三維計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的研究?jī)?nèi)容與研究方法

張金富

中圖分類號(hào)：TP

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-0992(2009)03-0124-01

摘要：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫是一門集聲學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用學(xué)科。近幾年來(lái)由于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在眾多領(lǐng)域中顯示出廣泛的應(yīng)用前景，而受到人們的普遍關(guān)注。本文概括介紹了計(jì)算機(jī)動(dòng)畫研究的實(shí)質(zhì)，從研究?jī)?nèi)容出發(fā)對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫作出劃分，并討論了研究中所存在的問(wèn)題及應(yīng)用的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫發(fā)展發(fā)展方向

引言：圖形是人類最早使用，同時(shí)也是最容易理解并不受語(yǔ)言限制的一種信息量高度復(fù)中的知識(shí)表示方法，在計(jì)算機(jī)誕生不久之后，人們便開始致力于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的表示和處理的研究今天，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)以及計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的迅速發(fā)展，許多以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)的應(yīng)用技術(shù)，如科學(xué)計(jì)算可視化、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)以及計(jì)算機(jī)動(dòng)畫等開始逐步由理論走向應(yīng)用。本文就計(jì)算機(jī)動(dòng)畫研究的實(shí)質(zhì)及內(nèi)容做一些初步的討論，并對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在多媒體及虛擬現(xiàn)實(shí)中的作用進(jìn)行一些探討。

一、什么是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫最初的產(chǎn)生及發(fā)展與傳統(tǒng)動(dòng)畫制作有著密切的聯(lián)系。什么是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫?這一問(wèn)題卻始終沒(méi)有一個(gè)確切的含義，Thalmann就計(jì)算機(jī)在動(dòng)畫樹作過(guò)程中所起的作用，指出計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(Computer Animation)這一詞的不明確性甚至產(chǎn)生一種錯(cuò)誤的導(dǎo)向。事實(shí)上，而僅以用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助完成動(dòng)畫片的制作”來(lái)理解，似乎已很難概括目前對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫研究的范疇。固為目前的研究已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)畫制作的改革，它綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、物理學(xué)、機(jī)械學(xué)、心理學(xué)、生命科學(xué)、機(jī)器及人工智能等多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)來(lái)研究客觀存在的或是高度抽象的“物體”的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)方法，其應(yīng)用范圍也不僅僅局限于動(dòng)畫片的制作過(guò)程，不同應(yīng)用領(lǐng)域的專家從當(dāng)前計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域中，提出應(yīng)該將“動(dòng)畫”從過(guò)去的單一概念擴(kuò)展到能夠包含各種應(yīng)用領(lǐng)域的多元模式上我們認(rèn)為，從更為廣泛方面來(lái)理解，即：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫是圖形方式對(duì)具有約束條件的動(dòng)態(tài)變化的知識(shí)的一種表示或解釋方法，約束條件可以是物理的(如動(dòng)力學(xué)知識(shí)、運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)等)，也可以是幾何的(如路徑描述、給定的關(guān)鍵幀等)，同時(shí)還可以是時(shí)間上的約束：同樣，動(dòng)態(tài)變化過(guò)程可以是具體物體的物理變化過(guò)程，也可是抽象物體的變化過(guò)程。

二、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的研究?jī)?nèi)容

雖然在目前的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫軟件中，包括幾何造型、真實(shí)感圖形生成(渲染)和運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)三個(gè)基本方面，從目前國(guó)外對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的研究來(lái)看，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的研究的具體內(nèi)容可分為以下方面：

繪圖系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制、關(guān)鍵幀動(dòng)畫。路徑控制、基于機(jī)械學(xué)的動(dòng)畫、合成演員、動(dòng)畫語(yǔ)言與語(yǔ)義、動(dòng)畫系統(tǒng)用戶界面、動(dòng)畫系統(tǒng)專用硬件、科學(xué)可視化計(jì)算的動(dòng)畫表現(xiàn)、工業(yè)過(guò)程動(dòng)畫仿真、運(yùn)動(dòng)模糊與時(shí)間反混淆技術(shù)、基于AI的動(dòng)畫、機(jī)器人與動(dòng)碡、特技效果、音響合成技術(shù)、語(yǔ)言合成技術(shù)、錄制技術(shù)。

由上面的研究?jī)?nèi)容不難看出，運(yùn)動(dòng)主體的控幫方法仍是整個(gè)動(dòng)畫系統(tǒng)研究的核心，尤其是AI與機(jī)器人理論為基礎(chǔ)的動(dòng)畫系統(tǒng)研竟更是近幾年來(lái)的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)下面就不同類型的運(yùn)動(dòng)主體的運(yùn)動(dòng)控制方法于以介紹。

