面向計(jì)算機(jī)動(dòng)畫課程的案例教學(xué)設(shè)計(jì)研究

張軍+陳秀宏+狄嵐+趙燕

摘要：針對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫課程體系理論抽象、應(yīng)用性強(qiáng)且更新迅速的特點(diǎn)，分析相關(guān)教學(xué)內(nèi)容中案例設(shè)計(jì)的需求，提出通過(guò)拆解前沿科技論文作為案例設(shè)計(jì)素材的思想。作為實(shí)例，給出了隱式蒙皮、晶格變形、歐拉視頻增強(qiáng)和實(shí)時(shí)三維云動(dòng)畫四個(gè)典型教學(xué)案例。

關(guān)鍵詞：數(shù)字媒體技術(shù)；計(jì)算機(jī)動(dòng)畫；案例教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Study of How to Design the Teaching Cases for Computer Animation Course

ZHANG Jun,CHEN Xiuhong,DI Lan,ZHAO Yan

(School of Digital Media,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Abstract:The computer animation is a highly application-oriented course.Its technical solutions update quickly and its theory is abstract.We presented four actual cases from some advanced academic papers to make computer animation course more specifiable and more popular.These cases include implicit skinning,fast lattice shape matching,eulerian video magnification and multi-threaded 3D cloud simulation.

Keywords:digital media technology;computer animation;case teaching;practice teaching

1 引言(Introduction)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化的文字、圖形、圖像、聲音、視頻、動(dòng)畫等媒體逐漸滲透到互聯(lián)網(wǎng)、IT行業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，并成為全產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力和不可或缺的能量。在這個(gè)大背景下，各個(gè)高校相繼推出數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)，旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、能適應(yīng)21世紀(jì)數(shù)字媒體技藝術(shù)發(fā)展需要的，從事數(shù)字媒體的技術(shù)開(kāi)發(fā)與藝術(shù)設(shè)計(jì)以及開(kāi)發(fā)制作的復(fù)合型高級(jí)人才。

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫課程是數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)一門重要的專業(yè)課，具有非常重要的地位和作用。該課程的任務(wù)是掌握計(jì)算機(jī)動(dòng)畫領(lǐng)域的基本理論、技術(shù)和方法，為今后的專業(yè)學(xué)習(xí)和就業(yè)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。然而，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫領(lǐng)域的技術(shù)更新速度非?？欤虡I(yè)產(chǎn)品日新月異，學(xué)術(shù)論文鋪天蓋地。在這枝繁葉茂的藝工交叉領(lǐng)域，如何能把相關(guān)前沿技術(shù)準(zhǔn)確、及時(shí)的傳播給每一個(gè)數(shù)字媒體技術(shù)系的學(xué)生，是當(dāng)前的一個(gè)重要課題。為此，許多教育工作者提出借鑒藝術(shù)領(lǐng)域培訓(xùn)學(xué)生時(shí)慣用的案例教學(xué)[1-3]方式，將前沿技術(shù)與基礎(chǔ)理論融合在教學(xué)內(nèi)容之中。

然而，相對(duì)于藝術(shù)系，數(shù)字媒體技術(shù)領(lǐng)域的經(jīng)典案例偏少[4-6]。為此，本文作者通過(guò)調(diào)研大量SIGGRAPH會(huì)議歷年的相關(guān)論文及其作者發(fā)布的技術(shù)演講幻燈片，選取了四個(gè)與計(jì)算機(jī)動(dòng)畫課程高度相關(guān)的前沿技術(shù)，將它們的論文拆解成教學(xué)案例，期望這些案例能豐富計(jì)算機(jī)動(dòng)畫課程案例內(nèi)容并促進(jìn)教學(xué)和科研相互促進(jìn)[7]。

2 案例一(Case I)

蒙皮(Skins)技術(shù)是人物動(dòng)畫領(lǐng)域里至關(guān)重要的技術(shù)之一，直接決定動(dòng)畫人物的視覺(jué)外觀和運(yùn)動(dòng)效果。由于傳統(tǒng)蒙皮技術(shù)存在一定的技術(shù)缺陷(如塌陷、過(guò)渡膨脹等)，許多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行過(guò)深入研究，提出了各種有效解決方案[8]。

