三维计算机动画的研究内容与研究方法

张金富

中图分类号：TP

文献标识码：A

文章编号：1673-0992(2009)03-0124-01

摘要：计算机动画是一门集声学科知识的应用学科。近几年来由于计算机动画在众多领域中显示出广泛的应用前景，而受到人们的普遍关注。本文概括介绍了计算机动画研究的实质，从研究内容出发对计算机动画作出划分，并讨论了研究中所存在的问题及应用的发展方向。

关键词：计算机动画发展发展方向

引言：图形是人类最早使用，同时也是最容易理解并不受语言限制的一种信息量高度复中的知识表示方法，在计算机诞生不久之后，人们便开始致力于用计算机进行图形的表示和处理的研究今天，随着计算机硬件技术以及计算机图形处理技术的迅速发展，许多以计算机图形学为基础的应用技术，如科学计算可视化、多媒体、虚拟现实以及计算机动画等开始逐步由理论走向应用。本文就计算机动画研究的实质及内容做一些初步的讨论，并对计算机动画在多媒体及虚拟现实中的作用进行一些探讨。

一、什么是计算机动画

计算机动画最初的产生及发展与传统动画制作有着密切的联系。什么是计算机动画?这一问题却始终没有一个确切的含义，Thalmann就计算机在动画树作过程中所起的作用，指出计算机动画(Computer Animation)这一词的不明确性甚至产生一种错误的导向。事实上，而仅以用计算机来辅助完成动画片的制作”来理解，似乎已很难概括目前对计算机动画研究的范畴。固为目前的研究已远远超出人们对传统动画制作的改革，它综合运用计算机图形学、物理学、机械学、心理学、生命科学、机器及人工智能等多学科领域知识来研究客观存在的或是高度抽象的“物体”的运动表现方法，其应用范围也不仅仅局限于动画片的制作过程，不同应用领域的专家从当前计算机动画的广泛应用领域中，提出应该将“动画”从过去的单一概念扩展到能够包含各种应用领域的多元模式上我们认为，从更为广泛方面来理解，即：计算机动画是图形方式对具有约束条件的动态变化的知识的一种表示或解释方法，约束条件可以是物理的(如动力学知识、运动学知识等)，也可以是几何的(如路径描述、给定的关键帧等)，同时还可以是时间上的约束：同样，动态变化过程可以是具体物体的物理变化过程，也可是抽象物体的变化过程。

二、计算机动画的研究内容

虽然在目前的计算机动画软件中，包括几何造型、真实感图形生成(渲染)和运动设计三个基本方面，从目前国外对计算机动画的研究来看，计算机动画的研究的具体内容可分为以下方面：

绘图系统、运动控制、关键帧动画。路径控制、基于机械学的动画、合成演员、动画语言与语义、动画系统用户界面、动画系统专用硬件、科学可视化计算的动画表现、工业过程动画仿真、运动模糊与时间反混淆技术、基于AI的动画、机器人与动碡、特技效果、音响合成技术、语言合成技术、录制技术。

由上面的研究内容不难看出，运动主体的控帮方法仍是整个动画系统研究的核心，尤其是AI与机器人理论为基础的动画系统研竟更是近几年来的研究重点与难点下面就不同类型的运动主体的运动控制方法于以介绍。

三、计算机动画的研究方法

下面根据运动控制方法的不同进行分类：

(1)基于传统动画思想的运动控制研究

这一部分内容的工作主要集中在关键帧动画与变形方法的研究上，一般包括对给定关键帧图形或图象。研究其内插方法，同时对物体在给定描述路径上的连续光滑的运动研究，也属于这一范畴。

(2)连接物体的运动控制研究

对连接物体的运动控制研究，主要体现在多刚体系统曲运动控制方法研究上，很多工作借助于机器人中的运动控制研究基础运用动力学、运动学等知识研究在各种约束条件下的运动控制方法以及有效的数值计算方法。

(3)非刚体的运动控制研究

非刚体的运动控制研究，目前着重于非刚体在运动过程或受外力作用的情况下，发生的几何变形过程，主要以几何形状体现物体的变化过程如^体面部表情的动画便是一个典型的例子因为面部几何形状的改变是厦映面部表情变化的重要因素。

(4)自然景物的运动控制研究

自然景物的运动，如飘浮的云层、撞击海岸的海水、生长的植物等，都是很复杂的运动过程，它们很难用传统的几何方法和物理知识加以描述，采用粒子系统方法以及随机过程等可在一定程度上有效的解决这类问题。

(5)抽象概念的运动表现研究

有许多可运用过程或数学方法来加以描述，并通过数值计算求解，最后动画的形式表现出来。这类问题的研究与“计算机图形仿真”、“科学计算可视化”以及近年来提出的“信息可视化”等极为相似，只是侧重面有所区别。但从近年来的研究趋势来看，有着走向统一的倾向，固为要完整而真实地表现研究对象的动态行为，都必需从概念的数学建模、有效的数值计算方法和适当的图形表现来加以综合的研究。

(6)以Agent为主体的动态行为研究

近年来随着Agent系统理论的发展。人们发现基于Agent的智能动画系统更具有挑战性，特别是对台作的、分布的多Agent动画系统成为计算机动画的发展目标。将Agent赋予不同的结构、内容和能力，使它能够作用于自身和环境，并能对环境作出反映如果说模拟人是单Agent目标，那么多Agent系统则是以模拟凡类社会作为其最终标。一些以Agent为主体的动画研究，初步向人们展现了其优越性-如Justine Cassell等对多Agent的会话动画系统的研究。

结束语：

从广义的概念来看，智能运动主体应该具有思想、感知、决策、行为的自主式结构，是虚拟环境下智能机器人。有一点值得强调指出的是，由于计算机动画在一些影片中的成功运用，使得一些人产生一种计算机动画已经到达完美阶段的错觉，从此及以上可以看出，三维动画的发展已经达到了一个很高的水平。