計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第九章計(jì)算機(jī)動(dòng)畫供《現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)》配套使用1提綱基本概念動(dòng)畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)捕捉物理模擬群體動(dòng)畫基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)畫21.1動(dòng)畫定義：通過(guò)連續(xù)播放一系列畫面，給人的視覺(jué)造成連續(xù)變化的效果涵蓋廣泛的領(lǐng)域，包括影視動(dòng)畫片、影視特技動(dòng)畫、廣告動(dòng)畫、游戲動(dòng)畫等顧名思義就是運(yùn)動(dòng)（活動(dòng)）的畫面（圖像）31.1動(dòng)畫分類二維動(dòng)畫：通過(guò)設(shè)計(jì)和繪制二維圖形或圖像而生成的動(dòng)畫三維動(dòng)畫：通過(guò)構(gòu)造三維模型并直接控制三維模型運(yùn)動(dòng)而生成的動(dòng)畫41.2原理視覺(jué)暫留原理在人的研究看到一幅畫或一個(gè)物體后，大約在0.05~0.1秒內(nèi)不會(huì)消失單位每幅畫稱為一幀每秒鐘的幀數(shù)表示動(dòng)畫播放速度“一拍三”是觀看動(dòng)畫的極限模式51.3傳統(tǒng)動(dòng)畫動(dòng)畫是運(yùn)動(dòng)中的藝術(shù)正如動(dòng)畫大師JohnHalas所講的，運(yùn)動(dòng)是動(dòng)畫的要素6TimeF3攝像機(jī)F1攝像機(jī)F2攝像機(jī)F4攝像機(jī)F5攝像機(jī)F1F2F3F4攝像機(jī)物體靜止，攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)靜止，物體運(yùn)動(dòng)1.3傳統(tǒng)動(dòng)畫逐幀手繪畫面創(chuàng)作靈活性大，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力采用分層技術(shù)制作(celanimation,1914)關(guān)鍵幀過(guò)渡、融合影像描摹(Rotoscoping,1915)描繪實(shí)拍影片的運(yùn)動(dòng)71.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫定義采用圖形與圖像的處理技術(shù)，借助于編程或動(dòng)畫制作軟件生成一系列的畫面通過(guò)連續(xù)播放靜止圖像的方法產(chǎn)生物體運(yùn)動(dòng)的效果81.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫動(dòng)畫形式物體位置、方向、大小和形狀的變化虛擬攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)物體表面紋理、色彩的變化91.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫歷史發(fā)展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之前（1940s~mid-1960s）1950s，JohnWhitney，通過(guò)模擬信號(hào)的電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行光線和物體控制，生成運(yùn)動(dòng)的畫面1957年，RussellKrisch等在數(shù)字計(jì)算機(jī)上掃描照片生成畫面101957年，SEAC掃描第一張數(shù)字圖像1.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫歷史發(fā)展早期2D（mid-1960s~mid-1970s）1964年，IvanSurtherlands發(fā)明SketchPad1968年，蘇聯(lián)人在BESM計(jì)算機(jī)上創(chuàng)作了第一個(gè)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫角色：行走的貓1973年，美國(guó)米高梅公司發(fā)行第一部采用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫處理的電影Westworld11BESMWestworld1.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫歷史發(fā)展中期3D（mid-1970s~1980s）1972年，影片F(xiàn)utureworld中使用了3D線框模型制作畫面，成為最早的3D計(jì)算機(jī)動(dòng)畫電影1975年，第二部使用3D線框動(dòng)畫短片Great獲奧斯卡獎(jiǎng)1977年，第三部使用類似動(dòng)畫技術(shù)的影片是星球大戰(zhàn)12FutureworldGreatStarWars1.