计算机动画算法与技术-(第3版)

目 录 第1章 概述 1 1.1 运动感知 2 1.2 动画发展简史 3 1.2.1 早期设备 4 1.2.2 早期传统动画 5 1.2.3 迪士尼 7 1.2.4 其他技术 8 1.2.5 其他动画媒介 8 1.3 动画制作 8 1.3.1 动画原理 11 1.3.2 电影制作原理 12 1.3.3 声音 14 1.4 计算机动画制作 15 1.4.1 计算机动画制作任务 16 1.4.2 数字编辑 17 1.4.3 数字视频 20 1.4.4 数字音频 20 1.5 计算机动画简史 21 1.5.1 早期行为（1980年之前） 21 1.5.2 中期阶段（20世纪80年代） 24 1.5.3 新纪元（20世纪80年代以后） 25 1.6 本章小结 29 参考文献 29 第2章 技术背景知识 33 2.1 空间与转换 33 2.1.1 显示管线 34 2.1.2 齐次坐标和转换矩阵 38 2.1.3 复合转换：转换矩阵的累积操作 39 2.1.4 基本的转换操作 39 2.1.5 描述任意方向 41 2.1.6 从矩阵中获取转换操作 44 2.1.7 显示管线中的转换描述 44 2.1.8 误差 46 2.2 方向表达 49 2.2.1 定角表达 50 2.2.2 欧拉角表达 51 2.2.3 轴角表达 52 2.2.4 四元数表达 53 2.2.5 指数映射表达 55 2.3 本章小结 55 参考文献 55 第3章 插值技术 57 3.1 插值计算 57 3.1.1 生成函数 57 3.1.2 综述 60 3.2 曲线顶点的移动控制 60 3.2.1 计算弧长 61 3.2.2 速度控制 73 3.2.3 易入/易出 74 3.2.4 通用距离-时间函数 80 3.2.5 匹配于位置-时间对的曲线 82 3.3 方向插值 83 3.4 与路径协同工作 87 3.4.1 路径移动 87 3.4.2 基于路径的方向 88 3.4.3 基于路径平滑操作 91 3.4.4 沿表面确定路径 96 3.4.5 路径计算 97 3.4.6 综述 98 3.5 本章小结 98 参考文献 98 第4章 插值动画技术 101 4.1 关键帧系统 101 4.2 动画语言 104 4.2.1 面向设计人员的动画语言 105 4.2.2 基于动画设计的全功能程序语言 106 4.2.3 关联变量 106 4.2.4 图形语言 107 4.2.5 基于角色的动画语言 107 4.3 对象的变形操作 108 4.3.1 拾取和拖曳 108 4.3.2 嵌入空间的变形 110 4.4 三维形状插值方案 120 4.4.1 匹配拓扑结构 121 4.4.2 星形多面体 122 4.4.3 轴向切面 123 4.4.4 球体映射 125 4.4.5 递归细分 128 4.5 变形效果（二维） 130 4.5.1 坐标网格方案 130 4.5.2 特征变形 135 4.6 本章小结 140 参考文献 140 第5章 运动链接 143 5.1 层次结构建模 144 5.1.1 基于层次建模的数据结构 145 5.1.2 局部坐标框架 149 5.2 前向动力学 150 5.3 逆向动力学 151 5.3.1 通过解析法求解简单系统 152 5.3.2 Jacobian方案 153 5.3.3 逆向动力学的数值方案 157 5.3.4 综述 163 5.4 本章小结 163 参考文献 163 第6章 运动捕捉 165 6.1 运动捕捉技术 165 6.2 图像处理 166 6.3 相机校正 168 6.4 三维位置重构 169 6.4.1 多标记 170 6.4.2 多相机 171 6.5 骨骼匹配 171 6.6 从运动捕捉系统中输出内容 172 6.7 操控运动捕捉数据 174 6.7.1 信号处理 174 6.7.2 运动重定位 174 6.7.3 运动组合 175 6.8 本章小结 175 参考文献 176 第7章 物理动画 177 7.1 基本物理学知识 177 7.2 弹性动画示例 180 7.2.1 弹性对象 180 7.2.2 虚拟弹簧 182 7.3 粒子系统 183 7.3.1 生成粒子 183 7.3.2 粒子属性 184 7.3.3 粒子消亡 184 7.3.4 粒子动画 184 7.3.5 粒子渲染 185 7.3.6 粒子系统表达 185 7.3.7 粒子受力状态 186 7.3.8 粒子生命周期 186 7.4 刚体模拟 186 7.4.1 自由落体 187 7.4.2 碰撞体 195 7.4.3 基于链接层次结构的动力学 206 7.5 布料 208 7.5.1 褶皱的直接建模 209 7.5.2 物理建模 212 7.6 软约束条件和硬约束条件 215 7.6.1 能量*小化 216 7.6.2 空间-时间约束条件 218 7.7 本章小结 220 参考文献 220 第8章 流体：液体和气体 223 8.1 特定流体模型 223 8.1.1 水流模型 223 8.1.2 云彩模型和动画 232 8.1.3 火焰建模和动画 237 8.1.4 综述 239 8.2 计算流体动力学 239 8.2.1 流体建模的通用解决方案 240 8.2.2 CFD方程 241 8.2.3 网格方案 244 8.2.4 包含均匀粒子流体动力学的粒子方案 245 8.3 本章小结 247 参考文献 248 第9章 人物角色的建模和动画 251 9.1 虚拟人物表现方式 251 9.1.1 躯体几何体的表达方式 252 9.1.2 几何体数据采集 253 9.1.3 几何体变形 254 9.1.4 表面细节 254 9.1.5 人物角色建模过程中的层次方案 255 9.2 搜索和抓取行为 258 9.2.1 手臂建模 259 9.2.2 肩部关节 261 9.2.3 手部 261 9.2.4 协调的运动行为 263 9.2.5 回避障碍物 