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1、第第7 7章章 仿真及动画技术仿真及动画技术 7.1 7.1 仿真概念仿真概念 仿真仿真/模拟模拟：表示：表示“模拟真实世界模拟真实世界”。系统仿真系统仿真：是指用仿真技术来研究各种系统。它：是指用仿真技术来研究各种系统。它是以是以相似原理、系统技术、信息技术相似原理、系统技术、信息技术及应用领及应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用理效应设备为工具，利用系统模型系统模型对真实的或对真实的或设想的系统进行设想的系统进行动态实验动态实验研究的一门多学科的研究的一门多学科的综合技术。综合技术。对仿真问题的描述对仿真问题的描述：任
2、何一个仿真问题都由模型：任何一个仿真问题都由模型与实验两部分组成。数字模型又都由两部分组成：与实验两部分组成。数字模型又都由两部分组成：一个参数模型及一组参数值。一个参数模型及一组参数值。行为产生器行为产生器：它是一套对模型进行实验的软件。：它是一套对模型进行实验的软件。模型行为及对它的处理模型行为及对它的处理：点行为、轨迹行为以：点行为、轨迹行为以及结构行为。及结构行为。仿真三基本要素：仿真三基本要素：建建 模模试试 验验分分 析析仿真的基本概念框架仿真的基本概念框架 ：仿真的三个要素的关系仿真的三个要素的关系 ：7.2 仿真的发展方向仿真的发展方向 改善建模环境改善建模环境:模块化、结构化
3、建模环境；图形模块化、结构化建模环境；图形建模技术；建模专家系统建模技术；建模专家系统。一体化一体化 ：仿真是一个建模仿真是一个建模实验实验分析分析修改模修改模型型再实验再实验分析分析不断反复的过程，它涉及不断反复的过程，它涉及多各软件。多各软件。仿真数据库仿真数据库：动画动画：实现仿真结果分析到建模的自动反馈：实现仿真结果分析到建模的自动反馈：基于信息处理的仿真基于信息处理的仿真：7.3 图形技术在仿真中的应用图形技术在仿真中的应用 （1）图形技术在仿真中的三方面应用）图形技术在仿真中的三方面应用 辅助建模辅助建模 动画显示仿真结果动画显示仿真结果 试验后显示仿真结试验后显示仿真结果果 有三
4、类图形经常被用于仿真过程中：有三类图形经常被用于仿真过程中：表达图表达图：用来表示和显示仿真输出信息和仿真结果。：用来表示和显示仿真输出信息和仿真结果。流程图流程图：它是将一些符号放在屏幕上，用来描述系统：它是将一些符号放在屏幕上，用来描述系统的逻辑关系。的逻辑关系。肖像图肖像图：这种图用来描述被仿真的实际关系的物理：这种图用来描述被仿真的实际关系的物理状态。如果状态。如果“肖像肖像”模型在仿真过程中能显示系统的活模型在仿真过程中能显示系统的活动及其特征，则称为动及其特征，则称为“动画动画”（AnimationAnimation）。）。（2）图形建模）图形建模 动画的最基本构成是动画画面，而动
5、画画面则是由动画的最基本构成是动画画面，而动画画面则是由描述系统的一个或多个图示对象组合而成的，画面的图描述系统的一个或多个图示对象组合而成的，画面的图示对象划分为静态和动态两类。示对象划分为静态和动态两类。静态对象静态对象：构成动画画面的背景，用于描述在动画仿真：构成动画画面的背景，用于描述在动画仿真期间静止不动的画面成分。期间静止不动的画面成分。动态对象动态对象：叠印在静态对象之上，用来描述在动画仿真：叠印在静态对象之上，用来描述在动画仿真期间改变大小、颜色、位置或在原位置旋转、闪烁的图期间改变大小、颜色、位置或在原位置旋转、闪烁的图示对象。示对象。7.4 动画的原理动画的原理 计算机动画
6、是将图形、图案、画面或者其中的计算机动画是将图形、图案、画面或者其中的一部分现实在屏幕上，并按照一定的规律或者预定一部分现实在屏幕上，并按照一定的规律或者预定的要求在屏幕上移动、变换，从而使计算机显示出的要求在屏幕上移动、变换，从而使计算机显示出的图形动态地变化。因此，动画实际上是动画对象的图形动态地变化。因此，动画实际上是动画对象重复地进行图形变换操作的结果。重复地进行图形变换操作的结果。一般情况下，这种变换由程序来实现，显示出一般情况下，这种变换由程序来实现，显示出动画对象的图形，然后进行变换，再擦除原来的图动画对象的图形，然后进行变换，再擦除原来的图形，再将变换的显示出来，如此循环下去，
