動(dòng)畫(huà)模型的編輯算法及應(yīng)用

前言

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)是通過(guò)連續(xù)播放一系列的畫(huà)面，在視覺(jué)上造成一種圖像連續(xù)變化的感覺(jué)，并實(shí)現(xiàn)賦予場(chǎng)景中的景物具有“生命”動(dòng)感的效果。眾所周知，傳統(tǒng)的動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程充滿了大量繁瑣而枯燥的中間幀繪畫(huà)勞動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的發(fā)展，特別是圖形處理系統(tǒng)性能的快速提高，借用計(jì)算機(jī)來(lái)減輕繪畫(huà)師的繁重勞動(dòng)已成為現(xiàn)實(shí)。在計(jì)算機(jī)中要進(jìn)行動(dòng)畫(huà)制作的自動(dòng)化生產(chǎn)，必須要解決兩個(gè)基本問(wèn)題：一是如何構(gòu)造故事情節(jié)中的角色和環(huán)境，二是如何產(chǎn)生符合自然或設(shè)計(jì)要求的動(dòng)作序列。面對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的解決，無(wú)論是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的硬件或是軟件算法都需要進(jìn)一步的研究與提高。首先，對(duì)于動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)中的造型問(wèn)題，它涉及模型的表示和模型的編輯。自然界中的萬(wàn)事萬(wàn)物、各形物體或場(chǎng)景，就目前而言，不存在統(tǒng)一的表示方法。在已有的各種數(shù)字化方法中，其表示法都是與具體的某類(lèi)物體相關(guān)聯(lián)。我們知道，物體的造型不是一次成功的，而是需要多次反復(fù)進(jìn)行變形修改或編輯的。對(duì)三維物體而言，這種編輯尤其困難。事實(shí)上，對(duì)三維數(shù)字物體（角色）的編輯是模擬一個(gè)物體在自然界中的各種受力變形的過(guò)程、或是運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)形狀、或是想象中的形態(tài)外貌等。這種模擬是基于物理或自然的，因此具有多學(xué)科理論與知識(shí)的綜合。本書(shū)首先對(duì)經(jīng)典的曲線曲面模型表示方法進(jìn)行介紹，重點(diǎn)討論了參數(shù)樣條、Bezier曲線曲面、NIJRBS曲線曲面表示的編輯技術(shù)和物體的約束變形技術(shù)，然后，研究了具有模擬自然特性的三維物體掃描模型（Mesh）的微分網(wǎng)格處理技術(shù)。