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫歷史發(fā)展近期全3D（1990s~現(xiàn)在）1995年，Pixar公司玩具總動(dòng)員，是首部完全使用電腦動(dòng)畫技術(shù)的動(dòng)畫長(zhǎng)篇1998年，Pixar公司動(dòng)畫短片電影Geri’sGame獲奧斯卡最佳短片獎(jiǎng)13Toy’sstoryGeri’sgame1.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則14SquashandstretchAnticipationStagingStraight-aheadactionandpose-to-poseactionFollow-throughandoverlappingactionSlowinandslowoutArcsSecondaryactionTimingExaggerationSoliddrawingAppealDepthoffieldBalanceandweightJohnLasseter,“Principlesoftraditionalanimationappliedto3Dcomputeranimation”.ComputerGraphics,1987.1.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則Squashandstretch（擠壓和伸展）通過(guò)物體的形變來(lái)表現(xiàn)物體的剛度和質(zhì)量：保持體積最顯著的應(yīng)用是肌肉的變形蘊(yùn)含的物理原理：影響運(yùn)動(dòng)的因素包括質(zhì)量、外力、材料屬性、表面接觸的位置等151.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則Anticipation（預(yù)期性）動(dòng)畫中的動(dòng)作通常包括動(dòng)作的準(zhǔn)備、實(shí)際的動(dòng)作和動(dòng)作的完成三部分。第一部分就叫做預(yù)期性。161.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則Staging（布局）以一種容易理解的方式展示動(dòng)作或?qū)ο蠼巧膬x態(tài)及表演方式，配合適當(dāng)?shù)臄z影機(jī)運(yùn)動(dòng)，使得動(dòng)畫能夠有效地表達(dá)角色的特性及故事中的信息171.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則Straight-aheadactionandpose-to-poseaction（連貫動(dòng)作法與關(guān)鍵動(dòng)作法）連貫動(dòng)作法：根據(jù)連續(xù)的動(dòng)作依序制作每一幀畫面關(guān)鍵動(dòng)作法：是先定義關(guān)鍵的主要?jiǎng)幼?，而后再制作關(guān)鍵動(dòng)作間的畫面（關(guān)鍵幀方法）181.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則Follow-throughandoverlappingaction（跟隨動(dòng)作與重疊動(dòng)作）“動(dòng)者恒動(dòng)”：沒(méi)有任何一種物體會(huì)突然停止，物體的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)部分接著一個(gè)部分的19《冰川時(shí)代》《汽車總動(dòng)員》1.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則Slowinandslowout（慢入和慢出）動(dòng)作的加速和減速：自然界中物體的運(yùn)動(dòng)具有加速和減速的性質(zhì)動(dòng)作的慢入和慢出使得物體的運(yùn)動(dòng)更加符合自然規(guī)律，因此應(yīng)該應(yīng)用于絕大多數(shù)的動(dòng)作201.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則Arcs（弧形動(dòng)作）現(xiàn)實(shí)世界中，幾乎所有的運(yùn)動(dòng)都是沿著一條略帶圓弧的軌道移動(dòng)的，尤其是生物的運(yùn)動(dòng)。因此，在制作動(dòng)畫時(shí)，角色的運(yùn)動(dòng)軌跡就不應(yīng)是直線，而應(yīng)該是比較自然的曲線211.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則Secondaryaction（附屬運(yùn)動(dòng)）角色進(jìn)行主要?jiǎng)幼鲿r(shí)，附屬于角色的部分，例如觸須、尾巴等，會(huì)以附屬動(dòng)作來(lái)點(diǎn)綴主要?jiǎng)幼鞯男Ч麨閯?dòng)畫增添樂(lè)趣和真實(shí)性221.