基于细节层次法的人群动画系统的研究与实现

摘要

本文研究并且实现了基于细节层次法的人群动画系统。这个系统将人体动画技术，细节层次法以及人群模拟技术结合起来，形成一个能够实时地模拟人群漫游和疏散的人群动画系统。 人群动画系统在影视，娱乐，建筑安全性设计方面有越来越广泛的应用。本文的研究主要是基于建筑安全性设计的，是为了2008年奥运动会的奥运场馆的安全性设计而研究的。奥运场馆是非常规的超大建筑，也是人群集中的地方。当人群的数量过多，容易造成秩序混乱而发生危险。当场馆发生诸如爆炸、火灾、毒气泄漏等灾害时，更加容易出现危险的情况。在这样的情况下就要考虑到安全性的设施和应急方案。人群动画系统可以逼真地模拟人群漫游和疏散的全过程，通过模拟可以改进奥运场馆的安全性的设施和应急方案。在现阶段来说，人群动画系统是一种较好的设计安全设施和应急方案的方法。 本文的人群动画系统首先建立了人体动画平台。然后为了实时绘制，采用细节层次法将人体动画平台需要的的动作数据以及几何数据都进行了简化，根据简化的程度形成了不同细节层次的数据。最后分析了人群以及人群中单个人体的特殊行为。在模拟单个人体的行为时，调用相应细节层次的数据，用人体动画平台来绘制单个人体的动画。 本文中的人体动画系统通过读入动作捕获文件bvh得到人体的动作数据和骨骼数据，然后根据这些数据控制人体骨骼的运动，从而控制人体几何模型的运动。细节层次法综合了动作细节层次法和几何细节层次法。其中对GRANIERIPJ[1]提出的动作细节层次法进行了改进，通过删减关节点和减少帧数简化动作数据。删减关节点直接删减了关节点的动作数据，删减之后，用最优化的方法将删减之后的动作与之前的动作对齐。减少帧数采用了IkSooLim[2]等人提取关键帧的方法，通过提取关键帧去掉非关键帧的动作数据。几何细节层次法采用了二次误差矩阵的方法来简化几何数据。并且，为了避免出现变形，对特殊的顶点作了特殊的处理。人群模拟的方法采用的是soraia[3]等人的方法，建立人群的分层结构并模拟了人群的行为。 实验数据表明本文的人群动画系统能够逼真地模拟人群疏散和漫游的场景，并且能够达到实时绘制的效果。特别是当人群数量较大时，不仅有较快的速度而且有较强的真实感。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1研究意义及背景

1.2研究现状

1.2.1人群模拟技术

1.2.2细节层次

1.2.3人体动画技术

1.3本文的贡献

1.4本文的组织安排

第二章人体动画的原理

2.1关节链的运动以及求解

2.1.1数学表示

2.1.2运动求解

2.2动作捕获技术

2.3基于bvh的动画与实现

2.3.1 bvh文件

2.3.2几何数据

2.3.3算法结构

2.4小结

第三章动作细节层次法

3.1删减关节点

3.1.1删除关节点

3.1.2对齐

3.2减少帧数

3.2.1提取关键帧

3.3小结

第四章几何细节层次法

4.1二次误差矩阵的边折叠法

4.1.1选取对点

4.1.2二次误差矩阵

4.1.3对点的合并

4.1.4算法

4.2相邻段的处理

4.3小结

第五章人群动画系统

5.1人群模拟

5.1.1人群结构

5.1.2团体的行为

5.2人群动画系统的设计以及实现

5.3试验结果及分析

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致 谢