張金富

中圖分類號：TP

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-0992(2009)03-0124-01

摘要：計(jì)算機(jī)動畫是一門集聲學(xué)科知識的應(yīng)用學(xué)科。近幾年來由于計(jì)算機(jī)動畫在眾多領(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)動畫研究的實(shí)質(zhì)，從研究內(nèi)容出發(fā)對計(jì)算機(jī)動畫作出劃分，并討論了研究中所存在的問題及應(yīng)用的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)動畫發(fā)展發(fā)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(fù)中的知識表示方法，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)動畫等開始逐步由理論走向應(yīng)用。本文就計(jì)算機(jī)動畫研究的實(shí)質(zhì)及內(nèi)容做一些初步的討論，并對計(jì)算機(jī)動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)動畫

計(jì)算機(jī)動畫最初的產(chǎn)生及發(fā)展與傳統(tǒng)動畫制作有著密切的聯(lián)系。什么是計(jì)算機(jī)動畫?這一問題卻始終沒有一個確切的含義，Thalmann就計(jì)算機(jī)在動畫樹作過程中所起的作用，指出計(jì)算機(jī)動畫(Computer Animation)這一詞的不明確性甚至產(chǎn)生一種錯誤的導(dǎo)向。事實(shí)上，而僅以用計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)動畫研究的范疇。固為目前的研究已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們對傳統(tǒng)動畫制作的改革，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)域知識來研究客觀存在的或是高度抽象的“物體”的運(yùn)動表現(xiàn)方法，其應(yīng)用范圍也不僅僅局限于動畫片的制作過程，不同應(yīng)用領(lǐng)域的專家從當(dāng)前計(jì)算機(jī)動畫的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域中，提出應(yīng)該將“動畫”從過去的單一概念擴(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，從更為廣泛方面來理解，即：計(jì)算機(jī)動畫是圖形方式對具有約束條件的動態(tài)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(xué)知識、運(yùn)動學(xué)知識等)，也可以是幾何的(如路徑描述、給定的關(guān)鍵幀等)，同時還可以是時間上的約束：同樣，動態(tài)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(jì)算機(jī)動畫的研究內(nèi)容

雖然在目前的計(jì)算機(jī)動畫軟件中，包括幾何造型、真實(shí)感圖形生成(渲染)和運(yùn)動設(shè)計(jì)三個基本方面，從目前國外對計(jì)算機(jī)動畫的研究來看，計(jì)算機(jī)動畫的研究的具體內(nèi)容可分為以下方面：

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

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

三、計(jì)算機(jī)動畫的研究方法

下面根據(jù)運(yùn)動控制方法的不同進(jìn)行分類：

(1)基于傳統(tǒng)動畫思想的運(yùn)動控制研究

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

(2)連接物體的運(yùn)動控制研究

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

(3)非剛體的運(yùn)動控制研究

非剛體的運(yùn)動控制研究，目前著重于非剛體在運(yùn)動過程或受外力作用的情況下，發(fā)生的幾何變形過程，主要以幾何形狀體現(xiàn)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?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)動控制研究

自然景物的運(yùn)動，如飄浮的云層、撞擊海岸的海水、生長的植物等，都是很復(fù)雜的運(yùn)動過程，它們很難用傳統(tǒng)的幾何方法和物理知識加以描述，采用粒子系統(tǒng)方法以及隨機(jī)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(yùn)動表現(xiàn)研究

有許多可運(yùn)用過程或數(shù)學(xué)方法來加以描述，并通過數(shù)值計(jì)算求解，最后動畫的形式表現(xiàn)出來。這類問題的研究與“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。但從近年來的研究趨勢來看，有著走向統(tǒng)一的傾向，固為要完整而真實(shí)地表現(xiàn)研究對象的動態(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)來加以綜合的研究。

(6)以Agent為主體的動態(tài)行為研究

近年來隨著Agent系統(tǒng)理論的發(fā)展。人們發(fā)現(xiàn)基于Agent的智能動畫系統(tǒng)更具有挑戰(zhàn)性，特別是對臺作的、分布的多Agent動畫系統(tǒng)成為計(jì)算機(jī)動畫的發(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，并能對環(huán)境作出反映如果說模擬人是單Agent目標(biāo)，那么多Agent系統(tǒng)則是以模擬凡類社會作為其最終標(biāo)。一些以Agent為主體的動畫研究，初步向人們展現(xiàn)了其優(yōu)越性-如Justine Cassell等對多Agent的會話動畫系統(tǒng)的研究。

結(jié)束語：

從廣義的概念來看，智能運(yùn)動主體應(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)動畫已經(jīng)到達(dá)完美階段的錯覺，從此及以上可以看出，三維動畫的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了一個很高的水平。