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基于物理的角色动画动态控制技术研究

作　者: 张凯
导　师: 陈泽琳
学　校: 华南理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 角色动画物理仿真运动学动态控制器
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

角色动画一直是虚拟现实、游戏、电影或者动画制作软件里不可或缺的一部分。形象、逼真的角色动画一直是动画师们所追求的目标。随着时代的发展和技术的进步,对于人体运动的模拟逐渐成为研究的重点。现有的角色控制技术虽然有了很大的发展,但是在表现角色动作的真实度和自然感上还存在不足。运动捕捉技术作为虚拟角色动画生成的极有效率的方法,具有数据逼真度高细节丰富的特点,但也存在一些缺点,最显而易见的是不能应用于新的环境和新的角色。基于物理的角色动画在减轻设计师的负担和动画表现的真实性方面都有无可比拟的优势,它通过数字模拟物理定律对产生的动作进行一般的约束来合成动作,从而产生真实的结果。本文详细论述了传统动画和物理动画的理论基础。传统动画技术要求预先描述物体在某一时刻的瞬时几何位置、方向和形状,因而,欲模拟一个逼真的自然运动需要动画设计者细致、耐心的调整,要求动画设计者依赖其对真实物理世界的直观感觉来设计物体在场景中的运动。采用传统的动画设计技术一般来说难以生成令人满意的运动。基于物理模型的动画技术则考虑了物体在真实世界中的属性,如它具有质量、转动惯矩、弹性、摩擦力等,并采用动力学原理来自动产生物体的运动。当场景中的物体受到外力作用时,牛顿力学中的标准动力学方程可用来自动生成物体在各个时间点的位置、方向及其形状。目前基于物理技术的角色动画研究核心在两个方面:合理的人体模型建立、动作的动力学方程设定。在动作的动力学方程设定方面,目前还很难做到使虚拟角色能完全根据物理参数的设定做出一连串的真实、连贯动作。已经实现的应用大都是和传统动画技术相融合,作为补充或特定环境下的表现模式。本文以DANCE开源引擎作为基础,通过系统地分析引擎的设计思想和系统结构,设计一个角色动画实时控制模块,从而实现一个实时角色智能行为系统。通过为骨骼模型绑定传感器,设定各个关节点的位置,刚性系数,阻尼系数等参数来设定角色的初始状态,在控制器的控制下实时计算出角色与环境的关系与状态,产生角色动画。通过实现表明,基于此系统开发的程序具有逼真、生动的模拟效果,同时具有良好的可扩充性和可移植性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-15
  1.1 研究的背景和意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12
  1.3 论文的研究内容与目标  12-13
  1.4 论文的组织与安排  13-15
第二章基于物理的动画控制技术  15-24
  2.1 物理动画技术  15-16
    2.1.1 物理动画简介  15
    2.1.2 与传统动画技术的区别  15
    2.1.3 物理动画研究现状  15-16
  2.2 常用建模方法介绍  16-18
    2.2.1 传统的人体建模技术  16-17
    2.2.2 基于物理的建模技术  17-18
  2.3 各种运动控制技术比较  18-23
    2.3.1 基于人体运动学知识的运动序列设定  18-19
    2.3.2 运动学与动力学技术  19-22
    2.3.3 运动捕获技术  22
    2.3.4 各种控制技术比较  22-23
  2.4 小结  23-24
第三章DANCE 平台介绍  24-31
  3.1 引言  24-26
  3.2 系统架构和核心插件  26-29
  3.3 DANCE 平台的优点  29-30
  3.4 小结  30-31
第四章基于脚本的动态控制  31-48
  4.1 引言  31
  4.2 控制器开发环境  31-36
    4.2.1 基于关键帧的控制  32-33
    4.2.2 修改的物理环境  33-36
  4.3 控制器构成框架  36-41
    4.3.1 控制器提取  37-38
    4.3.2 前置条件  38-39
    4.3.3 后置条件  39
    4.3.4 预期效果  39
    4.3.5 控制器转换  39-41
  4.4 脚本控制的实现  41-47
    4.4.1 DANCE 脚本系统  41-42
    4.4.2 Python 脚本实现  42-45
    4.4.3 测试结果  45-47
  4.5 小结  47-48
第五章动态控制器的实现  48-62
  5.1 引言  48-50
  5.2 运动和动态控制器  50
  5.3 控制器的激活  50-52
    5.3.1 动态到运动的转换  51
    5.3.2 运动到动态的转换  51-52
    5.3.3 运动到运动的转换  52
    5.3.4 动态到动态的转换  52
  5.4 动态控制器的实现  52-61
    5.4.1 控制器开发  52-53
    5.4.2 C++代码实现  53-60
    5.4.3 测试结果  60-61
  5.5 小结  61-62
第六章总结和展望  62-64
  6.1 工作总结  62
  6.2 进一步研究展望  62-64
参考文献  64-67
致谢  67

基于物理的角色动画动态控制技术研究

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