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則Timing（掌握時(shí)序）時(shí)間的調(diào)配和選擇是影響動(dòng)畫效果的最關(guān)鍵因素之一通過(guò)時(shí)序來(lái)表現(xiàn)物體的大小、重量和個(gè)性231.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則Exaggeration（夸張）用于強(qiáng)調(diào)某個(gè)動(dòng)作，使動(dòng)畫更加有趣241.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫傳統(tǒng)動(dòng)畫應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的基本原則Appeal（吸引力）任何觀眾愿意觀看的東西，以表現(xiàn)出角色的個(gè)性建立角色與觀眾的某種聯(lián)系，以獨(dú)特的造型或姿態(tài)來(lái)提高觀眾對(duì)角色的印象25提綱基本概念動(dòng)畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)捕捉物理模擬群體動(dòng)畫基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)畫262.1動(dòng)畫作品傳統(tǒng)和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作的作品都以連續(xù)變化的幀進(jìn)行內(nèi)容展示動(dòng)作制作內(nèi)容的四個(gè)層次作品（production）序列（sequence）鏡頭（shot）幀（frame）272.1動(dòng)畫作品制作流程故事展板（storyboard）角色造型（modelsheet）關(guān)鍵幀和過(guò)渡

（keyframes&in-betweening）鏡頭測(cè)試（testshots）上色（inking）聲音配樂(lè)特效配音28Demo2.2計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作關(guān)鍵幀和過(guò)渡動(dòng)畫師制作關(guān)鍵幀，由計(jì)算機(jī)編程生成中間過(guò)渡的幀鏡頭測(cè)試和上色通過(guò)計(jì)算機(jī)局部變形生成鏡頭內(nèi)容各種圖形學(xué)繪制進(jìn)行上色292.2計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作動(dòng)畫技術(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)指定若干時(shí)刻的姿態(tài)，自動(dòng)生成中間狀態(tài)過(guò)程建模通過(guò)改變?nèi)舾蓞?shù)，生成新的動(dòng)畫物理模擬賦予物體物理屬性（質(zhì)量、外力等）根據(jù)物理定律模擬運(yùn)動(dòng)狀態(tài)302.2計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作動(dòng)畫控制技術(shù)骨架驅(qū)動(dòng)：采用物體簡(jiǎn)化的低維模型作為骨架，驅(qū)動(dòng)原始物體的動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)前向動(dòng)力學(xué)反向動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉：利用傳感器記錄外界運(yùn)動(dòng)，作用到物體上生成相應(yīng)動(dòng)畫31提綱基本概念動(dòng)畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)捕捉物理模擬群體動(dòng)畫323.1概念關(guān)鍵幀動(dòng)畫序列中對(duì)象特定時(shí)刻形態(tài)的關(guān)鍵畫面例如動(dòng)作的起始和終止畫面通過(guò)關(guān)鍵幀之間的插值形成連貫動(dòng)畫序列源于早期WaltDisney卡通畫的制作33關(guān)鍵幀中間插值3.1概念關(guān)鍵幀技術(shù)在早期的動(dòng)畫制作室，高級(jí)動(dòng)畫師設(shè)計(jì)卡通片中的關(guān)鍵幀，然后由助理動(dòng)畫師設(shè)計(jì)中間幀關(guān)鍵幀技術(shù)最初僅僅用來(lái)插值幀與幀之間卡通畫的形狀，不久該技術(shù)發(fā)展成為可以用來(lái)插值影響運(yùn)動(dòng)的任何參數(shù)343.1概念關(guān)鍵幀插值在關(guān)鍵幀之間生成連續(xù)變化的中間畫面插值參數(shù)域顏色（溶解）形狀（形變）插值連續(xù)性線性插值樣條插值353.1概念線性插值給定一個(gè)物體在兩個(gè)關(guān)鍵幀上的頂點(diǎn)v1

和v2在

t時(shí)刻的頂點(diǎn)

vt

