学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

实时角色动画的研究与实现

作　者: 高光磊
导　师: 陈炳发
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 骨骼蒙皮动画表情动画 GPU 四元数 OpenGL
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 74次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

计算机角色动画在游戏、电影、虚拟现实等诸多领域中广泛应用。随着计算机3D硬件处理能力不断增强,角色动画可以采用硬件加速方法实现,这样使图形显示速度和质量显著提高。本文对实时角色动画做了深入研究,给出了骨骼蒙皮动画和表情动画在可编程图形硬件上的实现。骨骼蒙皮动画在当今3D游戏如CS、魔兽、DOOM3,QUAKE4等中普遍应用,在有些游戏中,骨骼蒙皮动画是不支持硬件加速,如ID公司发布的DOOM3,QUAKE4。支持骨骼蒙皮硬件加速的游戏或游戏引擎只能对特定模型进行加速,当骨骼关节数量超过一定数量时候,硬件加速失效。本论文研究了基于CPU的骨骼蒙皮动画的算法,找出了存在的缺陷,即在确定插值时刻顶点位置时,使用顶点混合技术来计算顶点在插值时刻的位置需要大量的矩阵运算,这就极大占用了CPU的运行时间,降低了骨骼蒙皮动画的实时性。为此,研究了硬件加速算法并给出了实现,渲染速度得到提高。但可以加速的模型受到限制。由于关节的世界矩阵需要存放在GPU常数寄存器上,GPU常数寄存器数量是固定的,当关节数量过多,硬件加速不能正常运行。本论文提出了新的算法,利用单位旋转四元数和偏移向量代替变换矩阵,四元数和向量均占用1个向量常数寄存器,而矩阵需要4个常数寄存器,这样,在同等数量的寄存器上可以存放四元数和向量的个数是矩阵的2倍。这样,解决了一部分模型不能硬件加速的问题。为使模型在引擎中的效果更加真实,所做的角色动画引擎还将凹凸映射和阴影技术应用到角色动画上,并加以实现。与语音匹配的表情动画是渐变技术、网格混合技术、语音技术结合产生的技术。表情动画在当今游戏中使用较少,主要是因为计算量大,耗费内存。为使表情动画运行流畅,这里采用了硬件加速方法,将CPU计算转移到GPU上去,从而提高了运行速度。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-14
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 研究现状  11-12
    1.2.1 实时角色动画技术  11-12
    1.2.2 图形硬件与着色语言  12
  1.3 研究内容与论文结构  12-14
    1.3.1 研究内容  12-13
    1.3.2 论文结构  13-14
第二章骨骼蒙皮动画  14-46
  2.1 骨骼动画  14-27
    2.1.1 运动学基础  14-19
    2.1.2 骨骼层次结构  19-22
    2.1.3 骨架运动学  22-23
    2.1.4 关节运动的数学表达  23-27
  2.2 蒙皮动画  27-32
    2.2.1 刚体组件和简单蒙皮  27-29
    2.2.2 平滑蒙皮算法  29-31
    2.2.3 处理方向向量  31-32
  2.3 骨骼蒙皮动画的实现  32-46
    2.3.1 MD5 格式动画文件  32-35
    2.3.2 基于 CPU 的骨骼蒙皮动画实现  35-40
    2.3.2 基于 GPU 硬件加速的骨骼蒙皮动画实现  40-43
    2.3.3 GPU 硬件加速的骨骼蒙皮动画的改进  43-46
第三章角色动画的光照与阴影  46-65
  3.1 凹凸映射  46-54
    3.1.1 凹凸贴图的构造  47-49
    3.1.2 切线空间  49-50
    3.1.3 切向空间计算  50-51
    3.1.4 凹凸映射实现  51-54
  3.2 平面阴影  54-58
    3.2.1 平面阴影的算法  54-56
    3.2.2 平面阴影的实现  56-58
  3.3 体积模板阴影  58-65
    3.3.1 阴影体计算  58-60
    3.3.2 阴影体渲染  60-62
    3.3.3 体积阴影的实现  62-65
第四章表情动画  65-74
  4.1 表情动画原理  65-69
    4.1.1 渐变动画  65-67
    4.1.2 混合渐变动画  67-68
    4.1.3 语音编码  68-69
  4.2 表情动画的实现  69-74
    4.2.1 表情动画的基本流程  69-70
    4.2.2 着色器设计  70-74
第五章角色动画引擎的总体实现  74-78
  5.1 引擎运行环境  74
  5.2 引擎主要类及函数  74
    5.2.1 基本类和函数  74
    5.2.2 高级类和函数  74
  5.3 引擎的主要功能  74-75
  5.4 引擎的使用  75-78
    5.4.1 表情动画的使用  76
    5.4.2 骨骼蒙皮动画的使用  76-78
第六章总结与展望  78-79
参考文献  79-81
致谢  81-82
在学期间的研究成果及发表的学术论文  82

实时角色动画的研究与实现

内容摘要

全文目录

相似论文