[精品]物理动画之综述.doc

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1、计算机三维动画之物理动画综述【摘要】简单介绍三维计算机动画技术的原理和实现，并对基于物理模型的物理动画设计作了初步的介绍与综述。最后介绍了几种物理动画的设计引擎。【关键字】三维动画；物理动画1三维动画原理简述计算机三维动画是采用计算机生成一系列的离散的三维图像，然后在极短的吋间内，将多幅的这些离散三维图像呈现在显示屏丄，从而形成动画。从一幅一幅离散的图片，到一•段连续的动画，这其屮，利用了人眼的视觉暂留效应，即映射在人眼视网膜上的画面不会随事物的消失而立即消失。研究表明，只要以每秒大于等于25副（帧）的速度将离散的连续图片展现在人眼面前，那么在大脑屮,便可

2、以形成连贯的动画了。在这里，不管计算机的发展有多快，三维动画的成像原理本质，始终没有变，和最早的动画是一样的。在早期，一段动画是由动画师手工绘制的多幅图片，利用人眼的视觉暂留效应，以每秒大于等于25帧的速度播放形成的。计算机三维动画不过是用计算机代替人力绘制这些离散的图片。然而，计算机绘制的图片可以更加准确真实，甚至可以达到以假乱真的效果；同吋也可以更加大胆•夸张，所形成的动画更加绚丽多彩。⑵2物理动画与传统动画的差异2.1什么是物理动画物理动画设计的本质其实与传统的动画设计一样，同样也是利用人眼的视觉暂留效应，在单位吋间内播放一组离散图片而形成的。然而，

3、之所以称之为物理动画，个人理解，是因为物理动画的各个离散图片的产生是由计算机根据算法自己产生。这些算法便是根据牛顿物理一二三定律绘制一个物理模型的运动规律、下一吋刻的运动状态等。基于物理模型的动画技术是八十年代后期发展起来的一种新的计算机动画技术。经过近儿年的发展，它已在图形学屮成为一•种具有潜在优势的三维造型和运动模拟技术。尽管该技术比传统动画技术的计算复杂度要高得多，但它能逼真地模拟各种自然物理现象，这是基于几何的传统动画生成技术所无法比拟的。著名动画软件Softimage在棊于动力学的动画功能方面已相当成熟，它能处理诸如重力、风、碰撞检测等在内的复杂

4、动力学模型。⑴2.2与传统动画的差异传统动画技术要求预先描述物体在某一时刻的瞬时几何位置、方向和形状。然而，这样的方法在很多时候就显得有些苍口无力。例如，如果要描述一个物体的爆炸。试想一下，不管是通过动画师手工绘制还是利用计算机，在爆炸的一瞬间，绘制各个时刻的图像似乎有点异想天开，即使动画师的绘画水平再高，计算机的处理能力足够强大，绘制出了一系列离散图像来描述一个物体的爆炸，即使足够逼真，然而可惜的是，这只是该物体爆炸的一种情况。显然，-•个物体的爆炸，即便是在同一时刻，同一地点，同一状态，爆炸瞬间，各个吋刻该物体的结构状态的改变在符合牛顿力学定力的同时也

5、具有随机性。因此，在很多时候，传统的动画设计以不能满足要求。物理动画很好的克服了传统动画的这一缺陷。同样以爆炸为例，一个物体爆炸的瞬间，算法根据牛顿物理定律，在各个时刻自动生成各个是时刻的图像，而口根据输入参数的不同，生成的爆炸动画也不同。这不仅在动画的设计屮更加快捷方便，同样也更加真实。物理动画技术则考虑了物体在真实世界屮的属性，如它具有质量、转动惯矩、弹性、摩擦力等，并采用动力学原理來自动产生物体的运动。当场景屮的物体受到外力作用时，牛顿力学屮的标准动力学方程可用来自动生成物体在各个吋间点的位置、方向及其形状。此吋，计算机动画设计者不必关心物体运动过程

6、的细节,只需确定物体运动所需的一些物理属性及一些约束关系，如质量、外力等。3物理动画的设计引擎介绍3.1ODEODE(OpenDynamicEngine)是一个免费的具有工业品质的刚体动力学的丼，一款优秀的开源物理引擎。它能很好地仿真现实环境屮的可移动物体，它是快速，强健和可移植的。而且它有内建的碰撞检测系统。3D游戏场景的编写主要使用了3D图形APT-OpenGL和ODE引擎等游戏仿真技术。总共实现了以下基本的刚体物理运动游戏场景：(1)单摆运动：主要体现了球连接的具体使用。(2)撞球：主要体现了碰撞的处理。(3)汽车：主要体现了Hinge—2连接的使用

7、。(4)抛物线运动：主要体现了刚体方向和速度具体处理方法。3.2OSGOpenSceneGraph(简称OSG)使用OpenGL技术开发，是一套基于C++平台的应用程序接口(APT),它让程序员能够更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形程序。它作为屮问件(middleware)为应用软件提供了各种高级渲染特性，10,以及空间结构组织函数；血更低层次的OpenGL硬件抽象层(HAL)实现了底层硬件显示的驱动。OpenGL技术为图形元素(多边形、线、点……)和状态(光照、材质、阴影……)的编程提供了标准化的接口。而OSG开发的主要意义在于，将3D场景定

8、义为空间屮一系列连续的对象，以进行三维世界的管理。正是由于场景及其