计算机图形学·作业（一） 晓风の个人博客

04 Sep 2019 3135字 11分 次 计算机图形学
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计算机图形学·作业（一）

参考 2019 年计算机图形学顶级会议SIGGRAPH 2019或SIGGRAPH Asia 2018上的学术专题和相关论文主页，并从中任意选择 3 个主题，查阅相关文献和网络资料，陈述这些主题涉及到图形学中的哪些技术（可图文并茂，每个介绍大于 400 字）。

Capture Control（捕捉控制）

三维运动捕捉技术能够可以测量、跟踪和记录物体在三维空间中的运动轨迹，在很多研究领域都有着广泛应用。机械式、声学式、电磁式、光学式和基于视频的运动捕捉技术是现阶段研究相对深入的五类运动捕捉技术。

机械式运动捕捉

机械式运动捕捉主要依靠机械装置来跟踪和测量运动，将欲捕捉的运动物体与机械装置相连，物体运动带动机械装置运动，与此同时传感器记录下相关参数。典型的系统由多个关节和刚性连杆组成，角度传感器安装在可转动的关节中，可以测得关节运动过程中的角度。装置运动时，根据角度传感器的数据和连杆的长度，可以得出连杆上某一点在空间的运动轨迹。刚性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆，用位移传感器测量其长度的变化。机械式运动捕捉的优点成本低，装置定标简单，因其与传统的物理测量相似所以其测量数据精度比较高。可以很容易地做到实时数据捕捉。缺点主要是由于机械设备有尺寸以及重量等问题，使用起来非常不方便。机械结构对表演者的动作阻碍、限制很大，很多激烈的动作都无法完成。

声学式运动捕捉

常用的声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。发送器是固定的超声波发生器；接收器一般由呈三角形排列的 3 个超声探头组成。将多个发送器固定在人身体的各个部位，发送器持续发出超声波，每个接收器通过测量、计算声波从发送器到接收器的时间，3 个构成三角形的接收器就可以确定发送器的位置和方向。由于声波的速度与温度有关，还必须有测温装置，并在算法中作出相应的补偿。这类装置成本较低，但对运动的捕捉有较大的延时和滞后，精度差，捕捉时要求声源和接收器之间不能有大的物体遮挡，在表演场地附近不能有金属物品，否则会造成电磁场畸变。

电磁式运动捕捉

电磁式运动捕捉系统一般由三个部分组成，即发射源、接收传感器和数据处理单元。发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器（通常有 10 ～ 20 个）安置在表演者身体的关键位置，传感器通过电缆与数据处理单元相连。表演者在电磁场内表演时，接收传感器也随着运动，并将接收到的信号通过电缆传送给处理单元，根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向

它的优点首先在于记录的是六维信息，即不仅能得到空间位置，还能得到方向信息，这一点对某些特殊的应用场合很有价值。其次是速度快，实时性好，技术较成熟，成本相对低廉。但是同样受到捕捉精度低、可捕捉动作少等局限。

光学式运动捕捉

光学式运动捕捉系统是目前世界上使用最为广泛、技术最完善的动作捕捉系统，它通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。目前常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。

基于视频的运动捕捉

视频运动捕捉是在光学式运动捕捉技术上发展的，它采用了普通的摄像机代替专业的摄像机，采用人体特征识别算法代替黏贴在人身体上的 Marker，其对于运动对象和运动环境几乎没有任何限制，成本也较低，但是人体特征识别算法非常复杂，2007 年沈阳工业大学的于明桌运用颜色识别的算法来识别人体，但是在色彩复杂的环境中依然不能很好的对人体的运动进行捕捉，因此给予视频的运动捕捉技术实现难度相对较大，目前仍在研究的阶段。

Human Capture and Modeling（人体捕捉与建模）

在现代，随着计算技术的飞速发展，人体外观和运动的重构和合成在电影制作、动画、数字娱乐等行业中发挥着重要的作用。人类行为捕捉和动画的一个主要目标是重建和模拟现实的人类行为，这有利于许多下游应用。例如，这将有助于增强虚拟现实的沉浸感。然而，这是一个具有挑战性的问题，因为人类的表现包括不同的形状(由于个体和姿势的变化)和复杂的运动。此外，一种被称为「神秘谷」的著名心理学观察指出，人体需要高标准的现实主义，才能被认为是真实的。为了准确地捕获性能，已经开发了一系列设备。例如，激光扫描仪用于捕获和重建人体形状的几何形状，基于光学传感器的运动捕获设备(如 Vicon)用于跟踪人体运动。

在虚拟数字世界中，形状和运动是表征人体特征必不可少的两个主要方面。人体的形状通常表示为三维(3D)网格，运动通常由变形的骨架表示。获取动态人体的数字表示的一种方法是在现实世界中捕捉它们。研究课题包括人体形状重建和运动捕捉。这通常是昂贵和耗时的，因此一种替代的方法考虑重用捕获的运动数据来通过分析现有的运动来合成新的运动，以满足不同的环境约束。人类的运动服从物理规律，因此运动合成的另一个方向是通过模拟。为了模拟真实的人体运动，SigifiCant effor 被放在基于物理的人体模拟上，包括正向动力学和逆动力学。

High Performance Rendering（高性能渲染）

电脑动画是计算机图形学和艺术相结合的产物，它给人们提供了一个充分展示个人想像力和艺术才能的新天地。目前，电脑动画已经广泛应用于影视特技、商业广告、游戏、计算机辅助教育等领域，而在各种影视和动画领域令人难以置信的视觉效果背后是众多的三维动画制作软件和视频特技制作软件。随着技术的发展，传统的电影、电视、媒体也得到了挑战，卡通片、动画电影逐渐搬上了大屏幕。计算机的介入使电影制作的成本得到了下降，咨却了很多搭建摄影棚、聘请过多演职人员等的费用。这些有利条件使 CG 行业越发蓬勃起来。中国的动漫行业相较日韩等国兴起的较晚。目前，中国也逐渐看到了动漫行业里的巨大的市场，政策上对动漫行业也提供了很好的支持，全国各地兴建动漫基地，并以之为公共平台，提供动漫渲染服务，影视动漫制作已经达到了空前的发展状态。

目前的集群技术绝大多数都具有负载平衡的特性，目前集群技术已经在电影电视、 CG 行业具备成熟的应用。通过集群节点间并行地进行高性能渲染计算，有效缩短了动漫、电影等渲染工作所需的时间。因此，渲染集群通常被称为「Renderfarm (渲染农场）」。目前，几乎所有的动画、电影都要依赖于 Renderfarm 系统来进行快速渲染。以 2015 年在国内上映的深受观众喜爱的《超能陆战队》为例，该部电影渲染共消耗 19900 万核心时，使用了 55000 个跨地域的计算节点组成的渲染弄成进行渲染任务。如果仅仅使用单台机器进行渲染，整部电影的渲染工作量需要花费数千年才能完成。

依托渲染技术，可以将图形设计模型或者镜头场景转化为效果逼真的图像文件。在这个过程中，「渲染农场」解决了数字创意过程中批量渲染的问题，有效提升了渲染效率和整部电影、动画的制作效果。借助渲染农场，企业可以用更短的时间制作效果更佳逼真的作品。