7、类似于形，再将变换的显示出来，如此循环下去，类似于动画片的制作过程。动画片的制作过程。7.5 动画效果的影响因素动画效果的影响因素 计算机动画效果主要由动画的计算机动画效果主要由动画的显示速度显示速度和和画面画面的真实感的真实感决定。而动画的显示速度和画面的真实感决定。而动画的显示速度和画面的真实感又受许多因素影响，主要有图形：又受许多因素影响，主要有图形：适配器、图形加速卡、适配器、图形加速卡、cpu的时钟频率、内存容量、的时钟频率、内存容量、显示分辨率、颜色数、建模、算法及运行平台显示分辨率、颜色数、建模、算法及运行平台等因等因素。素。7.6 动画的分类动画的分类过程动画过程动画：指依据程
8、序员或用户提供的指令进行的：指依据程序员或用户提供的指令进行的动画，这些指令有时被称为文本。动画的主体通动画，这些指令有时被称为文本。动画的主体通常称为实体，他们代表有生命的货物声明的东西。常称为实体，他们代表有生命的货物声明的东西。实体按照一条由程序用户所描述的运动轨迹运动。实体按照一条由程序用户所描述的运动轨迹运动。运动动画运动动画：指与物理规律：指与物理规律或者那些规律的简化描或者那些规律的简化描述相联系的动画，如反跳、碰撞、反弹以及其他述相联系的动画，如反跳、碰撞、反弹以及其他现象等都可以根据程序员提供的数学公式进行处现象等都可以根据程序员提供的数学公式进行处理。理。从动画画面的真实性
9、来分：从动画画面的真实性来分：动画可以分为二维图形的动画和三维图形的动画。动画可以分为二维图形的动画和三维图形的动画。三维动画分：三维动画分：三维线框图和三维实体图三维线框图和三维实体图的动画。从的动画。从图形技术上来讲，二维动画实现起来最简单，不存图形技术上来讲，二维动画实现起来最简单，不存在视角变换、消隐和阴影、纹理等问题。动画刷新在视角变换、消隐和阴影、纹理等问题。动画刷新速度越快，则三维动画越形象。三维实体图完全是速度越快，则三维动画越形象。三维实体图完全是仿造实际物体在人眼中的成象，其动画效果最形象、仿造实际物体在人眼中的成象，其动画效果最形象、最生动，但三维实体图的动画要进行消隐和
10、阴影处最生动，但三维实体图的动画要进行消隐和阴影处理，画面刷新的计算量很大；三维线框图则介于两理，画面刷新的计算量很大；三维线框图则介于两者之间，比二维图形更形象，不如三维图象生动。者之间，比二维图形更形象，不如三维图象生动。7.7 动画的实现方法及其优缺点动画的实现方法及其优缺点 帧动画帧动画：帧动画也称为全屏幕动画或页式动画。动：帧动画也称为全屏幕动画或页式动画。动画程序建立许多个全屏幕图像，并将每幅图像存入画程序建立许多个全屏幕图像，并将每幅图像存入单独的页缓冲区中。当所有图像全部建立完成之后，单独的页缓冲区中。当所有图像全部建立完成之后，程序中的特定程序段将这些图形也以适当的顺序移程序
11、中的特定程序段将这些图形也以适当的顺序移到屏幕上，以建立动画效果。到屏幕上，以建立动画效果。位块传输动画位块传输动画：位块传输动画也称为块图形、软件：位块传输动画也称为块图形、软件子图形画、图形阵列动画、瞬态动画、部分屏幕动子图形画、图形阵列动画、瞬态动画、部分屏幕动画及拱形动画。它是将从显示缓冲区或存于磁盘上画及拱形动画。它是将从显示缓冲区或存于磁盘上的图形数据显示在显示器的不同位置来产生动画效的图形数据显示在显示器的不同位置来产生动画效果的。果的。实时动画实时动画：实时动画又称为乒乓动画、隐藏页动画或动态页转换实时动画又称为乒乓动画、隐藏页动画或动态页转换动画。它至少需要两个图形页，主程序
12、在一页上绘制动画。它至少需要两个图形页，主程序在一页上绘制图形时，另一页被显示出来。当图象绘制完毕，就可图形时，另一页被显示出来。当图象绘制完毕，就可以显示在屏幕上。然后程序开始在另一页上准备下一以显示在屏幕上。然后程序开始在另一页上准备下一个图像。用户看不见正在绘制的图像，只有在绘制完个图像。用户看不见正在绘制的图像，只有在绘制完以后才能看见。以后才能看见。调色板动画调色板动画：调色板动画原理是，首先绘制动画中的：调色板动画原理是，首先绘制动画中的第一幅图，然后使用一条调色板设置重新设置此图的第一幅图，然后使用一条调色板设置重新设置此图的颜色代码，使它和屏幕图形背景颜色相匹配，从而有颜色代码