內(nèi)容概要

　　計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)模型是動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程中所使用的場(chǎng)景或角色物體的數(shù)字表示，動(dòng)畫(huà)模型的編輯是對(duì)模型按照某種需要進(jìn)行的形狀修改操作，其編輯技術(shù)與模型的表示有著緊密而內(nèi)在的聯(lián)系?！秳?dòng)畫(huà)模型的編輯算法及應(yīng)用》針對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)的造型子系統(tǒng)的典型編輯算法進(jìn)行了論述，并對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)的模型編輯新技術(shù)進(jìn)行了分析與研究。內(nèi)容主要包括參數(shù)樣條及編輯技術(shù)、Bezier曲線曲面編輯技術(shù)、NURBS曲線曲面編輯技術(shù)、保剛性的形狀插值技術(shù)、空間變形技術(shù)、Poisson網(wǎng)格編輯技術(shù)和Laplacian曲面編輯技術(shù)。題材新穎，接觸前沿，面向應(yīng)用。
　　《動(dòng)畫(huà)模型的編輯算法及應(yīng)用》可作為計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字幾何處理、工業(yè)產(chǎn)品造型等專業(yè)的研究生教材，也可作為相關(guān)領(lǐng)域高年級(jí)大學(xué)生和科研人員的參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論
1.1 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)及發(fā)展簡(jiǎn)史
1.2 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的研究?jī)?nèi)容
1.3 三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)
1.4 動(dòng)畫(huà)模型的數(shù)字幾何處理
1.5 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)模型簡(jiǎn)介
1.5.1 參數(shù)樣條模型
1.5.2 體素構(gòu)造表示法
1.5 3 多邊形網(wǎng)格模型
1.5.4 細(xì)分網(wǎng)格模型
1.5.5 粒子系統(tǒng).
1.5.6 點(diǎn)模型
1.6 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)模型編輯技術(shù)
1.7 小結(jié)
第2章 參數(shù)樣條及編輯技術(shù)
2.1 參數(shù)樣條表示的特性
2.1.1 參數(shù)表示的幾何不變性
2.1 2 連續(xù)性條件
2.1 3 多項(xiàng)式參數(shù)樣條描述
2.2 Hermite插值樣條的局部控制
2.2.1 Hermite插值樣條
2.2.2 cardinal切矢編輯
2.2.3 Kochanek.Bartels切矢編輯
2.3小結(jié)
第3章 B6zier曲線曲面編輯技術(shù)
3.1 B6zier曲線及編輯特性
3.1.1 B6zier曲線的幾何表示
3.1.2 B6zier曲線的幾何性質(zhì)
3.1.3 B6zier曲線的編輯特性
3.2 B6zier曲面及編輯特性
3.2.1 B6zier曲面的表示
3.2.2 B6zier曲面的編輯特性
3.2.3 B6zier曲面的拼接
3.3 小結(jié)
第4章 UFIBS曲線曲面編輯技術(shù)
4.1 B樣條曲線及編輯特性
4.1.1 B樣條基函數(shù)
4.1.2 B樣條曲線的編輯特性
4.1.3 均勻B樣條曲線
4.1.4 三次均勻B樣條曲線的插值算法
4.2 B樣條曲面及其插值
4.3 有理B樣條曲線曲面及編輯特性
4.3.1 有理B樣條曲線
4.3.2 有理B樣條權(quán)因子對(duì)形狀的影響
4.3.3 有理三次均勻B樣條曲線的形狀控制
4.3.4 有理B樣條曲面
4.4 基于de Boor-Cox遞推公式的BC樣條方法
4.4.1 均勻BC樣條基函數(shù)的定義及性質(zhì)
4.4.2 均勻BC樣條基函數(shù)的連續(xù)可微性
4.4.3 均勻BC樣條基函數(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)例
4.4.4 均勻BC樣條曲線的定義及性質(zhì)
4.4.5 均勻BC樣條曲線設(shè)計(jì)
4.4.6 均勻BC樣條曲面
4.5 小結(jié)
第5章 保剛性的形狀插值技術(shù)
5.1 插值技術(shù)概述
5.1.1 2D形狀插值技術(shù)
5.1.2 三維物體的插值技術(shù)
5.2 空間四元素的球面插值
5.2.1 物體的朝向表示與插值技術(shù)
5.2.2 四元素的定義及性質(zhì)
5.2.3 四元素的矩陣轉(zhuǎn)換-
5.2.4 單位四元數(shù)的球面線性插值
5.3 具有邊界約束的內(nèi)在量插值算法
5.3.1 內(nèi)在量表示的形狀插值
5.3.2 邊界約束的插值算法
5.3.3 邊界約束的相似變換
5.4 基于坐標(biāo)優(yōu)化的插值算法
5.4.1 坐標(biāo)優(yōu)化方程
5.4.2 非線性局部插值器
5.4.3 坐標(biāo)優(yōu)化的算法特性
5.4.4 空間曲線形狀漸變
5.4.5 三維模型拼接算法
5.5 非線性保剛性的形狀插值
5.5.1 保剛性的三角形漸變算法
5.5.2 三角剖分的頂點(diǎn)路徑
5.5.3 2D形狀的同構(gòu)剖分
5.6 基于物理的三角形動(dòng)畫(huà)漸變算法
5.6.1 物理模型插值算法
5.6.2 物理模型的動(dòng)畫(huà)特性
5.7 小結(jié)
第6章 空間變形技術(shù)
6.1 整體和局部變形方法
6.1.1 模型變形及法向量的計(jì)算
6.1.2 變形設(shè)計(jì)
6.1.3 局部變形方法
6.2 自由變形（FFD）技術(shù)
6.2.1 自由變形方法FFD
6.2.2 直接操縱的FFD變形方法
6.3 基于弧長(zhǎng)的軸變形方法
6.3.1 旋轉(zhuǎn)最小標(biāo)架
6.3.2 參數(shù)曲線離散及查找表
6.3.3 基于弧長(zhǎng)的軸變形方法
6.4 Scodef變形方法
6.4.1 Scodef變形模型
6.4.2 Scodef變形模型的性質(zhì)
6.4.3 Scodef的進(jìn)一步擴(kuò)展
6.5 保剛性的變形操作
6.5.1 操作概述
6.5.2 保剛性的變形算法概述
6.5.3 變形尺度函數(shù)的構(gòu)造
6.5.4 三角形尺度調(diào)整
6.5.5 重構(gòu)擬合三角形
6.5.6 算法步驟
6.5.7 算法應(yīng)用
6.6 小結(jié)
第7章 Poisson網(wǎng)絡(luò)編輯技術(shù)
第8章 Laplacian曲線編輯技術(shù)

