計算機動畫算法與技術（第3版）

《計算機動畫算法與技術（第3版）》是2018年清華大學出版社出版的一本圖書。

基本信息

作者：[美]Rick Parent 著 劉 禕 譯

定價：119元

印次：3-1

ISBN：9787302485803

出版日期：2018.01.01

印刷日期：2018.02.02

圖書內容

本書詳細闡述了與計算機動畫算法相關的高效解決方案及相應的數據結構和算法，主要包括技術背景知識、插值技術、插值動畫技術、運動連結、運動捕捉、物理動畫、流體、人物角色的建模和動畫、面部動畫、建模行為以及特殊動畫模型等內容。此外，本書還提供了相應的算法、代碼以及偽代碼，以幫助讀者進一步理解相關方案的實現過程。 本書適合作為高等院校計算機及相關專業的教材和教學參考書，也可作為相關開發人員的自學教材和參考手冊。

目錄

第1章概述1

1.1運動感知2

1.2動畫發展簡史3

1.2.1早期設備4

1.2.2早期傳統動畫5

1.2.3迪士尼7

1.2.4其他技術8

1.2.5其他動畫媒介8

1.3動畫製作8

1.3.1動畫原理11

1.3.2電影製作原理12

1.3.3聲音14

1.4計算機動畫製作15

1.4.1計算機動畫製作任務16

1.4.2數字編輯17

1.4.3數字視頻20

1.4.4數字音頻20

1.5計算機動畫簡史21

1.5.1早期行為（1980年之前）21

1.5.2中期階段（20世紀80年代）24

1.5.3新紀元（20世紀80年代以後）25

1.6本章小結29

參考文獻29

第2章技術背景知識33

2.1空間與轉換33

2.1.1顯示管線34

2.1.2齊次坐標和轉換矩陣38

2.1.3複合轉換：轉換矩陣的累積操作39

2.1.4基本的轉換操作39

2.1.5描述任意方向41

2.1.6從矩陣中獲取轉換操作44

2.1.7顯示管線中的轉換描述44

2.1.8誤差46

2.2方向表達49

2.2.1定角表達50

2.2.2歐拉角表達51

2.2.3軸角表達52

2.2.4四元數表達53

2.2.5指數映射表達55

2.3本章小結55

參考文獻55

第3章插值技術57

3.1插值計算57

3.1.1生成函式57

3.1.2綜述60

3.2曲線頂點的移動控制60

3.2.1計算弧長61

3.2.2速度控制73

3.2.3易入/易出74

3.2.4通用距離-時間函式80

3.2.5匹配於位置-時間對的曲線82

3.3方向插值83

3.4與路徑協同工作87

3.4.1路徑移動87

3.4.2基於路徑的方向88

3.4.3基於路徑平滑操作91

3.4.4沿表面確定路徑96

3.4.5路徑計算97

3.4.6綜述98

3.5本章小結98

參考文獻98

第4章插值動畫技術101

4.1關鍵幀系統101

4.2動畫語言104

4.2.1面向設計人員的動畫語言105

4.2.2基於動畫設計的全功能程式語言106

4.2.3關聯變數106

4.2.4圖形語言107

4.2.5基於角色的動畫語言107

4.3對象的變形操作108

4.3.1拾取和拖曳108

4.3.2嵌入空間的變形110

4.4三維形狀插值方案120

4.4.1匹配拓撲結構121

4.4.2星形多面體122

4.4.3軸向切面123

4.4.4球體映射125

4.4.5遞歸細分128

4.5變形效果（二維）130

4.5.1坐標格線方案130

4.5.2特徵變形135

4.6本章小結140

參考文獻140

第5章運動連結143

5.1層次結構建模144

5.1.1基於層次建模的數據結構145

5.1.2局部坐標框架149

5.2前向動力學150

5.3逆向動力學151

5.3.1通過解析法求解簡單系統152

5.3.2Jacobian方案153

5.3.3逆向動力學的數值方案157

5.3.4綜述163

5.4本章小結163

參考文獻163

第6章運動捕捉165

6.1運動捕捉技術165

6.2圖像處理166

6.3相機校正168

6.4三維位置重構169

6.4.1多標記170

6.4.2多相機171

6.5骨骼匹配171

6.6從運動捕捉系統中輸出內容172

6.7操控運動捕捉數據174

6.7.1信號處理174

6.7.2運動重定位174

6.7.3運動組合175

6.8本章小結175

參考文獻176

第7章物理動畫177

7.1基本物理學知識177

7.2彈性動畫示例180

7.2.1彈性對象180

7.2.2虛擬彈簧182

7.3粒子系統183

7.3.1生成粒子183

7.3.2粒子屬性184

7.3.3粒子消亡184

7.3.4粒子動畫184

7.3.5粒子渲染185

7.3.6粒子系統表達185

7.3.7粒子受力狀態186

7.3.8粒子生命周期186

7.4剛體模擬186

7.4.1自由落體187

7.4.2碰撞體195

7.4.3基於連結層次結構的動力學206

7.5布料208

7.5.1褶皺的直接建模209

7.5.2物理建模212

7.6軟約束條件和硬約束條件215

7.6.1能量最小化216

7.6.2空間-時間約束條件218

7.7本章小結220

參考文獻220

第8章流體：液體和氣體223

8.1特定流體模型223

8.1.1水流模型223

8.1.2雲彩模型和動畫232

8.1.3火焰建模和動畫237

8.1.4綜述239

8.2計算流體動力學239

8.2.1流體建模的通用解決方案240

8.2.2CFD方程241

8.2.3格線方案244

8.2.4包含均勻粒子流體動力學的粒子方案245

8.3本章小結247

參考文獻248

第9章人物角色的建模和動畫251

9.1虛擬人物表現方式251

