計算機圖形學(xué)第九章計算機動畫供《現(xiàn)代計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)》配套使用1提綱基本概念動畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動畫運動捕捉物理模擬群體動畫基于深度學(xué)習(xí)的動畫21.1動畫定義：通過連續(xù)播放一系列畫面，給人的視覺造成連續(xù)變化的效果涵蓋廣泛的領(lǐng)域，包括影視動畫片、影視特技動畫、廣告動畫、游戲動畫等顧名思義就是運動（活動）的畫面（圖像）31.1動畫分類二維動畫：通過設(shè)計和繪制二維圖形或圖像而生成的動畫三維動畫：通過構(gòu)造三維模型并直接控制三維模型運動而生成的動畫41.2原理視覺暫留原理在人的研究看到一幅畫或一個物體后，大約在0.05~0.1秒內(nèi)不會消失單位每幅畫稱為一幀每秒鐘的幀數(shù)表示動畫播放速度“一拍三”是觀看動畫的極限模式51.3傳統(tǒng)動畫動畫是運動中的藝術(shù)正如動畫大師JohnHalas所講的，運動是動畫的要素6TimeF3攝像機F1攝像機F2攝像機F4攝像機F5攝像機F1F2F3F4攝像機物體靜止，攝像機運動攝像機靜止，物體運動1.3傳統(tǒng)動畫逐幀手繪畫面創(chuàng)作靈活性大，但費時費力采用分層技術(shù)制作(celanimation,1914)關(guān)鍵幀過渡、融合影像描摹(Rotoscoping,1915)描繪實拍影片的運動71.4計算機動畫定義采用圖形與圖像的處理技術(shù)，借助于編程或動畫制作軟件生成一系列的畫面通過連續(xù)播放靜止圖像的方法產(chǎn)生物體運動的效果81.4計算機動畫動畫形式物體位置、方向、大小和形狀的變化虛擬攝像機的運動物體表面紋理、色彩的變化91.4計算機動畫歷史發(fā)展計算機圖形學(xué)之前（1940s~mid-1960s）1950s，JohnWhitney，通過模擬信號的電子計算機進行光線和物體控制，生成運動的畫面1957年，RussellKrisch等在數(shù)字計算機上掃描照片生成畫面101957年，SEAC掃描第一張數(shù)字圖像1.4計算機動畫歷史發(fā)展早期2D（mid-1960s~mid-1970s）1964年，IvanSurtherlands發(fā)明SketchPad1968年，蘇聯(lián)人在BESM計算機上創(chuàng)作了第一個計算機動畫角色：行走的貓1973年，美國米高梅公司發(fā)行第一部采用計算機動畫處理的電影Westworld11BESMWestworld1.4計算機動畫歷史發(fā)展中期3D（mid-1970s~1980s）1972年，影片F(xiàn)utureworld中使用了3D線框模型制作畫面，成為最早的3D計算機動畫電影1975年，第二部使用3D線框動畫短片Great獲奧斯卡獎1977年，第三部使用類似動畫技術(shù)的影片是星球大戰(zhàn)12FutureworldGreatStarWars1.4計算機動畫歷史發(fā)展近期全3D（1990s~現(xiàn)在）1995年，Pixar公司玩具總動員，是首部完全使用電腦動畫技術(shù)的動畫長篇1998年，Pixar公司動畫短片電影Geri’sGame獲奧斯卡最佳短片獎13Toy’sstoryGeri’sgame1.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則14SquashandstretchAnticipationStagingStraight-aheadactionandpose-to-poseactionFollow-throughandoverlappingactionSlowinandslowoutArcsSecondaryactionTimingExaggerationSoliddrawingAppealDepthoffieldBalanceandweightJohnLasseter,“Principlesoftraditionalanimationappliedto3Dcomputeranimation”.ComputerGraphics,1987.1.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則Squashandstretch（擠壓和伸展）通過物體的形變來表現(xiàn)物體的剛度和質(zhì)量：保持體積最顯著的應(yīng)用是肌肉的變形蘊含的物理原理：影響運動的因素包括質(zhì)量、外力、材料屬性、表面接觸的位置等151.