章節(jié)摘錄

插圖：場(chǎng)景中對(duì)象的幾何數(shù)據(jù)可簡(jiǎn)單地組成三張表：頂點(diǎn)表、邊表和面表。對(duì)象的頂點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)在頂點(diǎn)表中，邊表包含指向頂點(diǎn)表的指針并用以確定每一多邊形的邊的端點(diǎn)，面表包含指向邊表的指針并用以確定每個(gè)多邊形的面的邊。另一種表示則是只用兩張表，即頂點(diǎn)表和面表。在這種表示法中，頂點(diǎn)表按頂點(diǎn)編號(hào)存儲(chǔ)頂點(diǎn)坐標(biāo)位置，而面表按順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较虼鎯?chǔ)構(gòu)成該面的頂點(diǎn)索引。有關(guān)模型的其他屬性可以通過(guò)算法進(jìn)行計(jì)算，例如法向量、光照等。多邊形網(wǎng)格模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）多邊形形狀簡(jiǎn)單，便于計(jì)算和處理。（2）多邊形網(wǎng)格可以以任意精度逼近任一曲面物體，并可以表示拓?fù)浞浅?fù)雜的物體；（3）只需存儲(chǔ)各多邊形頂點(diǎn)的位置坐標(biāo)及屬性即可表示物體的幾何信息，在計(jì)算多邊形內(nèi)任一可見(jiàn)點(diǎn)的光亮度時(shí)，所需的信息可由頂點(diǎn)的信息插值得到，這使得對(duì)多邊形網(wǎng)格的繪制可采用硬件加速技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。多邊形網(wǎng)格模型可以由各種商用動(dòng)畫(huà)軟件，如Alias Wave front Softimage Maya和3D MAX生成，或者通過(guò)三維激光掃描儀在物體表面測(cè)得一系列離散點(diǎn)后由表面重構(gòu)算法生成，或者由參數(shù)樣條曲面模型離散得到。目前，多邊形網(wǎng)格中應(yīng)用最廣的是三角網(wǎng)格模型（Mesh）。對(duì)三角網(wǎng)格模型已有一些成功的網(wǎng)格參數(shù)化和較豐富的網(wǎng)格編輯處理算法，這些均形成了它的廣泛應(yīng)用，特別是在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)中，該模型的表達(dá)占據(jù)了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，它是繼聲音、圖像和視頻之后的第四種媒體數(shù)據(jù)，也稱為數(shù)字幾何模型。在后面的章節(jié)中有嚴(yán)格的定義和應(yīng)用。

編輯推薦

《動(dòng)畫(huà)模型的編輯算法及應(yīng)用》是由西南交通大學(xué)出版社出版的。

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