學應用人體的造型

P1P2r(P2)r(P1)

以線段為骨架的隱式曲面(a)(b)sisj

骨架交接處產(chǎn)生凸起第10章計算機圖形學應用人體的造型

Psisjdidjd

骨架交接處附近的點到骨架的距離定義sisj

采用新的距離定義生成的曲面第10章計算機圖形學應用運動控制面部動畫

關(guān)鍵幀方法

參數(shù)化面部模型

基于肌肉的模擬方法

軀體動畫

骨架運動的控制

外層肌膚的變形

si+1sisj

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))

人體骨架的部分參數(shù)第10章計算機圖形學應用10.1.6過程動畫

用一個過程來描述物體的變動規(guī)律，它往往與前述的運動學方法、動力學方法相互結(jié)合，如用數(shù)學模型控制水波運動等。粒子系統(tǒng)

將造型和動畫連成一體。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，通過大量粒子的運動來描述所表示物體的運動。

群體動畫

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

第10章計算機圖形學應用粒子系統(tǒng)程序?qū)嵗航ㄗh作為“隕石撞飛機”的爆炸效果。第10章計算機圖形學應用10.1.7計算機動畫的制作軟件

三維動畫制作軟件

Softimage3D

MAYA

3DsMax

網(wǎng)頁動畫格式及制作軟件Flash動畫3DFlashAnimator

Swish

GIF動畫格式Ulead的GifAnimatorMicroMedia的FireworksAdobe的ImageReady第10章計算機圖形學應用10.2計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）

CAD/CAM系統(tǒng)的組成CAD/CAM研究熱點

國內(nèi)外CAD/CAM軟件比較

第10章計算機圖形學應用二維圖形：AutoCAD三維圖形（造型設計）：Pro/Engineer

請比較：CAXA電子圖板/CAXA-ME

第10章計算機圖形學應用10.3虛擬現(xiàn)實與計算機仿真基本概念虛擬現(xiàn)實計算機仿真技術(shù)三維計算機圖形學

三者之間關(guān)系國內(nèi)外研究機構(gòu)虛擬現(xiàn)實(VR)平臺虛擬現(xiàn)實工具第10章計算機圖形學應用著陸離開月球第10章計算機圖形學應用中視典公司的VR-Platform軟件

第10章計算機圖形學應用10.4

科學計算可視化什么是科學計算可視化(VisualizationinScientificComputing)研究如何把科學數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視的、能幫助科學工作者理解的信息的計算方法，是把計算機圖形學與圖象處理技術(shù)應用于計算科學的綜合學科?？梢暬难芯績?nèi)容

可視化過程：數(shù)據(jù)預處理、映射、繪制和顯示

第10章計算機圖形學應用使用Java程序可以在Web上查看國家圖書館的“醫(yī)學可視化人類”殺人犯JosephPaulJernigan，1993，切為1800多幅解剖圖片，（節(jié)省喪葬費）科學計算可視化應用領(lǐng)域第10章計算機圖形學應用輔助教學與研究華中科技大學，李元杰，數(shù)字物理作品氣象預報地質(zhì)勘探……科學計算可視化應用領(lǐng)域第10章計算機圖形學應用氣象預報衛(wèi)星云圖第10章計算機圖形學應用10.5二維簡單游戲設計“隕石撞飛機”

主要控件與功能函數(shù)位圖Bitmap類的應用鍵盤響應（消息WM_KEYDOWN）處理函數(shù)定時器二維圖形，不需要使用OpenGL圖形庫。

參見第