计算机图形学第8章课后习题参考答案

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第八章



1．传统动画和计算机动画有什么不同？

传统动画采用手工方法制作，精度差且效率低；而计算机动画立体感强，可以改变视角、视距、视野及景深，具有明暗光线变化和阴影，使物体产生不同灰度和颜色渐变以及逼真的光照，可以产生纹理质感，且这些特点与效果是手工动画难以实现或不可能实现的。

2．计算机动画研究的内容是什么？



从目前国外对计算机动画的研究来看，计算机动画研究的具体内容可分为以下方面： （1）关键帧动画；

（2）基于机械学的动画和工业过程动画仿真； （3）运动和路径的控制； （4）动画语言与语义；

（5）基于智能的动画，机械人与动画； （6）动画系统用户界面；

（7）科学可视化计算机动画表现； （8）特技效果，合成演员；

（9）语言、音响合成，录制技术。

3．计算机动画应用前景如何？

（1）电影电视动画片制作 （2）辅助教学演示 （3）仿真模拟 （4）指挥调度演习 （5）医疗诊断 （6）游戏开发

4．从物体的物理属性角度出发，可以将动画划分为哪些类型？



按照动画物体自身物理属性的不同，三维动画也可以分为：刚体动画、软体动画、关节动画以及粒子动画等。



5．什么叫关键帧动画和算法动画？

关键帧动画是通过一组关键帧或关键参数值而得到中间动画帧序列 （1）形状插值：从关键帧本身而得到中间动画帧

（2）关键参数插值：通过插值物体模型关键参数数值来获得中间动画。

算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。

（1）运动学算法：由运动学方程确定物体的运动轨迹和速率。


（2）动力学算法：由力学方程确定物体运动形式。

（3）反向运动学算法：已知链接物末端位置和状态，反求运动方程以确定运动形式。 （4）反向动力学算法：已知链接物末端位置和状态，反求动力学方程以确定运动形式。 （5）随机运动算法：在某些场合下加进运动控制随机因素。

6．动画旋转都有哪些数学表示方式，为何要引入四元数的表示方式？



三维空间中的旋转可用 （1）旋转矩阵 （2）欧拉角

（3）四元数（Quaternions）等数学形式来表示。 旋转矩阵表示法在做插值运算时不能得到正确结果； 欧拉角中的旋转涉及固定的全局轴，一个轴的旋转毫不影响另一个轴向的旋转，可能会导致自由度的丢失，也就是所谓的万向节锁问题；

因此引入四元数表示方式。

7．简述碰撞检测技术及其在动画中的重要作用。



碰撞检测是计算机动画中需要解决的问题之一，它的核心任务是检测两个或多个物体彼此之间是否发生接触或进入。当前，三维几何模型越来越复杂，动画效果越来越逼真，同时人们对交互的实时性、场景的真实性的期望越来越高，这些都对碰撞检测技术提出了相应的要求。

8．简述基于AABB轴对齐包围体的碰撞检测算法。

AABB（Aligned Axis Bounding Box）其实是沿坐标轴的包围体，它是包含几何对象且各边平行于坐标轴的最小六面体。构造时根据物体的形状和状态取得坐标X，Y，Z方向上的最大最小值就能确定包围体最高和最低的边界点。检测两个AABB包围体是否相交非常简单，只要利用投影法：当且仅当三个坐标轴上的投影均重叠，两个AABB包围体才相交。只要存在一个方向上的投影不重叠，那么它们就不相交。所以检测两个AABB包围体是否相交最多只需要6次比较运算。

AABB包围体具有建构简单快速、相交测试简单、内存开销少的优点，能较好地适应可变形物体实时更新层次树的需要，但AABB也存在包围物体不够紧密，在一些情况时将出现较大的空隙，从而导致层次二叉树的节点冗余，对碰撞检测效率有较大影响。

9．什么是运动捕捉技术，简述其系统主要组成。

运动捕捉（Motion Capture）是指通过利用专门的传感器设备测量、跟踪并记录真实人体（或其他物体）在三维空间中的关键运动轨迹，并将其转化为抽象的数字化运动数据，然后利用这些数据来驱动虚拟的动画角色，以重现原来的表演动作。

典型的运动捕捉设备由传感器、信号捕捉设备、数据传输设备、数据处理设备等组成。

10．简述运动捕捉系统的不同类型及其原理。

（1）光学式运动捕捉系统

从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部摄相机所见，则根据同一时刻

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