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則Anticipation（預(yù)期性）動畫中的動作通常包括動作的準備、實際的動作和動作的完成三部分。第一部分就叫做預(yù)期性。161.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則Staging（布局）以一種容易理解的方式展示動作或?qū)ο蠼巧膬x態(tài)及表演方式，配合適當?shù)臄z影機運動，使得動畫能夠有效地表達角色的特性及故事中的信息171.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則Straight-aheadactionandpose-to-poseaction（連貫動作法與關(guān)鍵動作法）連貫動作法：根據(jù)連續(xù)的動作依序制作每一幀畫面關(guān)鍵動作法：是先定義關(guān)鍵的主要動作，而后再制作關(guān)鍵動作間的畫面（關(guān)鍵幀方法）181.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則Follow-throughandoverlappingaction（跟隨動作與重疊動作）“動者恒動”：沒有任何一種物體會突然停止，物體的運動是一個部分接著一個部分的19《冰川時代》《汽車總動員》1.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則Slowinandslowout（慢入和慢出）動作的加速和減速：自然界中物體的運動具有加速和減速的性質(zhì)動作的慢入和慢出使得物體的運動更加符合自然規(guī)律，因此應(yīng)該應(yīng)用于絕大多數(shù)的動作201.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則Arcs（弧形動作）現(xiàn)實世界中，幾乎所有的運動都是沿著一條略帶圓弧的軌道移動的，尤其是生物的運動。因此，在制作動畫時，角色的運動軌跡就不應(yīng)是直線，而應(yīng)該是比較自然的曲線211.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則Secondaryaction（附屬運動）角色進行主要動作時，附屬于角色的部分，例如觸須、尾巴等，會以附屬動作來點綴主要動作的效果為動畫增添樂趣和真實性221.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則Timing（掌握時序）時間的調(diào)配和選擇是影響動畫效果的最關(guān)鍵因素之一通過時序來表現(xiàn)物體的大小、重量和個性231.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則Exaggeration（夸張）用于強調(diào)某個動作，使動畫更加有趣241.4計算機動畫傳統(tǒng)動畫應(yīng)用于計算機動畫的基本原則Appeal（吸引力）任何觀眾愿意觀看的東西，以表現(xiàn)出角色的個性建立角色與觀眾的某種聯(lián)系，以獨特的造型或姿態(tài)來提高觀眾對角色的印象25提綱基本概念動畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動畫運動捕捉物理模擬群體動畫基于深度學(xué)習(xí)的動畫262.1動畫作品傳統(tǒng)和計算機動畫制作的作品都以連續(xù)變化的幀進行內(nèi)容展示動作制作內(nèi)容的四個層次作品（production）序列（sequence）鏡頭（shot）幀（frame）272.1動畫作品制作流程故事展板（storyboard）角色造型（modelsheet）關(guān)鍵幀和過渡