另一方面，數(shù)字媒體技術(shù)系的學(xué)生在經(jīng)過(guò)兩年大學(xué)專業(yè)課程學(xué)習(xí)后，已經(jīng)具備了一定的動(dòng)手能力，但缺乏實(shí)際技術(shù)創(chuàng)新動(dòng)力，對(duì)相關(guān)工作流程較為陌生。為提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的積極性，引導(dǎo)學(xué)生更快、更好的學(xué)以致用，可在介紹基本的蒙皮技術(shù)的同時(shí)，通過(guò)最新蒙皮技術(shù)改進(jìn)案例引導(dǎo)學(xué)生有意識(shí)的提高自身創(chuàng)新能力。

為此，我們選取Vaillant等人[8]在2013年提出的隱式曲面蒙皮技術(shù)(Implicit Skinning)作為實(shí)際案例，講解如何尋找研究課題，如何尋找解決問(wèn)題的方案，如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)意，如何盡早開(kāi)始學(xué)術(shù)生涯。

在教學(xué)過(guò)程中，我們將Vaillant等人[8]的論文拆解成多個(gè)小的子案例，構(gòu)成一個(gè)完整的技術(shù)創(chuàng)新流程(圖2)，用于講解流程中每個(gè)步驟的實(shí)際工作。該流程從選題開(kāi)始，逐步經(jīng)過(guò)研究現(xiàn)狀調(diào)研、尋找現(xiàn)有解決方案的缺陷、改進(jìn)現(xiàn)有方案、驗(yàn)證改進(jìn)方案和發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文等步驟，最終以實(shí)際技術(shù)應(yīng)用為目標(biāo)。在這個(gè)環(huán)狀流程里，研究者必須帶著尋找問(wèn)題的目標(biāo)，依靠互聯(lián)網(wǎng)文獻(xiàn)作為支撐力量，在不斷循環(huán)的工作流程中一步步深化研究方案。

圖1 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫領(lǐng)域創(chuàng)新工作流程

Fig.1 A workflow for the innovation in computer

animation industry

另外，Vaillant的個(gè)人網(wǎng)站也發(fā)布了他在SIGGRAPH會(huì)議上講解該技術(shù)方案的演講稿，為我們教學(xué)工作的開(kāi)展提供了豐富的演示素材。

圖2 Vaillant發(fā)布的演講幻燈片截圖

Fig.2 A slide released by Vaillant

3 案例二(Case II)

作為插值動(dòng)畫技術(shù)中的一個(gè)高階算法[9]，插值變形技術(shù)是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫領(lǐng)域的一種強(qiáng)大的動(dòng)畫技術(shù)，通過(guò)具有一定靈活性的體動(dòng)畫使得動(dòng)畫對(duì)象更具表現(xiàn)力以及活力。然而，插值動(dòng)畫技術(shù)涉及過(guò)多數(shù)學(xué)運(yùn)算，相對(duì)較為抽象，需要學(xué)生具有一定耐心才能理解整個(gè)技術(shù)流程。為提高學(xué)生對(duì)插值變形技術(shù)的興趣，我們引入Rivers等人[10]在2007年提出的快速晶格變形技術(shù)(Fast Lattice Shape Matching)作為實(shí)際案例，詳細(xì)講解相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)和演示動(dòng)畫。

快速晶格變形技術(shù)利用規(guī)則晶格頂點(diǎn)變形驅(qū)動(dòng)晶格內(nèi)部動(dòng)畫對(duì)象形變的插值動(dòng)畫技術(shù)，它簡(jiǎn)單、快速，具有體積保持、支持大幅度形變和魯棒性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)秀的實(shí)時(shí)變形技術(shù)。該算法利用傳統(tǒng)網(wǎng)格變形技術(shù)對(duì)一個(gè)包裹動(dòng)畫對(duì)象的規(guī)則晶格點(diǎn)(圖3)進(jìn)行形變，再通過(guò)晶格頂點(diǎn)插值技術(shù)計(jì)算內(nèi)部動(dòng)畫對(duì)象的形狀。整個(gè)計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、流暢，適合作為教學(xué)案例。

圖3 晶格及其內(nèi)部動(dòng)畫對(duì)象示意圖

Fig.3 The lattice and its internal animation object

晶格格點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更新的核心方程(1)是一種典型的運(yùn)動(dòng)計(jì)算方式，可進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)計(jì)算的理解。

