三維計算機動畫的研究內容與研究方法

張金富

中圖分類號：TP

文獻標識碼：A

文章編號：1673-0992(2009)03-0124-01

摘要：計算機動畫是一門集聲學科知識的應用學科。近幾年來由于計算機動畫在眾多領域中顯示出廣泛的應用前景，而受到人們的普遍關注。本文概括介紹了計算機動畫研究的實質，從研究內容出發對計算機動畫作出劃分，并討論了研究中所存在的問題及應用的發展方向。

關鍵詞：計算機動畫發展發展方向

引言：圖形是人類最早使用，同時也是最容易理解并不受語言限制的一種信息量高度復中的知識表示方法，在計算機誕生不久之后，人們便開始致力于用計算機進行圖形的表示和處理的研究今天，隨著計算機硬件技術以及計算機圖形處理技術的迅速發展，許多以計算機圖形學為基礎的應用技術，如科學計算可視化、多媒體、虛擬現實以及計算機動畫等開始逐步由理論走向應用。本文就計算機動畫研究的實質及內容做一些初步的討論，并對計算機動畫在多媒體及虛擬現實中的作用進行一些探討。

一、什么是計算機動畫

計算機動畫最初的產生及發展與傳統動畫制作有著密切的聯系。什么是計算機動畫?這一問題卻始終沒有一個確切的含義，Thalmann就計算機在動畫樹作過程中所起的作用，指出計算機動畫(Computer Animation)這一詞的不明確性甚至產生一種錯誤的導向。事實上，而僅以用計算機來輔助完成動畫片的制作”來理解，似乎已很難概括目前對計算機動畫研究的范疇。固為目前的研究已遠遠超出人們對傳統動畫制作的改革，它綜合運用計算機圖形學、物理學、機械學、心理學、生命科學、機器及人工智能等多學科領域知識來研究客觀存在的或是高度抽象的“物體”的運動表現方法，其應用范圍也不僅僅局限于動畫片的制作過程，不同應用領域的專家從當前計算機動畫的廣泛應用領域中，提出應該將“動畫”從過去的單一概念擴展到能夠包含各種應用領域的多元模式上我們認為，從更為廣泛方面來理解，即：計算機動畫是圖形方式對具有約束條件的動態變化的知識的一種表示或解釋方法，約束條件可以是物理的(如動力學知識、運動學知識等)，也可以是幾何的(如路徑描述、給定的關鍵幀等)，同時還可以是時間上的約束：同樣，動態變化過程可以是具體物體的物理變化過程，也可是抽象物體的變化過程。

二、計算機動畫的研究內容

雖然在目前的計算機動畫軟件中，包括幾何造型、真實感圖形生成(渲染)和運動設計三個基本方面，從目前國外對計算機動畫的研究來看，計算機動畫的研究的具體內容可分為以下方面：

繪圖系統、運動控制、關鍵幀動畫。路徑控制、基于機械學的動畫、合成演員、動畫語言與語義、動畫系統用戶界面、動畫系統專用硬件、科學可視化計算的動畫表現、工業過程動畫仿真、運動模糊與時間反混淆技術、基于AI的動畫、機器人與動碡、特技效果、音響合成技術、語言合成技術、錄制技術。

由上面的研究內容不難看出，運動主體的控幫方法仍是整個動畫系統研究的核心，尤其是AI與機器人理論為基礎的動畫系統研竟更是近幾年來的研究重點與難點下面就不同類型的運動主體的運動控制方法于以介紹。

三、計算機動畫的研究方法

下面根據運動控制方法的不同進行分類：

(1)基于傳統動畫思想的運動控制研究

這一部分內容的工作主要集中在關鍵幀動畫與變形方法的研究上，一般包括對給定關鍵幀圖形或圖象。研究其內插方法，同時對物體在給定描述路徑上的連續光滑的運動研究，也屬于這一范疇。

(2)連接物體的運動控制研究

對連接物體的運動控制研究，主要體現在多剛體系統曲運動控制方法研究上，很多工作借助于機器人中的運動控制研究基礎運用動力學、運動學等知識研究在各種約束條件下的運動控制方法以及有效的數值計算方法。

(3)非剛體的運動控制研究

非剛體的運動控制研究，目前著重于非剛體在運動過程或受外力作用的情況下，發生的幾何變形過程，主要以幾何形狀體現物體的變化過程如^體面部表情的動畫便是一個典型的例子因為面部幾何形狀的改變是廈映面部表情變化的重要因素。

(4)自然景物的運動控制研究

自然景物的運動，如飄浮的云層、撞擊海岸的海水、生長的植物等，都是很復雜的運動過程，它們很難用傳統的幾何方法和物理知識加以描述，采用粒子系統方法以及隨機過程等可在一定程度上有效的解決這類問題。

(5)抽象概念的運動表現研究

有許多可運用過程或數學方法來加以描述，并通過數值計算求解，最后動畫的形式表現出來。這類問題的研究與“計算機圖形仿真”、“科學計算可視化”以及近年來提出的“信息可視化”等極為相似，只是側重面有所區別。但從近年來的研究趨勢來看，有著走向統一的傾向，固為要完整而真實地表現研究對象的動態行為，都必需從概念的數學建模、有效的數值計算方法和適當的圖形表現來加以綜合的研究。

(6)以Agent為主體的動態行為研究

近年來隨著Agent系統理論的發展。人們發現基于Agent的智能動畫系統更具有挑戰性，特別是對臺作的、分布的多Agent動畫系統成為計算機動畫的發展目標。將Agent賦予不同的結構、內容和能力，使它能夠作用于自身和環境，并能對環境作出反映如果說模擬人是單Agent目標，那么多Agent系統則是以模擬凡類社會作為其最終標。一些以Agent為主體的動畫研究，初步向人們展現了其優越性-如Justine Cassell等對多Agent的會話動畫系統的研究。

結束語：

從廣義的概念來看，智能運動主體應該具有思想、感知、決策、行為的自主式結構，是虛擬環境下智能機器人。有一點值得強調指出的是，由于計算機動畫在一些影片中的成功運用，使得一些人產生一種計算機動畫已經到達完美階段的錯覺，從此及以上可以看出，三維動畫的發展已經達到了一個很高的水平。