（keyframes&in-betweening）鏡頭測試（testshots）上色（inking）聲音配樂特效配音28Demo2.2計算機動畫制作關(guān)鍵幀和過渡動畫師制作關(guān)鍵幀，由計算機編程生成中間過渡的幀鏡頭測試和上色通過計算機局部變形生成鏡頭內(nèi)容各種圖形學(xué)繪制進行上色292.2計算機動畫制作動畫技術(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)指定若干時刻的姿態(tài)，自動生成中間狀態(tài)過程建模通過改變?nèi)舾蓞?shù)，生成新的動畫物理模擬賦予物體物理屬性（質(zhì)量、外力等）根據(jù)物理定律模擬運動狀態(tài)302.2計算機動畫制作動畫控制技術(shù)骨架驅(qū)動：采用物體簡化的低維模型作為骨架，驅(qū)動原始物體的動畫運動前向動力學(xué)反向動力學(xué)運動捕捉：利用傳感器記錄外界運動，作用到物體上生成相應(yīng)動畫31提綱基本概念動畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動畫運動捕捉物理模擬群體動畫323.1概念關(guān)鍵幀動畫序列中對象特定時刻形態(tài)的關(guān)鍵畫面例如動作的起始和終止畫面通過關(guān)鍵幀之間的插值形成連貫動畫序列源于早期WaltDisney卡通畫的制作33關(guān)鍵幀中間插值3.1概念關(guān)鍵幀技術(shù)在早期的動畫制作室，高級動畫師設(shè)計卡通片中的關(guān)鍵幀，然后由助理動畫師設(shè)計中間幀關(guān)鍵幀技術(shù)最初僅僅用來插值幀與幀之間卡通畫的形狀，不久該技術(shù)發(fā)展成為可以用來插值影響運動的任何參數(shù)343.1概念關(guān)鍵幀插值在關(guān)鍵幀之間生成連續(xù)變化的中間畫面插值參數(shù)域顏色（溶解）形狀（形變）插值連續(xù)性線性插值樣條插值353.1概念線性插值給定一個物體在兩個關(guān)鍵幀上的頂點v1

和v2在

t時刻的頂點

vt

可以用如下公式計算36不真實大部分物體不是以直線運動的大部分運動隨時間不是線性的位置連續(xù)，但是速度不連續(xù)！3.1概念線性插值收縮（Shrinkage）和扭結(jié)（Kink）現(xiàn)象373.1概念樣條插值用戶先設(shè)計好物體運動軌跡的關(guān)鍵位置點利用樣條曲線進行擬合Hermite曲線Bezier曲線Catmull-Rom曲線B-splines,NURBS曲線383.2基于形變的插值方法3.2.1內(nèi)在形狀插值的多邊形漸變問題：給定起始和終止圖像上的多邊形作為關(guān)鍵幀形狀，如何漸變的形狀變化思想：利用多邊形的內(nèi)在表示進行插值來產(chǎn)生形變39烏龜幾何定義多邊形3.2基于形變的插值方法3.2.1內(nèi)在形狀插值的多邊形漸變?yōu)觚攷缀味x多邊形403.2基于形變的插值方法3.2.1內(nèi)在形狀插值的多邊形漸變?yōu)觚攷缀味x多邊形內(nèi)在形狀插值413.2基于形變的插值方法3.2.1內(nèi)在形狀插值的多邊形漸變結(jié)果42起始幀結(jié)束幀3.2基于形變的插值方法3.2.2形狀保持的圖像形變插值問題：給定起始和終止圖像作為關(guān)鍵幀，如何在形變過程中盡可能保持形狀較少改變思想：利用平面形狀的剛性變換進行形變剛性變換：保持度量（長度+角度）不變的幾何變換433.2基于形變的插值方法3.2.2形狀保持的圖像形變插值方法：在剛性變換空間進行局部矩陣插值關(guān)鍵幀圖像轉(zhuǎn)化為平面三角網(wǎng)格三角形之間的變換采用剛性變換插值443.2基于形變的插值方法3.2.2形狀保持的圖像形變插值方法：在剛性變換空間進行局部矩陣插值通過變換矩陣的極分解計算剛性變換分量和尺度伸縮分量453.2基于形變的插值方法3.2.2形狀保持的圖像形變插值方法：在剛性變換空間進行局部矩陣插值線性插值旋轉(zhuǎn)角度和尺度因子，生成中間變換矩陣46頂點線性插值剛性變換插值3.2基于形變的插值方法3.2.2形狀保持的圖像形變插值結(jié)果473.2基于形變的插值方法3.2.3形狀保持的三維網(wǎng)格形變插值問題：三維網(wǎng)格發(fā)生形變時局部保持形狀盡可能小的扭曲，以及形變的連續(xù)性思想：采用As-rigid-as-possible（ARAP）能量函數(shù)，驅(qū)使三維網(wǎng)格發(fā)生形變時局部遵循剛性變換（旋轉(zhuǎn)）約束48ARAP能量函數(shù)形式3.2基于形變的插值方法3.2.3形狀保持的三維網(wǎng)格形變插值方法：SR(Smooth-rotationenhanced)-ARAP49極分解3.2基于形變的插值方法3.2.3形狀保持的三維網(wǎng)格形變插值結(jié)果（Demo）50提綱基本概念動畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動畫運動捕捉物理模擬群體動畫基于深度學(xué)習(xí)的動畫514.