（1）

Rivers等人針對(duì)繁瑣的晶格運(yùn)動(dòng)計(jì)算過(guò)程提出了一種快速計(jì)算方案，可大幅減小其中的冗余計(jì)算，使整個(gè)動(dòng)畫變形計(jì)算流程可在普通PC機(jī)上達(dá)到實(shí)時(shí)渲染的速率。最后，Rivers等人發(fā)布了相當(dāng)多的該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)畫視頻(圖4)，是提高學(xué)生上課興趣的有效素材。

圖4 演示動(dòng)畫視頻截圖

Fig.4 A frame of the demo video

4 案例三(Case III)

endprint

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫概念不同，最近Wu等人[11]提出一種視頻運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)技術(shù)，可對(duì)實(shí)際視頻“畫”出運(yùn)動(dòng)效果，是一種特殊的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)。人眼視覺(jué)系統(tǒng)具有時(shí)域和空域上的局限性，對(duì)目標(biāo)的細(xì)微運(yùn)動(dòng)情況感知能力非常有限。類似人臉正常靜脈血液周期性回流產(chǎn)生的膚色細(xì)微改變、腕部動(dòng)脈跳動(dòng)等現(xiàn)象，都無(wú)法直接被人眼所觀察到。Wu等人[11]提出了一種快速視頻運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)算法(Eulerian Video Magnification,EVM)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行后處理以對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行增強(qiáng)(Motion Magnification)的技術(shù)，幫助人眼觀察場(chǎng)景中的細(xì)微運(yùn)動(dòng)信息。

我們通過(guò)此案例拓展學(xué)生對(duì)動(dòng)畫技術(shù)的理解，打破其對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫內(nèi)涵僅涉及虛擬世界的偏見(jiàn)，并幫助學(xué)生建立對(duì)數(shù)學(xué)理論的信心。

圖5 EVM算法框架示意圖

Fig.5 The framework of EVM

EVM算法的目標(biāo)是揭示視頻中裸眼很難分辨的細(xì)微運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而起到視頻運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的作用。該算法采用標(biāo)準(zhǔn)視頻作為輸入，并在空域上分解每一幀圖像成Laplacian金字塔系數(shù)，然后通過(guò)時(shí)域上低通濾波得到視頻中運(yùn)動(dòng)信息。最后，EVM算法將時(shí)-空濾波得到的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行放大，疊加到原始視頻上(圖5)，從而使人眼能直接觀察到視頻中微小運(yùn)動(dòng)信息。

為盡量避免噪聲影響，充分提取視頻中低頻運(yùn)動(dòng)信息，EVM算法實(shí)際上是使用了兩個(gè)低階理想低通濾波的差值(2)作為濾波結(jié)果，這本質(zhì)上是一個(gè)理想帶通(Band-pass Filter)濾波器。

(2)

其中表示輸入視頻某像素位置隨時(shí)間變化的像素值，經(jīng)過(guò)時(shí)空濾波得到的視頻運(yùn)動(dòng)信息。EVM算法在原始視頻上疊加放大后的，達(dá)到運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的效果(為放大因子)：

(3)

5 案例四(Case IV)

對(duì)于某些無(wú)法采用靜態(tài)、剛體以及簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義的圖形對(duì)象(如火焰、煙霧、云、水等)，其建模以及動(dòng)畫操作通常難以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和粒子系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)這些特殊現(xiàn)象的動(dòng)畫效果。

計(jì)算流體力學(xué)和粒子系統(tǒng)涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論和程序并行計(jì)算理念，是本科階段學(xué)生最不容易接受的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)之一。我們選取Dobashi等人[12]對(duì)三維云實(shí)現(xiàn)的動(dòng)畫技術(shù)作為實(shí)際案例，詳細(xì)講解其中涉及的數(shù)學(xué)理論和編程思想。

Dobashi采用了簡(jiǎn)化的計(jì)算流體力學(xué)方程，并采用單元自動(dòng)控制將云的模擬空間劃分成三維網(wǎng)格，網(wǎng)格中的每個(gè)單元都有三個(gè)二元狀態(tài)(水氣hum、相變因子act和云cld)。如圖6所示，通過(guò)在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)應(yīng)用一組狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，可以模擬云的形態(tài)的演化，包括云的形成，消散以及隨風(fēng)飄動(dòng)。根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格單元是否有云，可以插值計(jì)算出模擬空間的密度分布，被后續(xù)云的光照和渲染過(guò)程使用。相對(duì)于其他模擬方法來(lái)說(shuō)，Dobashi的方法計(jì)算開(kāi)銷較小，卻能產(chǎn)生逼真的體積云的動(dòng)畫，這是選擇此方法的主要原因。