可以用如下公式計(jì)算36不真實(shí)大部分物體不是以直線運(yùn)動(dòng)的大部分運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間不是線性的位置連續(xù)，但是速度不連續(xù)！3.1概念線性插值收縮（Shrinkage）和扭結(jié)（Kink）現(xiàn)象373.1概念樣條插值用戶先設(shè)計(jì)好物體運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵位置點(diǎn)利用樣條曲線進(jìn)行擬合Hermite曲線Bezier曲線Catmull-Rom曲線B-splines,NURBS曲線383.2基于形變的插值方法3.2.1內(nèi)在形狀插值的多邊形漸變問(wèn)題：給定起始和終止圖像上的多邊形作為關(guān)鍵幀形狀，如何漸變的形狀變化思想：利用多邊形的內(nèi)在表示進(jìn)行插值來(lái)產(chǎn)生形變39烏龜幾何定義多邊形3.2基于形變的插值方法3.2.1內(nèi)在形狀插值的多邊形漸變?yōu)觚攷缀味x多邊形403.2基于形變的插值方法3.2.1內(nèi)在形狀插值的多邊形漸變?yōu)觚攷缀味x多邊形內(nèi)在形狀插值413.2基于形變的插值方法3.2.1內(nèi)在形狀插值的多邊形漸變結(jié)果42起始幀結(jié)束幀3.2基于形變的插值方法3.2.2形狀保持的圖像形變插值問(wèn)題：給定起始和終止圖像作為關(guān)鍵幀，如何在形變過(guò)程中盡可能保持形狀較少改變思想：利用平面形狀的剛性變換進(jìn)行形變剛性變換：保持度量（長(zhǎng)度+角度）不變的幾何變換433.2基于形變的插值方法3.2.2形狀保持的圖像形變插值方法：在剛性變換空間進(jìn)行局部矩陣插值關(guān)鍵幀圖像轉(zhuǎn)化為平面三角網(wǎng)格三角形之間的變換采用剛性變換插值443.2基于形變的插值方法3.2.2形狀保持的圖像形變插值方法：在剛性變換空間進(jìn)行局部矩陣插值通過(guò)變換矩陣的極分解計(jì)算剛性變換分量和尺度伸縮分量453.2基于形變的插值方法3.2.2形狀保持的圖像形變插值方法：在剛性變換空間進(jìn)行局部矩陣插值線性插值旋轉(zhuǎn)角度和尺度因子，生成中間變換矩陣46頂點(diǎn)線性插值剛性變換插值3.2基于形變的插值方法3.2.2形狀保持的圖像形變插值結(jié)果473.2基于形變的插值方法3.2.3形狀保持的三維網(wǎng)格形變插值問(wèn)題：三維網(wǎng)格發(fā)生形變時(shí)局部保持形狀盡可能小的扭曲，以及形變的連續(xù)性思想：采用As-rigid-as-possible（ARAP）能量函數(shù)，驅(qū)使三維網(wǎng)格發(fā)生形變時(shí)局部遵循剛性變換（旋轉(zhuǎn)）約束48ARAP能量函數(shù)形式3.2基于形變的插值方法3.2.3形狀保持的三維網(wǎng)格形變插值方法：SR(Smooth-rotationenhanced)-ARAP49極分解3.2基于形變的插值方法3.2.3形狀保持的三維網(wǎng)格形變插值結(jié)果（Demo）50提綱基本概念動(dòng)畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)捕捉物理模擬群體動(dòng)畫基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)畫514.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型人、動(dòng)物等角色具有明顯的關(guān)節(jié)特征，關(guān)節(jié)動(dòng)畫是實(shí)現(xiàn)這類角色動(dòng)畫不可缺少的部分。524.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型人、動(dòng)物等角色具有明顯的關(guān)節(jié)特征，關(guān)節(jié)動(dòng)畫是實(shí)現(xiàn)這類角色動(dòng)畫不可缺少的部分。534.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型把關(guān)節(jié)角色表示為一系列通過(guò)關(guān)節(jié)（joints）相連接的連桿（links）。54節(jié)點(diǎn)-物體部件4.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型自由度（DegreesofFreedom，DOF）完全指定一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)所需的最小坐標(biāo)數(shù)目55節(jié)點(diǎn)-物體部件4.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型單自由度關(guān)節(jié)允許在一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)2自由度關(guān)節(jié)3自由度關(guān)節(jié)n自由度關(guān)節(jié)56節(jié)點(diǎn)-物體部件4.