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型人、動物等角色具有明顯的關(guān)節(jié)特征，關(guān)節(jié)動畫是實現(xiàn)這類角色動畫不可缺少的部分。524.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型人、動物等角色具有明顯的關(guān)節(jié)特征，關(guān)節(jié)動畫是實現(xiàn)這類角色動畫不可缺少的部分。534.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型把關(guān)節(jié)角色表示為一系列通過關(guān)節(jié)（joints）相連接的連桿（links）。54節(jié)點-物體部件4.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型自由度（DegreesofFreedom，DOF）完全指定一個物體運動所需的最小坐標數(shù)目55節(jié)點-物體部件4.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型單自由度關(guān)節(jié)允許在一個方向運動2自由度關(guān)節(jié)3自由度關(guān)節(jié)n自由度關(guān)節(jié)56節(jié)點-物體部件4.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型人體模型的自由度根節(jié)點：3平移自由度+3旋轉(zhuǎn)自由度每個關(guān)節(jié)至多3個自由度肩關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)57節(jié)點-物體部件4.1基本概念4.1.1關(guān)節(jié)模型樹狀層次模型結(jié)構(gòu)節(jié)點：表示物體部件根節(jié)點：對應(yīng)于物體的根部，其位置在世界坐標系中給出其它節(jié)點：相對于根節(jié)點來表示連接?。罕硎緦哟谓Y(jié)構(gòu)中應(yīng)用于物體部件之間的關(guān)節(jié)或變換58節(jié)點-物體部件4.1基本概念4.1.2運動模型正向運動學(xué)（Forwardkinematics）從關(guān)節(jié)空間映射到笛卡爾空間反向運動學(xué)（Inversekinematics）從笛卡爾空間映射到關(guān)節(jié)空間59節(jié)點-物體部件4.1基本概念4.1.2運動模型正向運動學(xué)（Forwardkinematics）從根節(jié)點到葉節(jié)點進行深度優(yōu)先遍歷重復(fù)以下步驟，直到所有節(jié)點和連接弧都被訪問過對樹進行回溯，直到遇到一個未被訪問過的向下連接弧對向下連接弧進行遍歷60節(jié)點-物體部件4.1基本概念4.1.2運動模型正向運動學(xué)（Forwardkinematics）示例61節(jié)點-物體部件4.1基本概念4.1.2運動模型反向運動學(xué)（Inversekinematics）給定初始姿態(tài)向量和目標姿態(tài)向量，計算關(guān)節(jié)向量的值，使得物體滿足所需的姿勢62節(jié)點-物體部件4.2反向運動學(xué)動畫4.2.1解析求解法已知X和Y、L1和L2，求解和63節(jié)點-物體部件4.2反向運動學(xué)動畫4.2.1解析求解法已知X和Y、L1和L2，求解和64節(jié)點-物體部件4.2反向運動學(xué)動畫4.2.2數(shù)值求解法一般情況下復(fù)雜關(guān)節(jié)的IK是求解困難的要求自然的運動控制關(guān)節(jié)限制最小的抖動(minimumjerk)運動方式奇異問題(Singularities)病態(tài)方程(ill-conditioned)奇異方程Singular65節(jié)點-物體部件4.2反向運動學(xué)動畫4.2.2數(shù)值求解法給定初始姿勢和所需要的姿勢，迭代變化關(guān)節(jié)角，使得末端影響器朝目標位置和方向前進66節(jié)點-物體部件4.3骨架驅(qū)動皮膚動畫4.3.1骨架綁定角色的表面（外皮）必須隨著骨架的運動而運動（變形），稱為Rigging67節(jié)點-物體部件4.3骨架驅(qū)動皮膚動畫4.3.1骨架綁定皮膚的運動定義為對應(yīng)控制骨架的函數(shù)采用一個稱為中性姿勢或靜止姿勢（Restpose）的幾何信息68節(jié)點-物體部件4.3骨架驅(qū)動皮膚動畫4.3.2頂點混合（Vertexblending）重疊部分采用加權(quán)變換，按給定權(quán)重影響變形69節(jié)點-物體部件4.3骨架驅(qū)動皮膚動畫4.3.2頂點混合（Vertexblending）重疊部分采用加權(quán)變換，按給定權(quán)重影響變形70節(jié)點-物體部件4.3骨架驅(qū)動皮膚動畫4.3.2頂點混合（Vertexblending）結(jié)果71節(jié)點-物體部件Demo提綱基本概念動畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動畫運動捕捉物理模擬群體動畫基于深度學(xué)習(xí)的動畫725.1概念運動捕捉（motioncapture）通過軟/硬件方式記錄、分析并處理人或其他物體動作的技術(shù)也稱動態(tài)捕捉、運動跟蹤等735.1概念運動捕捉（motioncapture）廣泛應(yīng)用于軍事、娛樂、體育、醫(yī)療、視覺等745.2方法運動捕捉系統(tǒng)主動式：系統(tǒng)本身發(fā)射信號用于探測動作，需要依附在肢體上的標記進行記錄電子機械式（Electromechanical）光纖（Opticalfiber）閃光標記（StrobingLED）被動式：系統(tǒng)本身不發(fā)射信號，無需標記光學(xué)式（Optical）755.2方法5.2.1主動式運動捕捉電子機械式通過機械裝置將傳感器附著在肢體上主要關(guān)節(jié)點處，形成連接在一起的測量結(jié)構(gòu)優(yōu)點實時捕捉?jīng)]有遮擋可捕捉的動作范圍大缺點可支持的動作類型有限采樣率相對較低

765.2方法5.2.1主動式運動捕捉電子機械式案例：侏羅紀公園恐龍行走、奔跑等動作通過捕捉人的運動獲取計算機建模的恐龍模型按照捕捉的動作產(chǎn)生動畫序列畫面775.2方法5.2.1主動式運動捕捉光纖式在數(shù)據(jù)手套中沿手指等布置光纖傳感器優(yōu)點沒有遮擋實時捕捉可捕捉小范圍的彎曲等運動缺點根據(jù)個體進行調(diào)整捕捉精度較低只適用于手的動作785.2方法5.2.1主動式運動捕捉閃光標記通過在較暗光照下拍攝附著在肢體上的閃光點跟蹤運動狀態(tài)優(yōu)點捕捉速度快捕捉精度高缺點只能在室內(nèi)有限光亮環(huán)境使用存在肢體遮擋捕捉動作的精度受相機位置影響795.2方法5.2.2被動式運動捕捉光學(xué)圖像式（Demo）通過拍攝視頻重建三維動作序列優(yōu)點捕捉速度快設(shè)備簡單缺點受光照等影響存在肢體遮擋捕捉動作的精度80提綱基本概念動畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動畫運動捕捉物理模擬群體動畫基于深度學(xué)習(xí)的動畫815.1概念定義通過動畫產(chǎn)生的物理過程的模擬，生成連續(xù)變化的動畫序列，使其滿足物理規(guī)律從物理學(xué)角度研究計算機動畫中的運動規(guī)律826.2粒子系統(tǒng)自由曲面或網(wǎng)格無法有效表示不規(guī)則或隨機變化的形體（云、霧、流體等）粒子系統(tǒng)1983年，盧卡斯電影公司Reeves提出采用粒子作為基本單位，通過其集合體表達一定形狀的形體粒子：點、球、橢球、立方體、圓等形狀836.2粒子系統(tǒng)基本原理假設(shè)粒子一般與其它粒子不碰撞除非處于聚集狀態(tài)，粒子不向其它粒子投射陰影粒子只向其它環(huán)境投射陰影粒子不反射光粒子通常有有限的生命周期846.2粒子系統(tǒng)基本原理粒子生命周期新生態(tài)：剛創(chuàng)建的粒子所處的狀態(tài)（初始化）成長態(tài)：在生命值內(nèi)的粒子屬性的變化狀態(tài)死亡態(tài)：存在時間超過生命值后的狀態(tài)85創(chuàng)建新粒子初始化粒子屬性改變粒子屬性新生態(tài)成長態(tài)死亡態(tài)6.2粒子系統(tǒng)新生態(tài)對于某一瞬間的畫面，新的粒子會根據(jù)一個控制的隨機過程加入系統(tǒng)86平均粒子數(shù)方差隨機函數(shù)6.2粒子系統(tǒng)成長態(tài)每