圖6 云粒子演化方式示意圖

Fig.6 The growth of cloud particles

6 結(jié)論(Conclusion)

將國(guó)際上最前沿的動(dòng)畫技術(shù)引入到計(jì)算機(jī)動(dòng)畫課程體系教學(xué)中，可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，拓展學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)的興趣，同時(shí)也促進(jìn)相關(guān)課程的教師通過(guò)備課提高自身專業(yè)素養(yǎng)，達(dá)到一舉多得的目標(biāo)。只有以科研促進(jìn)教學(xué)、教學(xué)帶動(dòng)科研的互動(dòng)模式，才能在日新月異的數(shù)字媒體技術(shù)領(lǐng)域里培養(yǎng)出滿足社會(huì)發(fā)展需要的專門人才。下一步，我們將依據(jù)課程教學(xué)的需要，探索更多前沿技術(shù)案例豐富教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步完善具有特色的應(yīng)用型計(jì)算動(dòng)畫課程的教學(xué)體系。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 徐增敏,等.學(xué)科前沿指引下的信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)教學(xué)研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2014(8):1-11.

[2] 王瑾.淺談動(dòng)畫設(shè)計(jì)教學(xué)中創(chuàng)意思維的培養(yǎng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2013(19):158.

[3] 周蘇.再談“計(jì)算機(jī)前沿技術(shù)講座”的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)教育,2008(3):80-82.

[4] 黃朝兵,等.圖像處理教學(xué)與科研共建模式研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2014(8):48-50.

[5] 宋青松,等.計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)實(shí)踐與研究[J].教育教學(xué)論壇,2013(47):228-229.

[6] 沈曉晶,等.應(yīng)用型院校數(shù)字圖像處理本科教學(xué)探索[J].計(jì)算機(jī)教育.2012(1):86-88.

[7] 袁修孝.以科研促進(jìn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].高教論壇,2008(5):12-20.

[8] Vaillant R,et al. Implicit skinning:real-time skin deformation with contact modeling [J].ACM Transactions on Graphics,2013,32(4):125.

[9] Stevens Rick.計(jì)算機(jī)動(dòng)畫算法與技術(shù)(第二版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[10] Rivers A R,James D L.FastLSM: fast lattice shape matching for robust real-time deformation [J]. ACM Transactions on Graphics,2007,26(3):82.

[11] Wu H,et al.Eulerian Video Magnification for Revealing Subtle Changes in the World[J].ACM Transactions on Graphics,2012,31(4):65.

[12] Dobashi Y,et al.A Simple,Efficient Method for Realistic Animation of Clouds[C].In:SIGGRAPH,2000:19-28.

作者簡(jiǎn)介：

張軍(1978-)，男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫.

陳秀宏(1964-)，男，博士，教授.研究領(lǐng)域：模式識(shí)別與人工智能，數(shù)字圖像處理.

狄 嵐(1965-)，女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖形學(xué).

趙燕(1981-)，女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：動(dòng)畫設(shè)計(jì).

endprint

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫概念不同，最近Wu等人[11]提出一種視頻運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)技術(shù)，可對(duì)實(shí)際視頻“畫”出運(yùn)動(dòng)效果，是一種特殊的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)。人眼視覺(jué)系統(tǒng)具有時(shí)域和空域上的局限性，對(duì)目標(biāo)的細(xì)微運(yùn)動(dòng)情況感知能力非常有限。類似人臉正常靜脈血液周期性回流產(chǎn)生的膚色細(xì)微改變、腕部動(dòng)脈跳動(dòng)等現(xiàn)象，都無(wú)法直接被人眼所觀察到。Wu等人[11]提出了一種快速視頻運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)算法(Eulerian Video Magnification,EVM)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行后處理以對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行增強(qiáng)(Motion Magnification)的技術(shù)，幫助人眼觀察場(chǎng)景中的細(xì)微運(yùn)動(dòng)信息。

我們通過(guò)此案例拓展學(xué)生對(duì)動(dòng)畫技術(shù)的理解，打破其對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫內(nèi)涵僅涉及虛擬世界的偏見(jiàn)，并幫助學(xué)生建立對(duì)數(shù)學(xué)理論的信心。