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型人體模型的自由度根節(jié)點(diǎn)：3平移自由度+3旋轉(zhuǎn)自由度每個(gè)關(guān)節(jié)至多3個(gè)自由度肩關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)57節(jié)點(diǎn)-物體部件4.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型樹(shù)狀層次模型結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)：表示物體部件根節(jié)點(diǎn)：對(duì)應(yīng)于物體的根部，其位置在世界坐標(biāo)系中給出其它節(jié)點(diǎn)：相對(duì)于根節(jié)點(diǎn)來(lái)表示連接弧：表示層次結(jié)構(gòu)中應(yīng)用于物體部件之間的關(guān)節(jié)或變換58節(jié)點(diǎn)-物體部件4.1基本概念4.1.2運(yùn)動(dòng)模型正向運(yùn)動(dòng)學(xué)（Forwardkinematics）從關(guān)節(jié)空間映射到笛卡爾空間反向運(yùn)動(dòng)學(xué)（Inversekinematics）從笛卡爾空間映射到關(guān)節(jié)空間59節(jié)點(diǎn)-物體部件4.1基本概念4.1.2運(yùn)動(dòng)模型正向運(yùn)動(dòng)學(xué)（Forwardkinematics）從根節(jié)點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷重復(fù)以下步驟，直到所有節(jié)點(diǎn)和連接弧都被訪問(wèn)過(guò)對(duì)樹(shù)進(jìn)行回溯，直到遇到一個(gè)未被訪問(wèn)過(guò)的向下連接弧對(duì)向下連接弧進(jìn)行遍歷60節(jié)點(diǎn)-物體部件4.1基本概念4.1.2運(yùn)動(dòng)模型正向運(yùn)動(dòng)學(xué)（Forwardkinematics）示例61節(jié)點(diǎn)-物體部件4.1基本概念4.1.2運(yùn)動(dòng)模型反向運(yùn)動(dòng)學(xué)（Inversekinematics）給定初始姿態(tài)向量和目標(biāo)姿態(tài)向量，計(jì)算關(guān)節(jié)向量的值，使得物體滿足所需的姿勢(shì)62節(jié)點(diǎn)-物體部件4.2反向運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)畫4.2.1解析求解法已知X和Y、L1和L2，求解和63節(jié)點(diǎn)-物體部件4.2反向運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)畫4.2.1解析求解法已知X和Y、L1和L2，求解和64節(jié)點(diǎn)-物體部件4.2反向運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)畫4.2.2數(shù)值求解法一般情況下復(fù)雜關(guān)節(jié)的IK是求解困難的要求自然的運(yùn)動(dòng)控制關(guān)節(jié)限制最小的抖動(dòng)(minimumjerk)運(yùn)動(dòng)方式奇異問(wèn)題(Singularities)病態(tài)方程(ill-conditioned)奇異方程Singular65節(jié)點(diǎn)-物體部件4.2反向運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)畫4.2.2數(shù)值求解法給定初始姿勢(shì)和所需要的姿勢(shì)，迭代變化關(guān)節(jié)角，使得末端影響器朝目標(biāo)位置和方向前進(jìn)66節(jié)點(diǎn)-物體部件4.3骨架驅(qū)動(dòng)皮膚動(dòng)畫4.3.1骨架綁定角色的表面（外皮）必須隨著骨架的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)（變形），稱為Rigging67節(jié)點(diǎn)-物體部件4.3骨架驅(qū)動(dòng)皮膚動(dòng)畫4.3.1骨架綁定皮膚的運(yùn)動(dòng)定義為對(duì)應(yīng)控制骨架的函數(shù)采用一個(gè)稱為中性姿勢(shì)或靜止姿勢(shì)（Restpose）的幾何信息68節(jié)點(diǎn)-物體部件4.3骨架驅(qū)動(dòng)皮膚動(dòng)畫4.3.2頂點(diǎn)混合（Vertexblending）重疊部分采用加權(quán)變換，按給定權(quán)重影響變形69節(jié)點(diǎn)-物體部件4.3骨架驅(qū)動(dòng)皮膚動(dòng)畫4.3.2頂點(diǎn)混合（Vertexblending）重疊部分采用加權(quán