三、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的研究方法

下面根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制方法的不同進(jìn)行分類：

(1)基于傳統(tǒng)動(dòng)畫思想的運(yùn)動(dòng)控制研究

這一部分內(nèi)容的工作主要集中在關(guān)鍵幀動(dòng)畫與變形方法的研究上，一般包括對(duì)給定關(guān)鍵幀圖形或圖象。研究其內(nèi)插方法，同時(shí)對(duì)物體在給定描述路徑上的連續(xù)光滑的運(yùn)動(dòng)研究，也屬于這一范疇。

(2)連接物體的運(yùn)動(dòng)控制研究

對(duì)連接物體的運(yùn)動(dòng)控制研究，主要體現(xiàn)在多剛體系統(tǒng)曲運(yùn)動(dòng)控制方法研究上，很多工作借助于機(jī)器人中的運(yùn)動(dòng)控制研究基礎(chǔ)運(yùn)用動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等知識(shí)研究在各種約束條件下的運(yùn)動(dòng)控制方法以及有效的數(shù)值計(jì)算方法。

(3)非剛體的運(yùn)動(dòng)控制研究

非剛體的運(yùn)動(dòng)控制研究，目前著重于非剛體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程或受外力作用的情況下，發(fā)生的幾何變形過(guò)程，主要以幾何形狀體現(xiàn)物體的變化過(guò)程如^體面部表情的動(dòng)畫便是一個(gè)典型的例子因?yàn)槊娌繋缀涡螤畹母淖兪菑B映面部表情變化的重要因素。

(4)自然景物的運(yùn)動(dòng)控制研究

自然景物的運(yùn)動(dòng)，如飄浮的云層、撞擊海岸的海水、生長(zhǎng)的植物等，都是很復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，它們很難用傳統(tǒng)的幾何方法和物理知識(shí)加以描述，采用粒子系統(tǒng)方法以及隨機(jī)過(guò)程等可在一定程度上有效的解決這類問(wèn)題。

(5)抽象概念的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)研究

有許多可運(yùn)用過(guò)程或數(shù)學(xué)方法來(lái)加以描述，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算求解，最后動(dòng)畫的形式表現(xiàn)出來(lái)。這類問(wèn)題的研究與“計(jì)算機(jī)圖形仿真”、“科學(xué)計(jì)算可視化”以及近年來(lái)提出的“信息可視化”等極為相似，只是側(cè)重面有所區(qū)別。但從近年來(lái)的研究趨勢(shì)來(lái)看，有著走向統(tǒng)一的傾向，固為要完整而真實(shí)地表現(xiàn)研究對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為，都必需從概念的數(shù)學(xué)建模、有效的數(shù)值計(jì)算方法和適當(dāng)?shù)膱D形表現(xiàn)來(lái)加以綜合的研究。

(6)以Agent為主體的動(dòng)態(tài)行為研究

近年來(lái)隨著Agent系統(tǒng)理論的發(fā)展。人們發(fā)現(xiàn)基于Agent的智能動(dòng)畫系統(tǒng)更具有挑戰(zhàn)性，特別是對(duì)臺(tái)作的、分布的多Agent動(dòng)畫系統(tǒng)成為計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的發(fā)展目標(biāo)。將Agent賦予不同的結(jié)構(gòu)、內(nèi)容和能力，使它能夠作用于自身和環(huán)境，并能對(duì)環(huán)境作出反映如果說(shuō)模擬人是單Agent目標(biāo)，那么多Agent系統(tǒng)則是以模擬凡類社會(huì)作為其最終標(biāo)。一些以Agent為主體的動(dòng)畫研究，初步向人們展現(xiàn)了其優(yōu)越性-如Justine Cassell等對(duì)多Agent的會(huì)話動(dòng)畫系統(tǒng)的研究。

結(jié)束語(yǔ)：

從廣義的概念來(lái)看，智能運(yùn)動(dòng)主體應(yīng)該具有思想、感知、決策、行為的自主式結(jié)構(gòu)，是虛擬環(huán)境下智能機(jī)器人。有一點(diǎn)值得強(qiáng)調(diào)指出的是，由于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在一些影片中的成功運(yùn)用，使得一些人產(chǎn)生一種計(jì)算機(jī)動(dòng)畫已經(jīng)到達(dá)完美階段的錯(cuò)覺(jué)，從此及以上可以看出，三維動(dòng)畫的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)很高的水平。