圖5 EVM算法框架示意圖

Fig.5 The framework of EVM

EVM算法的目標(biāo)是揭示視頻中裸眼很難分辨的細(xì)微運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而起到視頻運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的作用。該算法采用標(biāo)準(zhǔn)視頻作為輸入，并在空域上分解每一幀圖像成Laplacian金字塔系數(shù)，然后通過(guò)時(shí)域上低通濾波得到視頻中運(yùn)動(dòng)信息。最后，EVM算法將時(shí)-空濾波得到的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行放大，疊加到原始視頻上(圖5)，從而使人眼能直接觀察到視頻中微小運(yùn)動(dòng)信息。

為盡量避免噪聲影響，充分提取視頻中低頻運(yùn)動(dòng)信息，EVM算法實(shí)際上是使用了兩個(gè)低階理想低通濾波的差值(2)作為濾波結(jié)果，這本質(zhì)上是一個(gè)理想帶通(Band-pass Filter)濾波器。

(2)

其中表示輸入視頻某像素位置隨時(shí)間變化的像素值，經(jīng)過(guò)時(shí)空濾波得到的視頻運(yùn)動(dòng)信息。EVM算法在原始視頻上疊加放大后的，達(dá)到運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的效果(為放大因子)：

(3)

5 案例四(Case IV)

對(duì)于某些無(wú)法采用靜態(tài)、剛體以及簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義的圖形對(duì)象(如火焰、煙霧、云、水等)，其建模以及動(dòng)畫操作通常難以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和粒子系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)這些特殊現(xiàn)象的動(dòng)畫效果。

計(jì)算流體力學(xué)和粒子系統(tǒng)涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論和程序并行計(jì)算理念，是本科階段學(xué)生最不容易接受的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)之一。我們選取Dobashi等人[12]對(duì)三維云實(shí)現(xiàn)的動(dòng)畫技術(shù)作為實(shí)際案例，詳細(xì)講解其中涉及的數(shù)學(xué)理論和編程思想。

Dobashi采用了簡(jiǎn)化的計(jì)算流體力學(xué)方程，并采用單元自動(dòng)控制將云的模擬空間劃分成三維網(wǎng)格，網(wǎng)格中的每個(gè)單元都有三個(gè)二元狀態(tài)(水氣hum、相變因子act和云cld)。如圖6所示，通過(guò)在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)應(yīng)用一組狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，可以模擬云的形態(tài)的演化，包括云的形成，消散以及隨風(fēng)飄動(dòng)。根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格單元是否有云，可以插值計(jì)算出模擬空間的密度分布，被后續(xù)云的光照和渲染過(guò)程使用。相對(duì)于其他模擬方法來(lái)說(shuō)，Dobashi的方法計(jì)算開(kāi)銷較小，卻能產(chǎn)生逼真的體積云的動(dòng)畫，這是選擇此方法的主要原因。

圖6 云粒子演化方式示意圖

Fig.6 The growth of cloud particles

6 結(jié)論(Conclusion)

將國(guó)際上最前沿的動(dòng)畫技術(shù)引入到計(jì)算機(jī)動(dòng)畫課程體系教學(xué)中，可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，拓展學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)的興趣，同時(shí)也促進(jìn)相關(guān)課程的教師通過(guò)備課提高自身專業(yè)素養(yǎng)，達(dá)到一舉多得的目標(biāo)。只有以科研促進(jìn)教學(xué)、教學(xué)帶動(dòng)科研的互動(dòng)模式，才能在日新月異的數(shù)字媒體技術(shù)領(lǐng)域里培養(yǎng)出滿足社會(huì)發(fā)展需要的專門人才。下一步，我們將依據(jù)課程教學(xué)的需要，探索更多前沿技術(shù)案例豐富教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步完善具有特色的應(yīng)用型計(jì)算動(dòng)畫課程的教學(xué)體系。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 徐增敏,等.學(xué)科前沿指引下的信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)教學(xué)研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2014(8):1-11.

[2] 王瑾.淺談動(dòng)畫設(shè)計(jì)教學(xué)中創(chuàng)意思維的培養(yǎng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2013(19):158.

[3] 周蘇.再談“計(jì)算機(jī)前沿技術(shù)講座”的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)教育,2008(3):80-82.

