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    第五届中国计算机图形学大会,2004 年 9 月 23 日~26 日,西安
    "花之舞"——基于弹性模型的虚拟植物舞蹈动画系统*
    李昌智 胡包钢 陈翀
    (中国科学院自动化研究所 模式识别国家重点实验室 北京 100080) (中国科学院研究生院 北京 100080) 摘 要:本文建立了一个基于弹性模型的虚拟植物舞蹈动画系统——"花之舞" .植物的运动模拟是真实感虚拟世 界中的重要组成部分, 而本文所作的音乐背景下植物体虚拟舞蹈动画则是建立在真实感植物体运动基础之上的首次 尝试.本文采用角色动画的层次骨架模型来建模植物体的运动.为真实地表现底层的基本的植物运动,我们利用基 于物理的弹性关节和弹性骨架模型,表现出植物根,茎,叶,花等器官所特有的弹性振动;为了夸张地运用拟人化 的手法展示植物体的虚拟舞蹈, 我们又采用交互式脚本驱动的方式, 让用户参与不同风格的舞蹈动作与姿态的设计. 针对层次关节模型运动控制复杂度高的问题,本文根据植物运动的特殊性,简化模型求解,将计算量降低至线性时 间复杂度,并在 PC 机上实现交互式实时动画. 关键词:计算机动画;基于物理的模型;实时;植物;数字艺术
    1 引言
    相信大多数人在孩童时代一定看过这样的卡通 电影片断:赋予了生命的花草在音乐的伴奏下翩翩 起舞,花草树木像人一样随着曲子变换身形,扭动 腰肢.著名的迪斯尼卡通电影《幻想曲》中就有这 样的片断.与音乐完美结合的动画通常比无声的动 画给人留下更深刻的印象.将传统的计算机动画与 音乐相结合,探索音乐与动画的深层联系是科学家 也是艺术家共同的话题.本文的工作,是对音乐与 动画结合的一次初步探索.我们以植物角色为例, 以动画与音乐的结合为出发点,讨论了如何结合人 的艺术天赋,利用计算机将动画和音乐完美的结合 在一起,给出了一个具有艺术感染力的虚拟舞蹈动 画的计算机自动生成方法,并在 PC 机上实现了一 个虚拟植物舞蹈动画系统"花之舞" (英文名称为 "docsou.comg Flora". ) 在计算机图形学领域,关于植物的建模和真实 感绘制一直是研究的热点之一.人们做了大量卓有 成效的工作,然而有关植物动画的研究却不多见, 而多数工作是关注于植物的生长动画[8],具有真实 感的植物运动模拟由于具有较高的运动复杂度和场 景复杂度,对这类运动的描述,控制和实现因而具 有较大的困难.而且,由于植物具有较高的运动自 由度,给求解运动方程带来了很大的难度,实时动
    画就更加难以实现.冯金辉等[12]将植物枝条分解为 不动枝条,可动枝条和波动枝条,采用非线性力学 理论和波动理论来求解可动枝条和波动枝条的运 动.由于模型采用基于物理的运动控制,因而植物 体的运动具有较高的真实感.但是模拟植物运动的 方程求解过程非常复杂,很难实现实时和交互.本 文所给出的方法,对植物的枝条和器官(包括花, 叶等)统一建模,统一求解,不仅实现实时动画, 还可以作为静态植物形态建模的一种方法,将建模 与动画有机地统一起来[9]. 产生运动主要有两类方法:1)运动捕捉,运动 合成,2)建立参数化的计算模型[10].前一种方法虽 然能够得到具有真实感的运动序列,但是需要复杂 的硬件设备,编辑合成新的运动不仅是一项非常繁 琐的工作,而且想要明显改变原有的捕捉到的运动 还非常困难[7].第二种方法虽然比较适宜建立物理 上真实的运动模拟,但是往往很难对复杂模型,比 如人,动物,植物等建立合适的统一的参数化运动 控制方法.在本文中,我们提出弹性骨架模型,并 将之应用到植物的骨架建模和运动控制中,结合植 物运动的特点,将模型加以简化,推导出具有线性 时间复杂度的快速算法.通过改变具有物理意义的 模型控制参数,可以生成几乎无限种运动姿态,实 现具有视觉冲击效果的交互式实时动画.
    国家自然科学基金资助项目NSFC(#60121302).
    李昌智等:基于弹性模型的植物虚拟舞蹈动画
    几 何面片 装载 音 乐 (WAV or MIDI)
    几 何模型
    基本姿 态库
    舞蹈脚 本编制
    基于 物理 的 运动 控制 方法
    姿态 转换 (局 部运动 模型) 全局 运动 模型 脚本解 释与 舞蹈动 作合 成 模块
    几 何及 运 动数据 动 画渲染 模块 动画 序列
    弹 性骨 架模型
    群组舞 蹈 模型
    骨架 建立
    图 1 "花之舞"系统总体框架图 本文的植物动画系统能够实现与音乐和谐的计 算机动画.不过与大多数流行的虚拟舞蹈系统用虚 拟人作为其动画角色不同,我们这里采用拟人化的 植物作为舞蹈演员,表现人所不能表现的更具想像 力的虚拟的舞蹈.随着音乐起舞要求舞蹈与音乐必 须有较好的同步,协调和统一.虽然可以利用音乐 识别,节拍跟踪的方法[2,4,6]来实现对舞蹈节奏的自 动调整,但是这些方法都还不太成熟,我们在系统 中采用人工设定音乐节奏信息的办法来实现音乐与 舞蹈的同步. 样有明显骨架的角色运动控制,而且植物体本身并 没有关节的概念,我们仍然可以通过建立一个较为 密集的关节骨架树来控制植物这样有着天然树状 层次结构的物体的运动.这里用来控制植物的关节 模型与一般的关节模型有所不同,我们引入弹性理 论和有限元分析方法的思想,将骨架中的每一个关 节都看作具有弹性的弹性关节.

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