個粒子根據(jù)其初始狀態(tài)和隨機過程，通過屬性的變化產(chǎn)生新的狀態(tài)，以此得到一幀新的畫面87(a)粒子光源(b)紋理廣告牌6.2粒子系統(tǒng)死亡態(tài)系統(tǒng)會刪除那些已經(jīng)超出其生命周期的粒子生命周期結(jié)束淡出移走886.2粒子系統(tǒng)結(jié)果（Demo）89提綱基本概念動畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動畫運動捕捉物理模擬群體動畫基于深度學(xué)習(xí)的動畫907.1概念在生物界，許多動物如鳥、魚等以某種群體的方式運動。這種運動既有隨機性，又有一定的規(guī)律性群體動畫Reynolds提出的群體動畫包含兩個對立的因素，即既要相互靠近又要避免碰撞。他用三條按優(yōu)先級遞減的原則來控制群體的行為：碰撞避免原則，即避免與相鄰的群體成員相碰；速度匹配原則,即盡量匹配相鄰群體成員的速度；群體合群原則,即群體成員盡量靠近。917.1概念群組在同一物理環(huán)境下?lián)碛邢嗤康牡囊蝗簜€體，他們的行為有別于作為單獨個體時的行為層次群：crowdbehaviors組：groupbehaviors個體：individualbehavior927.1概念動畫效果得到大場面的視覺震撼效果動漫設(shè)計和影視特技中，不可避免地會遇到大規(guī)模群體動作場面的制作問題兩軍對壘中的數(shù)十萬大軍沖鋒的效果、獸群、鳥群等，請群眾演員成本高、指揮調(diào)度難、拍攝困難等。減少動畫師的工作量，節(jié)約成本93花木蘭貞觀之治7.2Flock-and-Boid模型傳統(tǒng)例子系統(tǒng)基本形狀簡單：點、球、橢球、立方體、圓…

行為簡單：物理運動Flock-and-Boid模型Flock：具有整體對齊、非碰撞、聚集運動的一組物體Boid：模擬類似于鳥、魚等的物體94FlockBoid7.2Flock-and-Boid模型Boid每一個Boid個體應(yīng)該具有鳥的大致形狀個體在飛行時沿著一條路徑進行動態(tài)、增量和剛性運動95(a)避免碰撞(b)速度匹配(c)群體合群7.2Flock-and-Boid模型Flock合群原則Boid局部感知的群體中心是相鄰個體子集的中心越靠近群體邊緣的Boid個體，受局部感知的影響越大群體允許分裂和合并967.3社會力模型人群聚集的群體行為環(huán)境的物理約束社會心理學(xué)影響恐慌狀態(tài)下的“羊群效應(yīng)”977.3社會力模型2000年《Nature》社會力模型基于牛頓力學(xué)來描述受社會心理學(xué)影響的個體之間的相互作用主觀心理Fi其他個體Gi環(huán)境Hi987.3社會力模型2000年《Nature》社會力模型主觀心理Fi（自身驅(qū)動力）99行人i的實際速度時間間隔行人質(zhì)量期望運動速度期望運動方向7.3社會力模型2000年《Nature》社會力模型其他個體Gi1007.3社會力模型2000年《Nature》社會力模型環(huán)境Hi101Demo提綱基本概念動畫制作關(guān)鍵幀插值關(guān)節(jié)動畫運動捕捉物理模擬群體動畫基于深度學(xué)習(xí)的動畫1028.1動畫制作中的深度學(xué)習(xí)動畫：從輸入對象模型到輸出動畫序列的一種映射。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：從輸入到輸出的隱式表示1038.2基于自編碼器的關(guān)節(jié)動畫學(xué)習(xí)自編碼器（Autoencoder，AE）在無監(jiān)督學(xué)習(xí)和半監(jiān)督學(xué)習(xí)中卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⑤斎氲男畔⒆鳛閷W(xué)習(xí)目標，實現(xiàn)輸入信息的有效表征。