[4] 黃朝兵,等.圖像處理教學(xué)與科研共建模式研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2014(8):48-50.

[5] 宋青松,等.計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)實(shí)踐與研究[J].教育教學(xué)論壇,2013(47):228-229.

[6] 沈曉晶,等.應(yīng)用型院校數(shù)字圖像處理本科教學(xué)探索[J].計(jì)算機(jī)教育.2012(1):86-88.

[7] 袁修孝.以科研促進(jìn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].高教論壇,2008(5):12-20.

[8] Vaillant R,et al. Implicit skinning:real-time skin deformation with contact modeling [J].ACM Transactions on Graphics,2013,32(4):125.

[9] Stevens Rick.計(jì)算機(jī)動(dòng)畫算法與技術(shù)(第二版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[10] Rivers A R,James D L.FastLSM: fast lattice shape matching for robust real-time deformation [J]. ACM Transactions on Graphics,2007,26(3):82.

[11] Wu H,et al.Eulerian Video Magnification for Revealing Subtle Changes in the World[J].ACM Transactions on Graphics,2012,31(4):65.

[12] Dobashi Y,et al.A Simple,Efficient Method for Realistic Animation of Clouds[C].In:SIGGRAPH,2000:19-28.

作者簡(jiǎn)介：

張軍(1978-)，男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫.

陳秀宏(1964-)，男，博士，教授.研究領(lǐng)域：模式識(shí)別與人工智能，數(shù)字圖像處理.

狄 嵐(1965-)，女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖形學(xué).

趙燕(1981-)，女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：動(dòng)畫設(shè)計(jì).

endprint

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫概念不同，最近Wu等人[11]提出一種視頻運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)技術(shù)，可對(duì)實(shí)際視頻“畫”出運(yùn)動(dòng)效果，是一種特殊的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)。人眼視覺(jué)系統(tǒng)具有時(shí)域和空域上的局限性，對(duì)目標(biāo)的細(xì)微運(yùn)動(dòng)情況感知能力非常有限。類似人臉正常靜脈血液周期性回流產(chǎn)生的膚色細(xì)微改變、腕部動(dòng)脈跳動(dòng)等現(xiàn)象，都無(wú)法直接被人眼所觀察到。Wu等人[11]提出了一種快速視頻運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)算法(Eulerian Video Magnification,EVM)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行后處理以對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行增強(qiáng)(Motion Magnification)的技術(shù)，幫助人眼觀察場(chǎng)景中的細(xì)微運(yùn)動(dòng)信息。

我們通過(guò)此案例拓展學(xué)生對(duì)動(dòng)畫技術(shù)的理解，打破其對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫內(nèi)涵僅涉及虛擬世界的偏見(jiàn)，并幫助學(xué)生建立對(duì)數(shù)學(xué)理論的信心。

圖5 EVM算法框架示意圖

Fig.5 The framework of EVM

EVM算法的目標(biāo)是揭示視頻中裸眼很難分辨的細(xì)微運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而起到視頻運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的作用。該算法采用標(biāo)準(zhǔn)視頻作為輸入，并在空域上分解每一幀圖像成Laplacian金字塔系數(shù)，然后通過(guò)時(shí)域上低通濾波得到視頻中運(yùn)動(dòng)信息。最后，EVM算法將時(shí)-空濾波得到的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行放大，疊加到原始視頻上(圖5)，從而使人眼能直接觀察到視頻中微小運(yùn)動(dòng)信息。

為盡量避免噪聲影響，充分提取視頻中低頻運(yùn)動(dòng)信息，EVM算法實(shí)際上是使用了兩個(gè)低階理想低通濾波的差值(2)作為濾波結(jié)果，這本質(zhì)上是一個(gè)理想帶通(Band-pass Filter)濾波器。

(2)

其中表示輸入視頻某像素位置隨時(shí)間變化的像素值，經(jīng)過(guò)時(shí)空濾波得到的視頻運(yùn)動(dòng)信息。EVM算法在原始視頻上疊加放大后的，達(dá)到運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的效果(為放大因子)：

(3)

5 案例四(Case IV)

對(duì)于某些無(wú)法采用靜態(tài)、剛體以及簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義的圖形對(duì)象(如火焰、煙霧、云、水等)，其建模以及動(dòng)畫操作通常難以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和粒子系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)這些特殊現(xiàn)象的動(dòng)畫效果。

