三维式教学

三维式教学（通用9篇）

三维式教学 篇1

物理是一门以实验为基础的自然科学, 同时也是一门与生活密切相关的科学, 具有很强的实用性。《普通高中物理课程标准》中提出了三维目标:知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观。要求在讲“知识”的过程中, 让学生学习“技能”, 经历或体验科学探究的“过程与方法”, 感受到“情感态度与价值观”的熏陶。这本是好事, 有利于培养全面发展的人。然而, 现实中限于诸种内外因素的限制与影响, 在实际教学中落实三维目标存在很大问题与困阻, 如何找寻一种操作性强、实效性高的教学路径来落实初中物理三维目标教学是当前初中物理教学所面临的重要课题。鉴于此, 本文试图以体验式学习为抓手, 探寻一条落实高中物理三维目标教学的路径来。

“体验式学习”是指在教学过程中要从学生的经验和体验出发, 密切关注知识与生活之间的联系, 引导学生不断深入观察和体验身边的现象, 并最终用所学知识解释这种现象, 或从现象中总结出物理规律。体验式学习强调不仅用脑去思考, 还要用眼看、用手做、用嘴说、用身体去体会、用心灵去感悟。笔者在讲《内能》一节时就曾设计过一个演示实验来阐述物体对外做功内能减少的道理。但笔者在课堂演示时却因为瓶塞塞得不紧, 导致瓶塞跳出时的雾气太大, 致使教室后排的学生抱怨没看出效果。然后正当我尴尬时, 此时教室内“砰”的一声响, 原来是下面的一位同学自己也在操作这个实验。只见他手里握着个矿泉水瓶, 而瓶口正不停地冒着袅袅的“浓烟”。于是我便请他上前给我演示一遍。这位学生走上讲台, 把一只矿泉水瓶拧好瓶盖, 然后用右手紧握上半瓶身, 左手则握着瓶身的下半部分, 就像拧衣服一样, 将下半部分瓶身使劲拧细, 同时上半部分越来越鼓, 拧到一定程度, 将瓶口对着天花板, 右手拇指迅速将瓶盖旋转, 刚两下只听“砰”的一声, 瓶盖冲了出去, 瓶口迅速升起一股浓浓的雾气。

体验式学习离不开学生的积极参与和深入体验, 同时也离不开物理教师的专业引领和指导, 否则学生很可能会陷入乱序状态, 迷失探索的方向与目标, 不利于学生知能的习得和情感态度的熏陶。因此为了顺利、有效地发挥体验式学习的应有功效, 在高中物理教学中物理教师要事先精心安排好相关条件和过程, 设置好情景, 同时还需要事先设计准备好提问的问题及提问方式, 这样才能有效地对学生进行有计划、有目的的引导, 从而帮助初中生找出规律, 启迪思维, 促进其更好地完成学习任务。

养生要注重三维式 篇2

（一）整体治疗

现代医学模式已不再是传统的对症治疗，而是从单纯的生物医学模式转向生理、心理、社会医学模式，对人体健康进行全方位的医学保护。要求避免单一的药物对症治疗，利用一些有效的非药物治疗来缓解患者病痛，增强人体各器官的功能，从维护机体健康，预防疾病，情绪稳定，道德健康，提高适应能力等几方面入手，达到加速康复，促进健康，延年益寿的目的。

（二）情绪治疗

从情绪上治疗疾病是一个软件工程，人有病并不可怕，可怕的是思想、情绪上有病。人一旦有病，在思想、情绪上不能有病。无论得什么病，都要增强战胜疾病的信心、勇气和力量，消除紧张情绪，从精神上放松和调节，使体内生理随之放松，发生有益的变化，形成抗体，生成抗病因子，增强免疫功能，增强抗病能力，积极配合医生治疗疾病，减轻病痛，加速康复。

（三）行为预防

行为预防是从行为方式方面预防，提高健康水平。人的生命是由一种复杂的生理节奏生物钟所控制，生物钟走得越慢，就会降低体内能量消耗，寿命就长，否则，寿命就短。因此，要通过自我调节，做到合理饮食，坚持锻炼，生活规律，控制疾病，心理平衡，重视睡眠，情绪乐观，就能增加有益健康的因素，减少体能消耗，提高生命质量，延年益寿。

三维式教学 篇3

关键词：《三维动画制作》,项目式教学,改革与建议

中国的动画教育已经火了很多年, 从1999年全国只有两家高等院校开设动画专业, 到2009年末, 全国已经有1279所本专科学校开设了动漫专业, 相关动漫专业1877个。可以说, 中国动画发展初期走量式的全国布局业已完成, 下一步就是如何提高教学质量的问题, 确保每年高达10多万的动漫专业学生毕业和就业之间实现无缝衔接。

