动画与物理模拟
动画和物理模拟通过艺术家控制、物理定律或程序规则，为图形生成随时间变化的运动。
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Definition
计算机动画是通过改变一系列帧中的场景参数来生成随时间变化的图像，而物理模拟是运动方程的数值解，以产生这种变化。
Scope
该领域涵盖了关节角色的关键帧插值和骨骼动画，刚体、布料和流体的基于物理的模拟，用于动画的真实运动捕捉，以及通过算法合成运动的程序技术。
Sub-topics
Core questions
- 如何创作和控制令人信服的运动？
- 如何稳定地解决图形物理运动方程？
- 如何捕捉和重用真实的人类和动物运动？
- 如何通过规则或程序自动生成运动？
Key concepts
- 关键帧和插值
- 骨骼动画和蒙皮
- 刚体动力学
- 布料和流体模拟
- 运动捕捉
- 程序性运动
Key theories
- 关键帧插值
- 动画师在关键时间点指定姿态，中间帧通常通过样条曲线进行插值，从而精确控制时间安排和运动，同时减少手动创作的工作量。
- 基于物理的建模
- 运动可以通过为物体、弹簧和连续体建立牛顿方程并对其进行数值积分来生成，从而产生物理上合理行为，但代价是稳定性和控制方面的挑战。
Clinical relevance
动画和模拟推动了电影视觉效果和动画长片、视频游戏、虚拟训练和手术模拟器、生物力学和人体工程学分析以及虚拟现实体验的发展。
History
手绘动画原理为早期的关键帧系统提供了信息；基于物理的模拟在20世纪80年代和90年代随着刚体、布料和流体求解器的发展而壮大，运动捕捉在电影和游戏中日趋成熟，数据驱动和学习的运动合成现在也很活跃。
Key figures
- David Baraff
- Andrew Witkin
- Rick Parent
Related topics
Seminal works
- parent2012
- baraff2001
Frequently asked questions
- 关键帧动画和模拟之间有什么区别？
- 在关键帧动画中，艺术家直接指定运动，计算机填充中间姿态；而在模拟中，计算机根据物理定律计算运动，这更自动化，但更难精确控制。
- 为什么物理模拟在图形学中很困难？
- 数值求解运动方程可能会变得不稳定，需要仔细的时间步进和碰撞处理，并且必须在物理精度与生产所需的速度和艺术控制之间取得平衡。