計(jì)算流體力學(xué)和粒子系統(tǒng)涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論和程序并行計(jì)算理念，是本科階段學(xué)生最不容易接受的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)之一。我們選取Dobashi等人[12]對(duì)三維云實(shí)現(xiàn)的動(dòng)畫技術(shù)作為實(shí)際案例，詳細(xì)講解其中涉及的數(shù)學(xué)理論和編程思想。

Dobashi采用了簡(jiǎn)化的計(jì)算流體力學(xué)方程，并采用單元自動(dòng)控制將云的模擬空間劃分成三維網(wǎng)格，網(wǎng)格中的每個(gè)單元都有三個(gè)二元狀態(tài)(水氣hum、相變因子act和云cld)。如圖6所示，通過(guò)在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)應(yīng)用一組狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，可以模擬云的形態(tài)的演化，包括云的形成，消散以及隨風(fēng)飄動(dòng)。根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格單元是否有云，可以插值計(jì)算出模擬空間的密度分布，被后續(xù)云的光照和渲染過(guò)程使用。相對(duì)于其他模擬方法來(lái)說(shuō)，Dobashi的方法計(jì)算開(kāi)銷較小，卻能產(chǎn)生逼真的體積云的動(dòng)畫，這是選擇此方法的主要原因。

圖6 云粒子演化方式示意圖

Fig.6 The growth of cloud particles

6 結(jié)論(Conclusion)

將國(guó)際上最前沿的動(dòng)畫技術(shù)引入到計(jì)算機(jī)動(dòng)畫課程體系教學(xué)中，可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，拓展學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)的興趣，同時(shí)也促進(jìn)相關(guān)課程的教師通過(guò)備課提高自身專業(yè)素養(yǎng)，達(dá)到一舉多得的目標(biāo)。只有以科研促進(jìn)教學(xué)、教學(xué)帶動(dòng)科研的互動(dòng)模式，才能在日新月異的數(shù)字媒體技術(shù)領(lǐng)域里培養(yǎng)出滿足社會(huì)發(fā)展需要的專門人才。下一步，我們將依據(jù)課程教學(xué)的需要，探索更多前沿技術(shù)案例豐富教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步完善具有特色的應(yīng)用型計(jì)算動(dòng)畫課程的教學(xué)體系。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 徐增敏,等.學(xué)科前沿指引下的信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)教學(xué)研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2014(8):1-11.

[2] 王瑾.淺談動(dòng)畫設(shè)計(jì)教學(xué)中創(chuàng)意思維的培養(yǎng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2013(19):158.

[3] 周蘇.再談“計(jì)算機(jī)前沿技術(shù)講座”的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)教育,2008(3):80-82.

[4] 黃朝兵,等.圖像處理教學(xué)與科研共建模式研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2014(8):48-50.

[5] 宋青松,等.計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)實(shí)踐與研究[J].教育教學(xué)論壇,2013(47):228-229.

[6] 沈曉晶,等.應(yīng)用型院校數(shù)字圖像處理本科教學(xué)探索[J].計(jì)算機(jī)教育.2012(1):86-88.

[7] 袁修孝.以科研促進(jìn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].高教論壇,2008(5):12-20.

[8] Vaillant R,et al. Implicit skinning:real-time skin deformation with contact modeling [J].ACM Transactions on Graphics,2013,32(4):125.

[9] Stevens Rick.計(jì)算機(jī)動(dòng)畫算法與技術(shù)(第二版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[10] Rivers A R,James D L.FastLSM: fast lattice shape matching for robust real-time deformation [J]. ACM Transactions on Graphics,2007,26(3):82.

[11] Wu H,et al.Eulerian Video Magnification for Revealing Subtle Changes in the World[J].ACM Transactions on Graphics,2012,31(4):65.

[12] Dobashi Y,et al.A Simple,Efficient Method for Realistic Animation of Clouds[C].In:SIGGRAPH,2000:19-28.

作者簡(jiǎn)介：

張軍(1978-)，男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫.

陳秀宏(1964-)，男，博士，教授.研究領(lǐng)域：模式識(shí)別與人工智能，數(shù)字圖像處理.

狄 嵐(1965-)，女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖形學(xué).

趙燕(1981-)，女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：動(dòng)畫設(shè)計(jì).

endprint