浅谈实时生成烟的卡通动画关键技术的研究与实现

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1、浙江大学硕士学位论文实时生成烟的卡通动画关键技术的研究与实现姓名：何海涛申请学位级别：硕士专业：计算机软件与理论指导教师：许端清20060201摘要计算机动画是计算机图形学中一个重要的领域，而用计算机生成三维的卡通动画又是计算机动画中一个举足轻重的研究方向。本文在回顾了烟的动态模拟、烟的动态控制以及烟的非真实感绘制等相关技术的基础上，提出了一个能实时生成烟的卡通动画算法。卡通动画具有运动抽象和视觉效果抽象的特征。基于这两个特征，本文提出的算法相应地分为烟的动态模拟和卡通绘制两部分。在动态模拟阶段，本文用粒子系统作基于物

2、理规律的模拟。本文采用平滑粒子动力学(SPH)模型将烟建模为102～103数量级个平滑粒子，并根据粒子密度推导出粒子受到的扩散力。同时，其他物理参数如速度、空气阻力、风力、外界的碰撞力等都直接定义在烟的粒子上。在卡通绘制阶段，我们将粒子看成椭球体，并预绘制出椭球体的法向矢量图和深度图。对法向矢量图进行采样得到像素的法向矢量后，分别与普通光源和位于视点处的辅助光源发射的光线进行点击，将得到的亮度值作二值量化，于是烟被绘制成含有二值光照和轮廓线的卡通风格；而对深度图进行采样，并以此调整该像素的深度值消除公告牌算法带来闪烁现

3、象。整个绘制阶段都在GPU里完成。尽管动态模拟和非真实感绘制的算法都很简单、直观，但能很好地满足卡通动画的抽象性特征。实验结果表明，应用本文提出的算法，仅仅需要1000左右的粒子就能实时地生成相当好的烟的卡通动画。关键词：烟，粒子系统，基于物理的模拟，卡通动画，非真实感绘制AbstractComputeranimationisanimportantresearchfieldincomputergraphics，and3Dcartoonanimationgeneratedbycomputersisahottopicinc

4、omputeranimation．Inthispaper，wepresentapracticalframeworktogeneratecartoonstyleanimationsofsmokeatreal—tiIvileframeratebasedontherelatedpreviousworktincludingsimulationofsmoke，dynamiccontrolofsmokeandnon-photorealisticrenderingofsmoke．Cartoonanimationhastwochara

5、cterisficabstractions：motionabstractionandvi-sualabstraction．Basedonthesetwofeatures,ourframeworkconsistsofasmokesimu-latorandacartoonrendereraccordingly．Inthesimulationstage,weemploysmoothedparticlehydrodynamics(SPH)tomodelsmokeasabout102～103smoothedpartides，an

6、ddefinetherepulsiveforceonthem．Meanwhile，otherphysicalparameterssuchasvelocity,airfriction，windandcollisionforcearealldefinedontheparticlesdirectly．Intherenderingstage，wefirstprerendereachparticleasanellipsoidwithanormalmapandadepthmap．Wesamplethenormalmaptogett

7、henormalvectorofapixel，andthencaloflatethedotproductwiththeordinarylightsourceandanauxiliarylightsourceattheviewingpoint．Finally,thedepthmapissampledtogetthedepthvalue，whichisusedtomodifythedepthofeachpixelonthebillboardtoeliminatetheflickerproblem．Therenderingp

8、rocessisexecutedontheGPUentirely．Althoughthealgorithmofsimulationandrenderingissimpleandintuitive，itsat-isfiesthefeaturesofcartoonanimationquitewell．Inthemostmoderate