三维植物动画从随风摇曳到翩翩起舞

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1、中国科学院自动化研究所硕士学位论文三维植物动画：从随风摇曳到翩翩起舞姓名：李昌智申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：胡包钢20040101摘要植物的真实感运动模拟是在静态植物造型的基础上利用计算机动画技术模拟其运动。这种具有真实感植物运动模拟，特别是实时地模拟，在3D游戏、电子娱乐、影视制作和虚拟城市漫游系统等诸多领域具有广泛的应川价值。本文利用基于物理的动画建模方法，结合弹性形变理论和关节骨架模型，提出“层次关节弹性骨架模型”对植物体的运动进行实时控制和模拟。这一模型能够将植物的各个器官的不同模式的运动用统一的形式表示出来，适合于表现植物根、茎、叶、花等不同器官所

2、特有的摇曳和振动。通过分散施加于各个关节的外力矩来模拟风的作用，能够真实地模拟出植物在不同强度和方向的风作用下的不同运动形态。为能够实现实时动画，本文根据植物运动的特殊性，针对层次关节模型运动控制复杂度高的缺点，利用局部化的方法将级联的关节解耦合，以简化模型微分方程的积分求解过程，将计算量降低至线性时间复杂度。在真实感植物体运动基础之上，我们进’一步研究了如何自动地将音乐和动画的艺术化地完美的结合在一起，并实现了一个脚本驱动的植物体卡通风格的虚拟舞蹈动画系统一一“花之舞”。在弹性骨架模型的基础上，本文将模型在外加激励条件下的平衡状态与植物角色的舞蹈姿态一一对应起来，建立参数化的舞蹈

3、姿态。为方便用户参与整个舞蹈姿态的设计，我们又将整个姿态集进行适当的分类，引入动作变形夸张系数将类似的姿态通过不同的夸张变形系数加以区分，从而有效地减小了姿态类型总数。本文的虚拟舞蹈系统“花之舞”目前阶段的舞蹈设计是通过用户编写舞蹈脚本来实现的。与运动捕捉的方法不同，这种编写舞蹈脚本的方法可以给用户以最大限度的灵活性，将人的艺术才华充分地融入脚本的设计之中。由于弹性骨架模型能够自动在姿态问进行平滑地插值，因而交互式的舞蹈脚本的中只需记录姿态编号和夸张变形系数从而使脚本的编写的繁琐程度大为简化，形式更为统一。利用舞蹈脚本作为交互的接口和媒介，用户可以将自己的艺术天赋融入所设计的舞蹈脚

4、本中，根据不同的音乐设计出不同风格的舞蹈。使这种虚拟的舞蹈成为一剩r全新的数字艺术形式。本文最后讨论了弹性骨架模型对于一般的动画角色骨架的运动控制方法和虚拟人的富有节奏感的动作生成方法。本文是音乐与动画结合的一个初始尝试，因而在最后指出进一步工作的几个可能的方向是十分必要的。关键词：计算机动画，基于物理的模型，实时，植物，虚拟舞蹈，数字艺术第i页英文摘要PlantAnimations：SwayingwithWindandDancingtoMusicAuthor：Chang—ZhiLiSupervisor：Buo—GangHuAbstractPlantanimation，suchas

5、swayingwithwindandvibratingunderimpulsiveexternalforces．isanordinaryphenomenoninrealisticvirtualworld．Inthiswork，weproposeauniformmodelforrealisticplantswayingaswellascartoon—likeanimationsinrealtime．Inmost3Dgamesorvirtualrealityapplications，plantisusuallystaticduetothecomplexstructureofplanta

6、ndtotheconsumptionofdrivingthemtoanimate．Sowebelievetheapproachinthispaperwillhavemuchsignificanceinalargefieldofapplicationslike3Dgame，walkthroughsystemsandsomeothervirtualreality(VR)apphcations．0urapproachadoptsarticulatedskeletonforthebifurcatedstructureofmostplantstocontroltheirmotions．Dif

7、ierentfromsimpleskeleton，eachjpintintheskeletonconstitutesanimaginaryangularspringtoemulatesomeelasticity．Inordertocontrolthelargeelasticskeletonofplantinrealtime，weproposetwopresumptionsofsimplification．Whi曲aresuitabletotheplantmotion．