提到提高教学质量, 如今最火的话题无疑是项目式教学。项目式教学源于欧洲, 经过一个多世纪的实践, 已经非常成熟, 其核心是通过项目引导的方式激发学生的兴趣。

笔者从1996年接触动漫, 先后在各大动画公司工作, 2009年来到学校从事动漫教学工作, 作为骨干教师参与本院动漫专业的无锡市重点专业的建设, 特别是《三维动画制作》这门课程, 从第一届开始就一直由笔者所主导, 笔者亲身经历了从传统教学到项目式教学的转变过程, 有深刻的体会和感受。下面就《三维动画制作》这门课程项目式教学研究和实践过程谈谈感想。

一、关于《三维动画制作》课程

《三维动画制作》是动漫设计与制作专业、三维动画设计方向学生的核心课之一, 这是一门几乎和本专业方向名字相同的课程, 其重要性不言而喻。该课程前接《动画运动规律》, 后续《后期特效》, 就专业角度而言, 除去《毕业设计》, 这是本专业方向学生整个在校期间最重要的课程之一, 也是学生毕业后赖以谋生的生存技能之一, 其重要性不言而喻。

传统的《三维动画制作课程》教学方式, 属于标准的菜单式教学, 主要教学过程为教师花费大量时间逐步讲解软件菜单, 而后学生实践操作。这里有两个问题:一方面, 三维软件 (Maya/3DSMax) 都有上万个菜单, 全世界都没有人能掌握其所有菜单功能, 更不用说这些软件每年都更新, 因此课堂上能做到的, 也就是挑重要核心功能进行讲解。另一方面, 传统教学的最大弊端是被动式教学, 讲完菜单, 学生就现学现用, 但是学生只会做老师教的练习, 换一个例子, 不会触类旁通。以上两点造成的困局是:因为功能太多, 所以老师上课讲着累, 学生听着困;因为学生不会触类旁通, 所以教学效率极其低下。

二、关于项目式教学

项目式教学起源于18世纪欧洲工读教育和19世纪美国合作教育, 到20世纪中后期逐渐完善, 其主要理念是通过“项目”的形式开展教学, 和传统教学方法相比, 项目式教学在教学理念、形式、目标、内容等各个方面存在显著差异。比如传统教学方式, 教师主要通过灌输, 将知识硬塞进学生的大脑;而项目式则可以通过一个个鲜活具体的项目, 让学生自己发现问题, 解决问题, 随着项目的逐步完成, 一个个知识点得以串联, 最后项目做完, 达到教学目的。打个比方, 如同带路, 传统的教学方式中, 教师就是大巴司机, 学生就是跟着司机直达目的地, 虽然终点目标达到了, 但很多人未必记得路;而项目式教学中, 教师则化身为地图, 主要任务是在分岔的关键时刻指点游客该往哪个方向走。可见就效果而言, 后者必然更佳。

三、教学中存在的问题

如前所述, 项目式教学是个好东西, 不过好东西也要有个适应过程, 因为“鞋子合不合脚穿着才知道”。

随着本专业市重点专业的建设, 笔者在《三维动画制作》课程中进行了项目式教学的试点实验。核心是通过以往的菜单讲述, 转变为项目引导。比如Polygon建模工具菜单的相关讲述, 就改为了“项目:道具制作”, 通过实例的制作, 让学生自己去试鞋。总体来说, 效果确实比以往好很多, 学生听讲的热情得到了提升, 课堂作业质量有了明显改观, 不过由于个人经验欠缺, 笔者发现了如下问题。

1.学生习惯了“你教我听”, “书上说什么我背什么”的传统思维方式。必须承认, 我国的传统教育, 在引导学生创新方面有很大的局限性, 学生经过小、初、高12年的教育, 已形成了相对固定的学习方式, 在项目式教学初期难以适应, 面对项目不知道怎么下手, 经常遇到“老师你不带我做一遍, 我不会做”的问题。项目式教学是“授人以渔”的方式, 而习惯了等着吃鱼的学生, 第一次拿到鱼竿, 无所适从。

2.项目式教学, 特备是三维动画, 最大的特点在于团队合作。这里就出现了一个即便在公司也普遍存在的一个陋习———浑水摸鱼。因为最后上交的是团队作品, 出现个别学生在队伍里“混经验值”的现象。这些人在团队中不仅完不成他们的任务, 甚至还起到了涣散军心、降低团队凝聚力、拖累进度的副作用。