13、，使它和屏幕图形背景颜色相匹配，从而有效地清除这幅图。然后再绘制动画中的第二幅图，这效地清除这幅图。然后再绘制动画中的第二幅图，这时就可以产生简单的动画。时就可以产生简单的动画。三维动画三维动画：三维动画广泛地应用于科学计算的可视化（运动三维动画广泛地应用于科学计算的可视化（运动仿真、有限元分析、流体计算、医学成像、分子化仿真、有限元分析、流体计算、医学成像、分子化学、汽车等曲面造型、地理信息、石油勘探、气候学、汽车等曲面造型、地理信息、石油勘探、气候模型）、游戏开发、虚拟现实技术、影视广告（如模型）、游戏开发、虚拟现实技术、影视广告（如电影泰坦尼克号、真实的谎言中宏伟的场电影泰坦尼克号、真实
14、的谎言中宏伟的场景）、景）、CAI等等领域。等等领域。7.8 处理三维仿真技术的主要方法处理三维仿真技术的主要方法 a).JAVA是一组是一组API（Application Programming Interface），即应用编程接口，是），即应用编程接口，是JAVA语言在三维语言在三维领域的扩展。领域的扩展。b).Open GL是一个工业标准的三维计算机图形接口。是一个工业标准的三维计算机图形接口。它是一套独立于操作系统和硬件环境的三维图形库，它是一套独立于操作系统和硬件环境的三维图形库，有着强大的图形功能和良好的跨平台移植能力。目有着强大的图形功能和良好的跨平台移植能力。目前已广泛应用于可
15、视化、实体造型、前已广泛应用于可视化、实体造型、CAD/CAM、模拟仿真等诸多领域。模拟仿真等诸多领域。Open GL是是SGI公司开发的三公司开发的三维函数库，是第一个在计算机编程领域里广泛使用维函数库，是第一个在计算机编程领域里广泛使用的三维函数库，应用于三维应用程序的编程的三维函数库，应用于三维应用程序的编程。常用的动画设计软件常用的动画设计软件：3DS MAX：3D Studio MAX是是Auto Desk公司的产品。公司的产品。IPA：（：（Interactive Produce Animator）是美国）是美国Immersive Design公司的产品。公司的产品。MAYA：MA
16、YA3.0 for NT是是Alias/wavefront公司推出公司推出的最新专业级三维动画创作软件，为当前的最新专业级三维动画创作软件，为当前PC机平台机平台上最优秀的三维动画软件。上最优秀的三维动画软件。7.9 三维最新技术三维最新技术 a).Cult 3D 作为新兴的多平台三维物体绘制工具，他与类似于作为新兴的多平台三维物体绘制工具，他与类似于三维图形图像加速器的硬件没有关系三维图形图像加速器的硬件没有关系,是由软件控制是由软件控制的。的。b).Pulse 3D 它是它是Pulse Entertainment公司的出品。它通过只能在公司的出品。它通过只能在Cult 3D中使用的中使用的
17、Reflectionmaping可以实现完全的可以实现完全的反射效果，通过反射效果，通过HTTP-Streamed方式的方式的audio，以及，以及动画制作文件，可以实现丰富多彩的三维世界。动画制作文件，可以实现丰富多彩的三维世界。7.10 Sev Sev（superscape-visualizer）是美国）是美国superscape公司以公司以web 3D标准开发的一项技标准开发的一项技术，目前还处在一个初级阶段。术，目前还处在一个初级阶段。e).3DML它它做做为为互互联联网网上上描描绘绘名名为为spot的的三三维维空空间间技技术术，它它是是与与HTML类类似似的的一一种种动动画画制制作作语语言言。不不过过，虽虽然然它它与与HTML有有许许多多类类似似的的部部分分，但但实实际际上上，与与HTML相相比，它是配合比，它是配合XTML规格开发出来的。规格开发出来的。f).3D polygon