)變換，按給定權(quán)重影響變形70節(jié)點(diǎn)-物體部件4.3骨架驅(qū)動(dòng)皮膚動(dòng)畫4.3.2頂點(diǎn)混合（Vertexblending）結(jié)果71節(jié)點(diǎn)-物體部件Demo提綱基本概念動(dòng)畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)捕捉物理模擬群體動(dòng)畫基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)畫725.1概念運(yùn)動(dòng)捕捉（motioncapture）通過(guò)軟/硬件方式記錄、分析并處理人或其他物體動(dòng)作的技術(shù)也稱動(dòng)態(tài)捕捉、運(yùn)動(dòng)跟蹤等735.1概念運(yùn)動(dòng)捕捉（motioncapture）廣泛應(yīng)用于軍事、娛樂(lè)、體育、醫(yī)療、視覺(jué)等745.2方法運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)主動(dòng)式：系統(tǒng)本身發(fā)射信號(hào)用于探測(cè)動(dòng)作，需要依附在肢體上的標(biāo)記進(jìn)行記錄電子機(jī)械式（Electromechanical）光纖（Opticalfiber）閃光標(biāo)記（StrobingLED）被動(dòng)式：系統(tǒng)本身不發(fā)射信號(hào)，無(wú)需標(biāo)記光學(xué)式（Optical）755.2方法5.2.1主動(dòng)式運(yùn)動(dòng)捕捉電子機(jī)械式通過(guò)機(jī)械裝置將傳感器附著在肢體上主要關(guān)節(jié)點(diǎn)處，形成連接在一起的測(cè)量結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)實(shí)時(shí)捕捉?jīng)]有遮擋可捕捉的動(dòng)作范圍大缺點(diǎn)可支持的動(dòng)作類型有限采樣率相對(duì)較低

765.2方法5.2.1主動(dòng)式運(yùn)動(dòng)捕捉電子機(jī)械式案例：侏羅紀(jì)公園恐龍行走、奔跑等動(dòng)作通過(guò)捕捉人的運(yùn)動(dòng)獲取計(jì)算機(jī)建模的恐龍模型按照捕捉的動(dòng)作產(chǎn)生動(dòng)畫序列畫面775.2方法5.2.1主動(dòng)式運(yùn)動(dòng)捕捉光纖式在數(shù)據(jù)手套中沿手指等布置光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有遮擋實(shí)時(shí)捕捉可捕捉小范圍的彎曲等運(yùn)動(dòng)缺點(diǎn)根據(jù)個(gè)體進(jìn)行調(diào)整捕捉精度較低只適用于手的動(dòng)作785.2方法5.2.1主動(dòng)式運(yùn)動(dòng)捕捉閃光標(biāo)記通過(guò)在較暗光照下拍攝附著在肢體上的閃光點(diǎn)跟蹤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)優(yōu)點(diǎn)捕捉速度快捕捉精度高缺點(diǎn)只能在室內(nèi)有限光亮環(huán)境使用存在肢體遮擋捕捉動(dòng)作的精度受相機(jī)位置影響795.2方法5.2.2被動(dòng)式運(yùn)動(dòng)捕捉光學(xué)圖像式（Demo）通過(guò)拍攝視頻重建三維動(dòng)作序列優(yōu)點(diǎn)捕捉速度快設(shè)備簡(jiǎn)單缺點(diǎn)受光照等影響存在肢體遮擋捕捉動(dòng)作的精度80提綱基本概念動(dòng)畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)捕捉物理模擬群體動(dòng)畫基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)畫815.1概念定義通過(guò)動(dòng)畫產(chǎn)生的物理過(guò)程的模擬，生成連續(xù)變化的動(dòng)畫序列，使其滿足物理規(guī)律從物理學(xué)角度研究計(jì)算機(jī)動(dòng)畫中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律826.2粒子系統(tǒng)自由曲面或網(wǎng)格無(wú)法有效表示不規(guī)則或隨機(jī)變化的形體（云、霧、流體等）粒子系統(tǒng)1983年，盧卡斯電影公司Reeves提出采用粒子作為基本單位，通過(guò)其集合體表達(dá)一定形狀的形體粒子：點(diǎn)、球、橢球、立方體、圓等形狀836.2粒子系統(tǒng)基本原理假設(shè)粒子一般與其它粒子不碰撞除非處于聚集狀態(tài)，粒子不向其它粒子投射陰影粒子只向其它環(huán)境投射陰影粒子不反射光粒子通常有有限的生命周期846.2粒子系統(tǒng)基本原理粒子生命周期新生態(tài)：剛創(chuàng)建的粒子所處的狀態(tài)（初始化）成長(zhǎng)態(tài