3.项目式教学是开放的教学模式, 老师从传统的“前面带”, 改为“后面推”, 学生更多的是靠自我的兴趣和爱好, 这随之而来的是由于学生经验不够, 出现急功近利, 急于求成, 只重视目标, 而忽略过程的问题。这一点突出表现在基础练习方面, 基础是点滴的修行, 需要时间积累, 需要吃苦。失去老师的大量强制性的日常练习, 学生不由自主会绕开这些枯燥和痛苦的基础练习, 而基础练习对于未来的长远发展至关重要, 这些是没有经验的学生不能体会的。

四、《三维动画制作》课程项目式教学的改革建议

针对上述情况, 经过一个学期的尝试和体会, 笔者给出以下建议。

1.针对学生不适应项目式教学的问题, 教师在项目的初期, 应当多参与到学生讨论中, 项目式教学中的老师, 不是把所谓“项目”扔给学生就可以置身事外一走了之的。项目式教学中, 看起来教师的授课时间少了, 任务轻了, 实则责任更大, 要求更高。项目式需要老师有丰富的经验, 更要时刻参与到学生的讨论中, 关注学生, 时时引导。

2.对于项目中部分学生偷懒, 出工不出力的现象, 教师需要想办法给他们压力。比如在教学过程中, 笔者在确立任务的同时, 把任务分成了各个部分, 每个部分计算工作量, 学生可以选择主打哪个环节, 但是每个学生自己完成的工作量必须达到一个平均值, 这个平均值不需要很高, 主要目的是打消学生浑水摸鱼的念头。

3.针对学生急功近利的情况, 笔者让每个小组列出任务进度计划, 在前期, 笔者刻意增加了一些预备工作, 甚至有时候在项目之外增加一些基础预备项目, 这些项目的性质是“磨刀不误砍柴工”, 目的是让他们的基础更扎实。就像长跑, 新手不懂得保留体力, 可能会一开始就一路狂奔, 因此在初期, 可以人为增加弯道数量, 减缓他们初期狂奔的速度, 目的是让他们保留体力, 从而在后期有足够的爆发力。

五、结语

经过一个学期的实验, 项目式教学被证明确实对提高教学质量有显著的效果。学生的学习热情得到了提高, 同时教师的教学能力和对整体进程的把控能力都得到了锻炼。

项目式教学也许不是最完美的教学模式, 但无疑是现阶段实行得最好、最有效的教学方式。此外, 虽然项目式教学在国外已经非常成熟, 在国内, 一些起步较早的院校非常有经验, 但对笔者而言, 只是刚刚起步, 后面的路还很长, 需要更多时间消化、锻炼和吸收。

参考文献

[1]卢斌, 郑玉明, 牛兴侦主编.中国动漫产业发展报告 (2012) .社会科学文献出版社, 2012.4.

[2]李家国著.中国动漫产业结构优化研究.南京大学出版社, 2012.3.

三维式教学 篇4

关键词：ansys软件；上部结构；动力分析；反应谱

中图分类号：TV312 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0064-03

1 概 述

水电站厂房是能量进行转化的场所，将水能通过工程机械转化成机械能并最终转换为电能。它通过合理的工程手段，使河水平顺地引入水轮机，能量转化后引出水轮机，同时水电站厂房也为能量转化的设备提供合适的安装位置，为这些设备的安装、检修和运行提供方便的条件。

水电站厂房结构比较特殊，厂房各构件尺寸庞大，内部各结构受力条件复杂。厂房的主要组成结构包括：上游—下游挡水墩墙、钢筋混凝土蜗壳、导叶、尾水管、上部结构。

上部结构由主厂房下游的柱墙结构和副厂房上的板梁柱结构组成。上部结构很高，而宽度和厚度相对于高度方向尺寸很小，在地震效应作用下很容易发生摆动，使结构发生破坏，进而影响厂房的整体运行，造成重大的损失，因此对上部结构的抗震分析是很有必要的。

2 计算模型和计算理论

2.1 计算模型

某水电站位于四川省境内，为二等大（2）型工程，工程正常蓄水位398 m，相应库容6 330万m3，装机容量4×190 MW+1× 12 MW（生态机组），额定水头33 m。枢纽布置包括河床式电站、船闸、13孔泄洪冲砂闸、左岸副坝、左岸非溢流坝、右岸接头坝。本文通过建立一个机组段厂房三维有限元模型来了解地震作用下现有结构布置方案结构的应力、应变。计算采用的直角坐标系为：X轴为沿水流方向，顺水流方向为正，Y轴正方向为竖直方向，向上为正，Z轴垂直于水流方向，河流右岸为正方向，坐标原点高程为327 m。整体三维有限元模型，如图1所示。

