基于可编程硬件的骨骼蒙皮动画的设计与实现

摘要

角色动画是最近十年来计算机科学最活跃的领域之一，它广泛应用于虚拟现实、计算机辅助设计、广告媒体和数字娱乐等诸多领域。随着计算机硬件技术的发展，特别是消费级别的带有硬件加速功能的显卡技术的发展，实时角色动画逐渐获得了越来越广泛的应用。实时角色动画具有巨大的经济前景和理论研究意义。本文对可编程图形硬件和实时角色动画做了深入研究，给出了现在使用最为广泛的实时角色动画——骨骼蒙皮动画在可编程图形硬件上的设计实现。 实时角色动画分为三种：关节动画、单一网格模型动画和骨骼蒙皮动画，本文对这三种动画技术做了深入研究。骨骼蒙皮动画可被看作关节动画和单一网格模型动画的结合，它不但具有前两种动画的优点，同时克服了前两种动画的缺点。但是骨骼蒙皮动画使用的顶点混合技术需要大量的矩阵运算，以前这是由CPU来实现的，这给CPU造成了极大的负担，降低了动画的实时性。现在可编程硬件图形硬件的发展为解决这一问题提供了可能。 本文对可编程图形硬件及其编程语言和编程方法做了详细介绍。目前图形硬件中的图形处理器(GPU)计算能力的增长速度已经超过了CPU计算能力的增长速度，图形硬件技术一个重大突破就是在图形硬件中引入了可编程功能，该功能允许开发人员编制自己的着色器程序(Shaderprogram)来替换原来固定流水线中的某些功能模块，以实现更为灵活的功能。虽然GPU具有非常高的计算速度，但并不能将以前在CPU中实现的算法直接放到GPU中来执行，这是因为GPU的指令执行方式和CPU不一样，GPU的体系结构是一种高度并行的单指令多数据(SIMD)指令执行体系，所以要在可编程图形硬件上实现在CPU中效率不高的算法，就需要重新制定算法实现的数据结构和步骤，以充分利用GPU并行处理体系结构带来的性能优势。本文首先给出了基于CPU的骨骼蒙皮动画的设计实现，对其中可放到GPU中算法进行了分析，给出了基于GPU的骨骼蒙皮动画的设计实现，实现的测试结果表明基于GPU的骨骼蒙皮动画比基于CPU的骨骼蒙皮动画帧率要高出很多，极大提高了骨骼蒙皮动画的实时性。本文还给出了动画混合技术的实现，这是通过对骨骼的本地变换进行按比例混合来实现的，这一实现不仅增加了动画动作，还提高了动画质量。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明和关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1计算机动画概况与现状

1.2实时角色动画

1.2.1实时角色动画分类

1.2.2骨骼蒙皮动画存在的问题及解决方法

1.3可编程图形硬件

1.3.1可编程图形硬件的发展

1.3.2着色语言综述

1.4本文的主要研究工作

1.5论文的章节结构

第二章实时角色动画技术研究

2.1实时角色动画分类

2.2关节动画

2.3单一网格动画

2.4骨骼蒙皮动画

2.4.1骨骼蒙皮动画的创建

2.4.2骨骼蒙皮动画的驱动

2.4.3骨骼蒙皮动画的分析研究

第三章可编程图形硬件着色语言研究

3.1可编程图形硬件研究

3.2图形硬件的图形流水线

3.2.1固定功能的图形流水线

3.2.2可编程的图形流水线

3.3着色语言的选取

3.4 HLSL优点

3.5编写着色程序

3.5.1 HLSL数据类型

3.5.2 HLSL操作符

3.5.3 HLSL内建函数

3.5.4用户定义函数

3.6顶点着色器

3.6.1顶点声明

3.6.2顶点数据用途

3.6.3使用顶点着色器的步骤

3.7像素着色器

3.7.1像素着色器输入和输出

3.7.2使用像素着色器的步骤

3.7.3释放像素着色器

3.8效果框架(Effect Framework)

3.8.1 Techniques和过程(Passes)

3.8.2使用effect

3.9骨骼蒙皮动画使用可编程图形硬件的分析

第四章骨骼蒙皮动画的设计

4.1骨骼蒙皮动画设计思想

4.2骨骼蒙皮动画的数学基础

4.2.1向量

4.2.2矩阵

4.2.3四元数

4.3骨骼蒙皮动画角色模型的数据表示

4.3.1骨骼蒙皮动画角色模型的骨架

4.3.2骨骼蒙皮动画角色模型的蒙皮

4.3.3骨骼蒙皮动画的动画信息

4.4骨骼蒙皮动画的驱动

4.4.1关键帧插值

4.4.2用顶点混合技术实现蒙皮

4.4.3绘制角色网格

第五章基于可编程图形硬件的骨骼蒙皮动画的实现

5.1基于CPU的骨骼蒙皮动画的实现

5.1.1模型文件读取

5.1.2动画插值

5.1.3计算当前骨架位置

5.1.4计算当前的网格顶点

5.1.5绘制当前网格

5.2基于可编程图形硬件的骨骼蒙皮动画的实现

5.2.1基于CPU骨骼蒙皮动画的缺点及解决方法

5.2.2基于可编程图形硬件的骨骼蒙皮动画的设计方案

5.2.3基于可编程图形硬件的骨骼蒙皮动画类的实现

5.3骨骼蒙皮动画的增强

5.4程序结果及分析

第六章结束语

致谢

参考文献

个人简历、在校期间的研究成果及发表的学术论文