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基于物理的骨骼运动控制技术研究

作　者: 黄振滔
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: 角色动画物理仿真关键帧比例微分控制
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

计算机产生表现真实对象或模拟对象随时间变化的动作和行为,称之为计算机动画。而计算机动画是计算机图形学中的一个重要分支。在计算机动画领域中,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,其中对于人体运动的模拟逐渐成为研究的重点。现有的角色运动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仍然存在不足。传统动画技术需要预先描述物体在某一时刻的瞬时几何位置、形状或者方向,因而,如果要模拟一个逼真的自然运动需要动画设计者耐心、细致的调整。采用传统的动画设计技术一般是难以生成令人满意的运动。而基于物理模型的动画技术则考虑了物体在真实世界中诸如质量、转动惯矩、摩擦力等的属性,并采用动力学原理来自动产生物体的运动。当角色受到外力的作用时,牛顿力学中的标准动力学方程就可以用来自动生成物体在各个时间点的位置、形状和方向。物理仿真是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。物理仿真是运动学上的动作合成的一个重要补充,特别是当仿真的角色需要对不确定的交互作出反应时。其中动态控制的主要问题是没有一种标准的技术方法让动画师准确的指出动作的时间,特别是当它需要对外部的干扰作出自然的反应。针对这个问题,通常被提出的方法都是基于启发式的或手动修改比例微分控制参数。本文提出一个对动态角色控制的方法,能够遵循实时约束,并提供更自然的动作,同时对干扰作出真实的反应。我们的方法是使用传统的比例微分控制器在关键帧之间插值。其中关键的方法是对每一个关节计算PD控制器的参数。通过持续的更新这些参数,这个控制器能够对外部的干扰作出更加自然的反应并改变角色的状态。在实现上,本文以Dynamic Animation and Control Environment(DANCE)开源引擎作为基础,通过系统地分析引擎的系统结构,结合平台的控制器开发策略,形成合适的控制器构成框架,设计出一个角色动画实时控制器插件,从而实现一个实时角色智能行为系统。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。

基于物理的骨骼运动控制技术研究

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