面向计算机动画课程的案例教学设计研究.doc

面向计算机动画课程的案例教学设计研究 摘要：针对计算机动画课程体系理论抽象、应用性强且更新迅速的特点，分析相关教学内容中案例设计的需求，提出通过拆解前沿科技论文作为案例设计素材的思想。作为实例，给出了隐式蒙皮、晶格变形、欧拉视频增强和实时三维云动画四个典型教学案例。 The Study of How to Design the Teaching Cases for Computer Animation Course ZHANG Jun,CHEN Xiuhong,DI Lan,ZHAO Yan (School of Digital Media,Jiangnan University,Wuxi 214122,China) Abstract:The computer animation is a highly application-oriented course.Its technical solutions update quickly and its theory is abstract.We presented four actual cases from some advanced academic papers to make computer animation course more specifiable and more popular.These cases include implicit skinning,fast lattice shape matching,eulerian video magnification and multi-threaded 3D cloud simulation. Keywords:digital media technology;computer animation;case teaching;practice teaching 1 引言(Introduction) 随着科学技术的进步，数字化的文字、图形、图像、声音、视频、动画等媒体逐渐渗透到互联网、IT行业等各个领域，并成为全产业未来发展的驱动力和不可或缺的能量。在这个大背景下，各个高校相继推出数字媒体技术专业，旨在培养具有创新精神、能适应21世纪数字媒体技艺术发展需要的，从事数字媒体的技术开发与艺术设计以及开发制作的复合型高级人才。 计算机动画课程是数字媒体技术专业一门重要的专业课，具有非常重要的地位和作用。该课程的任务是掌握计算机动画领域的基本理论、技术和方法，为今后的专业学习和就业打下扎实的基础。然而，计算机动画领域的技术更新速度非常快，商业产品日新月异，学术论文铺天盖地。在这枝繁叶茂的艺工交叉领域，如何能把相关前沿技术准确、及时的传播给每一个数字媒体技术系的学生，是当前的一个重要课题。为此，许多教育工作者提出借鉴艺术领域培训学生时惯用的案例教学1-3方式，将前沿技术与基础理论融合在教学内容之中。 然而，相对于艺术系，数字媒体技术领域的经典案例偏少4-6。为此，本文作者通过调研大量SIGGRAPH会议历年的相关论文及其作者发布的技术演讲幻灯片，选取了四个与计算机动画课程高度相关的前沿技术，将它们的论文拆解成教学案例，期望这些案例能丰富计算机动画课程案例内容并促进教学和科研相互促进7。 2 案例一(Case I) 蒙皮(Skins)技术是人物动画领域里至关重要的技术之一，直接决定动画人物的视觉外观和运动效果。由于传统蒙皮技术存在一定的技术缺陷(如塌陷、过渡膨胀等)，许多学者都对此进行过深入研究，提出了各种有效解决方案8。 另一方面，数字媒体技术系的学生在经过两年大学专业课程学习后，已经具备了一定的动手能力，但缺乏实际技术创新动力，对相关工作流程较为陌生。为提高学生对计算机动画领域技术创新的积极性，引导学生更快、更好的学以致用，可在介绍基本的蒙皮技术的同时，通过最新蒙皮技术改进案例引导学生有意识的提高自身创新能力。 为此，我们选取Vaillant等人8在2013年提出的隐式曲面蒙皮技术(Implicit Skinning)作为实际案例，讲解如何寻找研究课题，如何寻找解决问题的方案，如何实现计算机动画领域的技术创意，如何尽早开始学术生涯。 在教学过程中，我们将Vaillant等人8的论文拆解成多个小的子案例，构成一个完整的技术创新流程(图2)，用于讲解流程中每个步骤的实际工作。该流程从选题开始，逐步经过研究现状调研、寻找现有解决方案的缺陷、改进现有方案、验证改进方案和发表相关学术论文等步骤，最终以实际技术应用为目标。在这个环状流程里，研究者必须带着寻找问题的目标，依靠互联网文献作为支撑力量，在不断循环的工作流程中一步步深化研究方案。 图1 计算机动画领域创新工作流程 Fig.1 A workflow for the innovation in computer animation industry 另外，Vaillant的个人网站也发布了他在SIGGRAPH会议上讲解该技术方案的演讲稿，为我们教学工作的开展提供了丰富的演示素材。 