【硕士论文】实时角色动画的研究与实现.pdf

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要计算机角色动画在游戏、电影、虚拟现实等诸多领域中广泛应用。随着计算机3D硬件处理能力不断增强，角色动画可以采用硬件加速方法实现，这样使图形显示速度和质量显著提高。本文对实时角色动画做了深入研究，给出了骨骼蒙皮动画和表情动画在可编程图形硬件上的实现。骨骼蒙皮动画在当今3D游戏如CS、魔兽、DOOM3，QUAKE4等中普遍应用，在有些游戏中，骨骼蒙皮动画是不支持硬件加速，如ID公司发布的DOOM3，QUAKE4。支持骨骼蒙皮硬件加速的游戏或游戏引擎只能对特定模型进行加速，当骨骼关节数量超过一定数量时候，硬件加速失效。本论文研究了基于CPU的骨骼蒙皮动

2、画的算法，找出了存在的缺陷，即在确定插值时刻顶点位置时，使用顶点混合技术来计算顶点在插值时刻的位置需要大量的矩阵运算，这就极大占用了CPU的运行时间，降低了骨骼蒙皮动画的实时性。为此，研究了硬件加速算法并给出了实现，渲染速度得到提高。但可以加速的模型受到限制。由于关节的世界矩阵需要存放在GPU常数寄存器上，GPU常数寄存器数量是固定的，当关节数量过多，硬件加速不能正常运行。本论文提出了新的算法，利用单位旋转四元数和偏移向量代替变换矩阵，四元数和向量均占用1个向量常数寄存器，而矩阵需要4个常数寄存器，这样，在同等数量的寄存器上可以存放四元数和向量的个数是矩阵的2倍。这样，解决了一

3、部分模型不能硬件加速的问题。为使模型在引擎中的效果更加真实，所做的角色动画引擎还将凹凸映射和阴影技术应用到角色动画上，并加以实现。与语音匹配的表情动画是渐变技术、网格混合技术、语音技术结合产生的技术。表情动画在当今游戏中使用较少，主要是因为计算量大，耗费内存。为使表情动画运行流畅，这里采用了硬件加速方法，将CPU计算转移到GPU上去，从而提高了运行速度。关键词：骨骼蒙皮动画，表情动画，GPU，四元数，OpenGLI南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1研究背景及意义计算机动画技术是指使用计算机技术来自动或者半自动地生成动画的技术。计算机动画始于20世纪70年代，最初只是作

4、为动画师的辅助工具以完成关键帧插值的工作。1974的电影《Hunger》是最早使用计算机动画技术的电影之一。随着计算机图形学技术的发展以及计算机显示技术的不断更新，计算机动画技术已经不止是动画创作的一种辅助手段，而且还是动画创作的必备工具。动画师可以借助于计算机来创作出具有高度真实感的虚拟场景和数字人物。在电影《恐龙》、《木乃伊归来》、《机械公敌》、《金刚》，游戏《FIFA》、《最终幻想》、《CS》、《半条命》中，人们可以充分体验到计算机动画技术高超的艺术魅力。计算机动画的应用领域非常广泛，虽然应用最多的是游戏和影视行业，但在军事、航空、气象、机械、医学和体育等领域也都有着非常

5、重要的应用。计算机动画的研究对象可以包括现实生活或虚拟世界中一切可以随时间而运动的物体如云雾、河流、各种植物、动物等，但其中最有难度和最有挑战性的对象之一是角色变形动画。角色的变形动画的困难性和挑战性吸引了大批的研究者纷纷投入到角色的变形动画的研究工作中。这些研究主要集中在以下两个方面：角色的运动控制技术和角色造型与皮肤变形技术。渲染效率和质量始终是角色动画的研究的目标也是图形学研究的目标，即在当前软硬件环境下，速度更快质量更好的模拟真实世界的模型。而往往是，运行速度提高和质量提高互为矛盾，本课题研究角色动画的目的也是尽可能的同时提高角色动画的速度和质量，并尽量减少计算机开销。

6、传统的角色动画，在占用存储空间大，计算效率低下,渲染质量差等缺点。当前图形硬件飞速发展，利用最新的图形硬件渲染图形场景能够显著的提高渲染速度和渲染质量，因此硬件GPU编程加速图形显示成为当前研究热点.然而，国内角色动画技术相对于国外有不小的差距。如热门电影日本的《2077日本锁国》、美国的《功夫熊猫》,电影中的角色效果非常绚丽,暴雪开发的游戏《魔兽世界》、EA的《战锤Online》,游戏中的角色也非常逼真。国内制作的电影和游戏中的角色动画还没有一款具有当前世界级别的水准，技术上急需提高。本课题研究内容是采用当前图形硬件GPU加速角色动画显示,该课题将对国内角色动画研究有一定的推

7、动作用.1jjd斗地主http://www.toxim.net/实时角色动画研究与实现1.2研究现状1.2.1实时角色动画技术[1]实时角色动画技术主要有三种：1）单一网格模型动画。这种动画中的角色由一个完整的网格模型构成。在动画序列的关键帧中记录着组成网格的各个顶点的新位置或者是相对于原位置的改变量。通过在相邻关键帧之间插值来直接改变该网格模型中各个顶点的位置就可以实现动画效果。相对于关节动画，单一网格模型动画的角色看上去更真实，也不会有关节动画所面临的接缝问题。由于没有使用层次模型，获得