1048.2基于自編碼器的關(guān)節(jié)動畫學(xué)習(xí)關(guān)節(jié)動畫表示105n動畫序列幀數(shù)；m所有關(guān)節(jié)自由度關(guān)節(jié)運動特征的低維流形表示每一層操作：8.2基于自編碼器的關(guān)節(jié)動畫學(xué)習(xí)關(guān)節(jié)運動修復(fù)與關(guān)鍵幀插值106帶噪運動真實運動修復(fù)運動關(guān)鍵幀插值Demo參考文獻107ComputerAnimation:AlgorithmsandTechniques.Parent,R.2002.UnderstandingMotionCaptureforComputerAnimationandVideoGames.Menache,Alberto.2010Markerlessbasedhumanmotioncapture:asurvey.J.Bray.Asurveyonhumanperformancecaptureandanimation.S.Xia,L.Gao,Y.Lai,M.Yuan,J.Chai.JCST,2017.TheArtof3DComputerAnimationandEffects,3rdEdition.KerlowIV.WileyInc.2004.AdvancedAnimationandRenderingTechniques:TheoryandPractice.WattA.,WattM.:AddisonWesley.1992.參考文獻108As-rigid-as-possibleshapeinterpolation.M.Alexa,D.Cohen-Or,D.Levin.Siggraph,2000.Smoothrotationenhancedas-rigid-as-possiblemeshanimation.Z.Levi,C.Gotsman.IEEETVCG,2015.Particlesystems—atechniqueformodelingaclassoffuzzyobjects.W.Reeves.ACMTOG,1983.計算機圖形學(xué)第十章基于GPU的圖形計算供《現(xiàn)代計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)》配套使用109提綱圖形處理器GPU數(shù)值計算GPU快速建模GPU實時繪制1101.1概念1.1.1

GraphicsProcessingUnit圖形處理器，由數(shù)以千計的更小、更高效的核心（專為同時處理多重任務(wù)而設(shè)計）組成的大規(guī)模并行計算架構(gòu)1111.1概念1.1.1

GraphicsProcessingUnit硬件結(jié)構(gòu)Streamingprocessor(SP)：指令和任務(wù)處理的最基本單元Streamingmultiprocessor(SM)：多個SP和內(nèi)存、寄存器等資源Warp：執(zhí)行程序的調(diào)度單位軟件結(jié)構(gòu)Thread（線程）Block（線程塊）Grid（線程網(wǎng)格）1.1概念1.1.1

GraphicsProcessingUnitGPUvs.CPUGPU：單一性，眾多ALU，很少控制器，很少Cache，獨自寄存器CPU：通用性，很少ALU，較多控制器，眾多Cache，公用寄存器1131.1概念1.1.2GPU并行處理利用眾多的計算核心，通過流式并行計算模式，同一時刻并行處理多個數(shù)據(jù)，解決極高的運算密度、并發(fā)線程數(shù)量和頻繁地存儲器訪問等數(shù)據(jù)訪問和計算問題計算密集型任務(wù)：頻繁的寄存器運算易于并行的任務(wù)：同時的數(shù)據(jù)處理1141.1概念1.1.2GPU并行處理圖形學(xué)起源115光線跟蹤：forallpixels(i,j):Calculateraypointanddirectionin3dspace；ifrayintersectsobject: calculatelightingatclosestobject storecolorof(i,j)1.2GPU的發(fā)展1.2.1GPU發(fā)展第1代：3dfxVoodoo(1996)第一款3D游戲視頻卡幾何元素操作在CPU部分片元操作在GPU紋理映射Z-緩存1161.2GPU的發(fā)展1.2.1GPU發(fā)展第2代：GeForce7500(1998)幾何元素操作轉(zhuǎn)移至GPU支持多種類型的紋理映射凹凸映射環(huán)境光映射使用AGP取代PCI進行數(shù)據(jù)傳輸1171.2GPU的發(fā)展1.2.1GPU發(fā)展第3代：GeForce3(2001)頂點著色器，第一次允許幾何操作GPU編程支持更多類型的紋理映射體紋理多重采樣1181.2GPU的發(fā)展1.2.1GPU發(fā)展第4代：GeForce6(2003)完全GPU編程頂點著色器和片元著色器可直接訪問紋理內(nèi)存1191.2GPU的發(fā)展1.2.1GPU發(fā)展第5代