263 9.2.6 受力状态 264 9.3 行走效果 265 9.3.1 运动机制 266 9.3.2 行进过程中的动力学 269 9.3.3 基于动力学的真实运动行为 272 9.3.4 前向动力学控制 273 9.3.5 综述 273 9.4 覆盖特征 274 9.4.1 布料和服装 274 9.4.2 头发 274 9.5 本章小结 276 参考文献 277 第10章 面部动画 283 10.1 面部结构 283 10.1.1 解剖学结构 283 10.1.2 面部行为编码系统 285 10.2 面部模型 286 10.2.1 创建连续的表面模型 287 10.2.2 纹理 292 10.3 脸部的动画效果 293 10.3.1 参数化模型 293 10.3.2 弯曲形状 294 10.3.3 肌肉模型 295 10.3.4 面部表情 297 10.3.5 综述 298 10.4 口型动画 298 10.4.1 语音发声 298 10.4.2 音素 299 10.4.3 协同发音 300 10.4.4 韵律学 301 10.5 本章小结 301 参考文献 301 第11章 建模行为 305 11.1 原始行为 307 11.1.1 群集行为 307 11.1.2 捕食行为 316 11.2 环境认知 316 11.2.1 视觉 317 11.2.2 记忆 318 11.3 智能行为建模 318 11.3.1 自主行为 319 11.3.2 表达方式和姿态 320 11.3.3 个性化建模：个性和情感状态 321 11.4 群体管理 322 11.4.1 群体行为 323 11.4.2 内部结构 323 11.4.3 群体控制 324 11.4.4 n2复杂度管理 324 11.4.5 外观效果 325 11.5 本章小结 325 参考文献 325 第12章 特殊动画模型 329 12.1 隐式表面 329 12.1.1 基本的隐式表面方程 329 12.1.2 基于隐式定义对象的动画效果 331 12.1.3 碰撞检测 332 12.1.4 基于碰撞的隐式表面变形 332 12.1.5 Level Set法 334 12.1.6 综述 335 12.2 植物 335 12.2.1 植物学简介 336 12.2.2 L系统 337 12.2.3 综述 343 12.3 表面细分 344 12.4 本章小结 345 参考文献 345 附录A 渲染技术 349 A.1 双缓冲区机制 349 A.2 合成机制 350 A.2.1 忽略像素深度信息的合成技术 351 A.2.2 基于像素深度信息的合成技术 355 A.3 显示运动对象：运动模糊 357 A.4 投影式阴影 359 A.5 广告牌和替身图技术 363 A.6 小结 364 参考文献 364 附录B 背景知识和技术 367 B.1 向量和矩阵 367 B.1.1 逆矩阵和线性方程求解 368 B.1.2 奇值分解法 374 B.2 几何计算 374 B.2.1 向量分量 375 B.2.2 向量长度 375 B.2.3 两向量的点和计算 375 B.2.4 两向量的叉积计算 376 B.2.5 向量和矩阵计算法则 377 B.2.6 三维空间内两直线间的*近点 380 B.2.7 面积计算 381 B.2.8 余弦定理 382 B.2.9 质心坐标 383 B.2.10 计算包围边界形状 383 B.3 变换操作 396 B.3.1 基于向量-矩阵乘法的顶点变换 396 B.3.2 基于向量-矩阵乘法的向量变换 397 B.3.3 轴-角旋转 398 B.3.4 四元数 398 B.4 基于链接附肢的Denavit-Hartenberg 表现形式 400 B.4.1 Denavit-Hartenberg表示法 400 B.4.2 简单示例 403 B.4.3 添加球状关节 403 B.4.4 构建坐标系 405 B.5 插值计算和近似曲线 405 B.5.1 方程：基本术语 405 B.5.2 简单的线性插值计算：几何体和代数形式 407 B.5.3 基于弧长的参数化操作 408 B.5.4 导数计算 408 B.5.5 Hermite插值计算 408 B.5.6 Catmull-Rom样条 409 B.5.7 4顶点形式 412 B.5.8 混合抛物线 412 B.5.9 Bezier插值/逼近方案 413 B.5.10 基于De Casteljau构造方案的Bezier曲线 414 B.5.11 张力、连续性以及偏移控制 414 B.5.12 B样条 417 B.5.13 曲线与顶点集合之间的匹配 417 B.6 随机性 418 B.6.1 噪声 419 B.6.2 扰动效果 421 B.6.3 随机数生成器 422 B.7 物理初探 423 B.7.1 位置、速度和加速度 423 B.7.2 圆周运动 424 B.7.3 牛顿运动定律 425 B.7.4 惯性和惯性参考坐标系 425 B.7.5 质心 426 B.7.6 转矩 426 B.7.7 平衡状态：平衡作用力 426 B.7.8 重力 427 B.7.9 向心力 427 B.7.10 接触力 427 B.7.11 离心力 429 B.7.12 功和势能 429 B.7.13 动能 429 B.7.14 能量守恒 430 B.7.15 动量守恒 430 B.7.16 振荡运动 430 B.7.17 阻尼机制 431 B.7.18 角动量 431 B.7.19 惯性张量 431 B.8 数值积分 432 B.8.1 基于弧长的函数积分计算 433 B.8.2 更新函数值 434 B.8.3 更新位置数据 437 B.9 优化技术 438 B.9.1 解析法 439 B.9.2 数值法 439 B.10 电影技术标准 441 B.10.1 模拟技术 441 B.10.2 数字世界 445 B.11 相机校正 448 参考文献 451