图2 Vaillant发布的演讲幻灯片截图 Fig.2 A slide released by Vaillant 3 案例二(Case II) 作为插值动画技术中的一个高阶算法9，插值变形技术是计算机动画领域的一种强大的动画技术，通过具有一定灵活性的体动画使得动画对象更具表现力以及活力。然而，插值动画技术涉及过多数学运算，相对较为抽象，需要学生具有一定耐心才能理解整个技术流程。为提高学生对插值变形技术的兴趣，我们引入Rivers等人10在2007年提出的快速晶格变形技术(Fast Lattice Shape Matching)作为实际案例，详细讲解相关技术细节和演示动画。 快速晶格变形技术利用规则晶格顶点变形驱动晶格内部动画对象形变的插值动画技术，它简单、快速，具有体积保持、支持大幅度形变和鲁棒性高等优点，是一种优秀的实时变形技术。该算法利用传统网格变形技术对一个包裹动画对象的规则晶格点(图3)进行形变，再通过晶格顶点插值技术计算内部动画对象的形状。整个计算过程简单、流畅，适合作为教学案例。 图3 晶格及其内部动画对象示意图 Fig.3 The lattice and its internal animation object 晶格格点运动状态更新的核心方程(1)是一种典型的运动计算方式，可进一步加深学生对运动计算的理解。 （1） Rivers等人针对繁琐的晶格运动计算过程提出了一种快速计算方案，可大幅减小其中的冗余计算，使整个动画变形计算流程可在普通PC机上达到实时渲染的速率。最后，Rivers等人发布了相当多的该技术实现的动画视频(图4)，是提高学生上课兴趣的有效素材。 图4 演示动画视频截图 Fig.4 A frame of the demo video 4 案例三(Case III) 与传统计算机动画概念不同，最近Wu等人11提出一种视频运动增强技术，可对实际视频“画”出运动效果，是一种特殊的计算机动画技术。人眼视觉系统具有时域和空域上的局限性，对目标的细微运动情况感知能力非常有限。类似人脸正常静脉血液周期性回流产生的肤色细微改变、腕部动脉跳动等现象，都无法直接被人眼所观察到。Wu等人11提出了一种快速视频运动增强算法(Eulerian Video Magnification,EVM)对视频信号进行后处理以对其运动进行增强(Motion Magnification)的技术，帮助人眼观察场景中的细微运动信息。 我们通过此案例拓展学生对动画技术的理解，打破其对计算机动画内涵仅涉及虚拟世界的偏见，并帮助学生建立对数学理论的信心。 图5 EVM算法框架示意图 Fig.5 The framework of EVM EVM算法的目标是揭示视频中裸眼很难分辨的细微运动过程，从而起到视频运动增强的作用。该算法采用标准视频作为输入，并在空域上分解每一帧图像成Laplacian金字塔系数，然后通过时域上低通滤波得到视频中运动信息。最后，EVM算法将时-空滤波得到的运动信息进行放大，叠加到原始视频上(图5)，从而使人眼能直接观察到视频中微小运动信息。 为尽量避免噪声影响，充分提取视频中低频运动信息，EVM算法实际上是使用了两个低阶理想低通滤波的差值(2)作为滤波结果，这本质上是一个理想带通(Band-pass Filter)滤波器。 (2) 其中表示输入视频某像素位置随时间变化的像素值，经过时空滤波得到的视频运动信息。EVM算法在原始视频上叠加放大后的，达到运动增强的效果(为放大因子)： (3) 5 案例四(Case IV) 对于某些无法采用静态、刚体以及简单拓扑结构定义的图形对象(如火焰、烟雾、云、水等)，其建模以及动画操作通常难以实现。现代计算机动画技术采用计算流体动力学和粒子系统共同实现这些特殊现象的动画效果。 计算流体力学和粒子系统涉及复杂的数学理论和程序并行计算理念，是本科阶段学生最不容易接受的计算机动画技术之一。我们选取Dobashi等人12对三维云实现的动画技术作为实际案例，详细讲解其中涉及的数学理论和编程思想。 Dobashi采用了简化的计算流体力学方程，并采用单元自动控制将云的模拟空间划分成三维网格，网格中的每个单元都有三个二元状态(水气hum、相变因子act和云cld)。如图6所示，通过在每个时间间隔内应用一组状态转换规则，可以模拟云的形态的演化，包括云的形成，消散以及随风飘动。根据每个网格单元是否有云，可以插值计算出模拟空间的密度分布，被后续云的光照和渲染过程使用。相对于其他模拟方法来说，Dobashi的方法计算开销较小，却能产生逼真的体积云的动画，这是选择此方法的主要原因。 图6 云粒子演化方式示意图 Fig.6 The growth of cloud particles 6 结论(Conclusion) 将国际上最前沿的动画技术引入到计算机动画课程体系教学中，可以开阔学生的视野，拓展学生的知识面，提高学生对计算机动画技术的兴趣，同时也促进相关课程的教师通过备课提高自身专业素养，达到一举多得的目标。只有以科研促进教学、教学带动科研的互动模式，才能在日新月异的数字媒体技术领域里培养出满足社会发展需要的专门人才。下一步，我们将依据课程教学的需要，探索更多前沿技术案例丰富教学内容，进一步完善具有特色的应用型计算动画课程的教学体系。