9.1.1軀體幾何體的表達方式252

9.1.2幾何體數據採集253

9.1.3幾何體變形254

9.1.4表面細節254

9.1.5人物角色建模過程中的層次方案255

9.2搜尋和抓取行為258

9.2.1手臂建模259

9.2.2肩部關節261

9.2.3手部261

9.2.4協調的運動行為263

9.2.5迴避障礙物263

9.2.6受力狀態264

9.3行走效果265

9.3.1運動機制266

9.3.2行進過程中的動力學269

9.3.3基於動力學的真實運動行為272

9.3.4前向動力學控制273

9.3.5綜述273

9.4覆蓋特徵274

9.4.1布料和服裝274

9.4.2頭髮274

9.5本章小結276

參考文獻277

第10章面部動畫283

10.1面部結構283

10.1.1解剖學結構283

10.1.2面部行為編碼系統285

10.2面部模型286

10.2.1創建連續的表面模型287

10.2.2紋理292

10.3臉部的動畫效果293

10.3.1參數化模型293

10.3.2彎曲形狀294

10.3.3肌肉模型295

10.3.4面部表情297

10.3.5綜述298

10.4口型動畫298

10.4.1語音發聲298

10.4.2音素299

10.4.3協同發音300

10.4.4韻律學301

10.5本章小結301

參考文獻301

第11章建模行為305

11.1原始行為307

11.1.1群集行為307

11.1.2捕食行為316

11.2環境認知316

11.2.1視覺317

11.2.2記憶318

11.3智慧型行為建模318

11.3.1自主行為319

11.3.2表達方式和姿態320

11.3.3個性化建模：個性和情感狀態321

11.4群體管理322

11.4.1群體行為323

11.4.2內部結構323

11.4.3群體控制324

11.4.4n2複雜度管理324

11.4.5外觀效果325

11.5本章小結325

參考文獻325

第12章特殊動畫模型329

12.1隱式表面329

12.1.1基本的隱式表面方程329

12.1.2基於隱式定義對象的動畫效果331

12.1.3碰撞檢測332

12.1.4基於碰撞的隱式表面變形332

12.1.5LevelSet法334

12.1.6綜述335

12.2植物335

12.2.1植物學簡介336

12.2.2L系統337

12.2.3綜述343

12.3表面細分344

12.4本章小結345

參考文獻345

附錄A渲染技術349

A.1雙緩衝區機制349

A.2合成機制350

A.2.1忽略像素深度信息的合成技術351

A.2.2基於像素深度信息的合成技術355

A.3顯示運動對象：運動模糊357

A.4投影式陰影359

A.5廣告牌和替身圖技術363

A.6小結364

參考文獻364

附錄B背景知識和技術367

B.1向量和矩陣367

B.1.1逆矩陣和線性方程求解368

B.1.2奇值分解法374

B.2幾何計算374

B.2.1向量分量375

B.2.2向量長度375

B.2.3兩向量的點和計算375

B.2.4兩向量的叉積計算376

B.2.5向量和矩陣計算法則377

B.2.6三維空間內兩直線間的最近點380

B.2.7面積計算381

B.2.8餘弦定理382

B.2.9質心坐標383

B.2.10計算包圍邊界形狀383

B.3變換操作396

B.3.1基於向量-矩陣乘法的頂點變換396

B.3.2基於向量-矩陣乘法的向量變換397

B.3.3軸-角旋轉398

B.3.4四元數398

B.4基於連結附肢的Denavit-Hartenberg表現形式400

B.4.1Denavit-Hartenberg表示法400

B.4.2簡單示例403

B.4.3添加球狀關節403

B.4.4構建坐標系405

B.5插值計算和近似曲線405

B.5.1方程：基本術語405

B.5.2簡單的線性插值計算：幾何體和代數形式407

B.5.3基於弧長的參數化操作408

B.5.4導數計算408

B.5.5Hermite插值計算408

B.5.6Catmull-Rom樣條409

B.5.74頂點形式412

B.5.8混合拋物線412

B.5.9Bezier插值/逼近方案413

B.5.10基於DeCasteljau構造方案的Bezier曲線414

B.5.11張力、連續性以及偏移控制414

B.5.12B樣條417

B.5.13曲線與頂點集合之間的匹配417

B.6隨機性418

B.6.1噪聲419

B.6.2擾動效果421

B.6.3隨機數生成器422

B.7物理初探423

B.7.1位置、速度和加速度423

B.7.2圓周運動424

B.7.3牛頓運動定律425

B.7.4慣性和慣性參考坐標系425

B.7.5質心426

B.7.6轉矩426

B.7.7平衡狀態：平衡作用力426

B.7.8重力427

B.7.9向心力427

B.7.10接觸力427

B.7.11離心力429

B.7.12功和勢能429

B.7.13動能429

B.7.14能量守恆430

B.7.15動量守恆430

B.7.16振盪運動430

B.7.17阻尼機制431

B.7.18角動量431

B.7.19慣性張量431

B.8數值積分432

B.8.1基於弧長的函式積分計算433

B.8.2更新函式值434

B.8.3更新位置數據437

B.9最佳化技術438

B.9.1解析法439

B.9.2數值法439

B.10電影技術標準441

B.10.1模擬技術441

B.10.2數字世界445

B.11相機校正448

參考文獻451