：GeForce8800(2006)通用計算目的的圖形處理器(GPGPU)出現(xiàn)引入幾何著色器(geometryshader)1201.2GPU的發(fā)展1.2.2GPU計算能力的發(fā)展2008年~2017年，GPU計算能力提升7倍，而CPU計算能力僅提升不到2倍1211.3CUDA的發(fā)展NVIDIA公司開發(fā)的并行計算平臺和編程模型CUDA指令集架構(gòu)（ISA）GPU顯卡內(nèi)部計算1221.3CUDA的發(fā)展2010年以前CUDA1.0~3.0支持C語言和C++語言編程Fermi構(gòu)架的GPU1231.3CUDA的發(fā)展2010年~2020年~CUDA11.0支持深度學(xué)習(xí)、高性能計算等Ampere構(gòu)架的GPU1241.3CUDA的發(fā)展2020年~至今~CUDA12.0GPU底層訪問Hopper/AdaLovelace構(gòu)架的GPU125提綱圖形處理器GPU數(shù)值計算GPU快速建模GPU實時繪制1262.1原理一般準則127程序代碼+GPUCPUUseGPUtoParallelize計算密集型任務(wù)RestofSequentialCPUCode2.1原理GPU執(zhí)行任務(wù)(CUDA)內(nèi)核(kernel)被喚醒，任務(wù)被分解為線程(thread)線程在GPU內(nèi)以線程網(wǎng)格(grid)和塊(block)的形式組織三維數(shù)組形式每一個格指定一個內(nèi)核128dim3dimBlock(8,8,8);dim3dimGrid(100,100,1);Kernel<<<dimGrid,dimBlock>>>(…);However,we'lloftenonlyworkwith1

dimensionalgridsandblockse.g.Kernel<<<block_count,block_size>>>(…);線程數(shù)=格數(shù)x塊數(shù)2.1原理GPU執(zhí)行任務(wù)(CUDA)內(nèi)核(kernel)被喚醒，任務(wù)被分解為線程(thread)線程在GPU內(nèi)以線程網(wǎng)格(grid)和塊(block)的形式組織三維數(shù)組形式每一個網(wǎng)格指定一個內(nèi)核每一個塊指定一個SM在SM內(nèi)部，塊分解為執(zhí)行共同指令的線程包(warp)在SM內(nèi)部，所有包同時執(zhí)

行1292.1原理GPU執(zhí)行任務(wù)(CUDA)130GPU心臟調(diào)度單位2.1原理GPU執(zhí)行任務(wù)(CUDA)內(nèi)存組成全局內(nèi)存：globalmem共享內(nèi)存：sharedmem局部內(nèi)存：localmem寄存器：register131GPU核心：NVIDIA全局內(nèi)存：SAMSUNGNvidiaGeForceGTX7802.1原理GPU執(zhí)行任務(wù)(CUDA)內(nèi)存訪問全局內(nèi)存：網(wǎng)格共享內(nèi)存：塊局部內(nèi)存：線程寄存器：線程1322.2通用數(shù)值計算并行計算例：數(shù)組遞增a[i]+1133定義一維塊的大小定義網(wǎng)格的數(shù)目線程的索引2.2通用數(shù)值計算并行計算例：數(shù)組遞增a[i]+1134數(shù)組大小a[34603008]CPU:156毫秒Intel(R)Core(TM)i5-2400CPU@3.10GHz3.10GHzGPU:49毫秒塊：256（一維）網(wǎng)格：32（一維）NVIDIAQuadro20002.2通用數(shù)值計算并行計算例：矩陣相加

a[i][j]+b[i][j]135定義2維塊和每個塊的二維線程集合每個線程認定操作的矩陣元素對象2.2通用數(shù)值計算并行計算例：矩陣相加

a[i][j]+b[i][j]136矩陣大小5120x5120CPU:203毫秒Intel(R)Core(TM)i5-2400CPU@3.10GHz3.10GHzGPU:70毫秒塊：256x256（二維）網(wǎng)格：20x20（二維）NVIDIAQuadro2000提綱圖形處理器GPU數(shù)值計算GPU快速建模GPU實時繪制1373.1基于GPU加速的NURBS建模思想利用GPU提高B樣條基函數(shù)計算效率。正向計算：通過已知的參數(shù)值u和v，求解NURBS曲面上對應(yīng)點的三維坐標(