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关节动画技术的研究与实现

关节动画技术的研究与实现

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作者：叶杨武汉工程大学

学位级别：硕士

关节动画技术是计算机动画技术的一个重要分支,也是三维动画中的骨骼动画的重要基础。关节动画重点表现具有鲜明的关节链结构的物体的动作,这样的物体包括机械手臂﹑起重机﹑昆虫以及人体等等。如何简化关节链结构,并控制关节链结构运... 详细信息

关节动画技术是计算机动画技术的一个重要分支,也是三维动画中的骨骼动画的重要基础。关节动画重点表现具有鲜明的关节链结构的物体的动作,这样的物体包括机械手臂﹑起重机﹑昆虫以及人体等等。如何简化关节链结构,并控制关节链结构运动是关节动画研究的重要内容。作为计算机动画技术的重要组成部分,关节动画技术正得到不断发展并已能模拟出刚体或者人体的运动。但是如何能控制刚体关节链或人体骨架自然、准确并实时的运动,还需要做更深入的研究。本文对关节动画技术分两部分进行研究。首先对关节动画技术中的关节链结构进行分析,利用关节链结构中的分层结构思想,提出两种关节链分层方法:第一种方法是运用化整为零的思想,将层次链接结构按关节结构划分成若干子层次关节链,运用DH方法对每个子层次链结构进行计算,得出每个关节点和链杆的状态;第二种方法是利用关节点之间的关联性,设计一个关节包结构来简化层次链接结构。在用上述方法对关节链结构进行分析和优化之后,再对其运动控制技术进行研究。文中在求解每个链杆的状态时,采用了牛顿迭代的改进算法。人体模型具有十分典型的关节链结构,但是其结构比一般物体要复杂得多。与上述对关节动画技术的研究过程相似,本文首先对人体关节链结构即骨架进行研究,提出一种基于人体解剖学的方法来提取人体骨架。在众多的人体控制技术基础上,提出一种基于逆向运动学的周期性运动算法。这种算法在模拟人体有规律的运动,例如行走,跑步等时,可以实时有效地驱动人体动画。传统三维动画的制作流程比较复杂,并且要求制作者有丰富的动画制作经验。本文在改进关节动画技术的同时,也改进了传统动画制作系统,设计了一个基于API接口的OpenGL的关节动画模块。使用此模块时,操作者只需要输入关节模型数据和动画数据就能生成关节动画。为了便于进行算法分析,本文用该模块测试了文中提出的关节链分层模型,逆向学周期性运动等算法,得出了可视化的试验结果。

关键词：关节动画关节链分层逆向运动学人体动画 OpenGL

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