)：在生命值內(nèi)的粒子屬性的變化狀態(tài)死亡態(tài)：存在時(shí)間超過(guò)生命值后的狀態(tài)85創(chuàng)建新粒子初始化粒子屬性改變粒子屬性新生態(tài)成長(zhǎng)態(tài)死亡態(tài)6.2粒子系統(tǒng)新生態(tài)對(duì)于某一瞬間的畫面，新的粒子會(huì)根據(jù)一個(gè)控制的隨機(jī)過(guò)程加入系統(tǒng)86平均粒子數(shù)方差隨機(jī)函數(shù)6.2粒子系統(tǒng)成長(zhǎng)態(tài)每個(gè)粒子根據(jù)其初始狀態(tài)和隨機(jī)過(guò)程，通過(guò)屬性的變化產(chǎn)生新的狀態(tài)，以此得到一幀新的畫面87(a)粒子光源(b)紋理廣告牌6.2粒子系統(tǒng)死亡態(tài)系統(tǒng)會(huì)刪除那些已經(jīng)超出其生命周期的粒子生命周期結(jié)束淡出移走886.2粒子系統(tǒng)結(jié)果（Demo）89提綱基本概念動(dòng)畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)捕捉物理模擬群體動(dòng)畫基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)畫907.1概念在生物界，許多動(dòng)物如鳥(niǎo)、魚等以某種群體的方式運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)既有隨機(jī)性，又有一定的規(guī)律性群體動(dòng)畫Reynolds提出的群體動(dòng)畫包含兩個(gè)對(duì)立的因素，即既要相互靠近又要避免碰撞。他用三條按優(yōu)先級(jí)遞減的原則來(lái)控制群體的行為：碰撞避免原則，即避免與相鄰的群體成員相碰；速度匹配原則,即盡量匹配相鄰群體成員的速度；群體合群原則,即群體成員盡量靠近。917.1概念群組在同一物理環(huán)境下?lián)碛邢嗤康牡囊蝗簜€(gè)體，他們的行為有別于作為單獨(dú)個(gè)體時(shí)的行為層次群：crowdbehaviors組：groupbehaviors個(gè)體：individualbehavior927.1概念動(dòng)畫效果得到大場(chǎng)面的視覺(jué)震撼效果動(dòng)漫設(shè)計(jì)和影視特技中，不可避免地會(huì)遇到大規(guī)模群體動(dòng)作場(chǎng)面的制作問(wèn)題兩軍對(duì)壘中的數(shù)十萬(wàn)大軍沖鋒的效果、獸群、鳥(niǎo)群等，請(qǐng)群眾演員成本高、指揮調(diào)度難、拍攝困難等。減少動(dòng)畫師的工作量，節(jié)約成本93花木蘭貞觀之治7.2Flock-and-Boid模型傳統(tǒng)例子系統(tǒng)基本形狀簡(jiǎn)單：點(diǎn)、球、橢球、立方體、圓…

行為簡(jiǎn)單：物理運(yùn)動(dòng)Flock-and-Boid模型Flock：具有整體對(duì)齊、非碰撞、聚集運(yùn)動(dòng)的一組物體Boid：模擬類似于鳥(niǎo)、魚等的物體94FlockBoid7.2Flock-and-Boid模型Boid每一個(gè)Boid個(gè)體應(yīng)該具有鳥(niǎo)的大致形狀個(gè)體在飛行時(shí)沿著一條路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)、增量和剛性運(yùn)動(dòng)95(a)避免碰撞(b)速度匹配(c)群體合群7.2Flock-and-Boid模型Flock合群原則Boid局部感知的群體中心是相鄰個(gè)體子集的中心越靠近群體邊緣的Boid個(gè)體，受局部感知的影響越大群體允許分裂和合并967.3社會(huì)力模型人群聚集的群體行為環(huán)境的物理約束社會(huì)心理學(xué)影響恐慌狀態(tài)下的“羊群效應(yīng)”977.3社會(huì)力模型2000年《Nature》社會(huì)力模型基于牛頓力學(xué)來(lái)描述受社會(huì)心理學(xué)影響的個(gè)體之間的相互作用主觀心理Fi其他個(gè)體Gi環(huán)境Hi987.3社會(huì)力模型2000年《Nature》社會(huì)力模型主觀心理Fi（自身驅(qū)動(dòng)力）99行人i的實(shí)際速度時(shí)間間隔行人質(zhì)量期望運(yùn)動(dòng)速度期望運(yùn)動(dòng)方向7.3社會(huì)力模型2000年《Nature》社會(huì)力模型其他個(gè)體Gi1007.3社會(huì)力模型2000年《Nature》社會(huì)力模型環(huán)境Hi101Demo提綱基本概念動(dòng)畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)捕捉物理模擬群體動(dòng)畫基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)畫1028.1動(dòng)畫制作中的深度學(xué)習(xí)動(dòng)畫：從輸入對(duì)象模型到輸出動(dòng)畫序列的一種映