2.2 计算理论

在地震作用下，结构系统的有限元方程是

2.3 计算假定

①混凝土、基础岩体为均质、弹性、各向同性的连续体，不考虑钢筋和混凝土的应力重分布。

②厂房为多个坝段，各厂房坝段之间分别设有结构缝，在计算时，因此各坝段独立承担荷载，坝段间无相互作用。

③计算时，结构中的二期混凝不承受荷载。。

2.4 荷载及荷载组合

抗震计算水位为上游正常蓄水位、下游最低尾水位，静荷载包括厂房自重、设备自重、内水压力、侧水压力、扬压力，动水压力的影响采用目前坝工界普遍采用的韦斯特加特（Westergarrd）公式进行计算：

式中：Pw为作用在坝体单位面积上的动水压力；

αh为设计地震加速度水平向代表值；

h为计算位置距水面的深度；

H为库水总深度；

ρw为水的密度。

3 模态分析

模态分析是研究结构振动特性的方法，能够确定自振频率、机型参与系数及振型等结构的振动特性。模态分析是在进行其他动力分析之前进行的，主要是由于结构的振动特性决定结构对于各种动力荷载的响应情况。厂房整体结构的前20阶自振频率，见表1。厂房上部结构的自振频率，见表2。可以看出整体的自振频率比较密集，其中九阶表现为上部结构的自振。厂房坝段第五、六阶振型图，如图2和图3所示。

4 动应力分析

本工程所处区域的地震设计烈度为7.3 °，水平向设计地震加速度代表值αh=0.13 g，竖向设计地震加速度代表值αv= 0.087 g，设计反应谱按《水工建筑物抗震设计规范》中4.3.3采用，设计反应谱最大值的代表值βmax=2.25，最小值不应小于 βmax=0.45，场地类别为I类，响应特征周期Tg=0.20 s，由此确定抗震计算所用的设计反应谱，如图4所示。

5 动应力和位移结果分析

抗震分析时其荷载按照顺水流方向、坝轴线方向和竖直向三个方向同时受地震荷载作用，其中竖向地震荷载为水平向的2/3，结构的总动力响应为顺水流方向和坝轴线方向动力响应的平方和开平方与竖向动力响应的0.5倍直接相加；最终总地震效应为反应谱计算的地震动应力和静力计算得到的静应力的叠加。动静叠加时需要对地震作用效应按系数0.35进行折减，再与静力计算结果进行叠加。反应谱分析得到的动应力是交变应力，所以在进行动应力和静应力叠加时，应分别进行正向叠加和负向叠加。由于地震作用下可能导致止水失效，故本次计算时按照扬压力系数为0.6和1.0两种工况进行计算。地震工况的最大位移表，见表3。

①分析应力结果可知，主厂房下游柱子与发电机层的相交部位X向的拉应力约为3.5 MPa，属于体型结构突变处，产生应力集中，但应力集中范围较小。主厂房下游柱子与副厂房上部板梁柱之间的联系梁以及副厂房上部板梁柱结构与下游墩墙之间的连系梁X向拉应力很大，约为5.0 MPa。副厂房上部板梁柱结构中板柱相交处X向拉应力交大，约为3.0 MPa。上部结构中的Z向梁的Z向拉应力较大，约为3.5 MPa。

②分析位移结果可知，主厂房下有柱子顶部X向最大位移为4.47～4.72 cm；主副厂房吊车梁顶部最大位移为3.70～3.93 cm，位移均比较大，但柱子底部的X向最大位移为2.55～2.74 cm，可知其位移是由厂房的整体位移造成的。经计算，吊车梁轨顶侧向位移满足《水电站厂房设计规范SL 266-2001》中表4.2.7的要求。

5 结 语

①上部结构中，主厂房下游柱子与发电机层相交处以及副厂房上部板梁柱结构中的板柱相交部位拉应力较大，可以通过适当的配筋来提高该部位的抗拉性能，有利于结构的安全。

②主厂房下游柱子之间的纵向连系梁、主厂房下游柱子与副厂房上部板梁柱结构之间的连系梁以及副厂房上部板梁柱结构与下游尾水墩墙之间的连系梁均有很大的拉应力，一定程度上减小了上部结构在X和Z向的摆动，有助于结构抗震。

③通过对上部结构的应力和位移分析，除个别部位有较大的拉应力外，其它部位的拉应力较小，应力分布符合一般规律，满足设计要求。位移也满足规范要求，结构合理。

参考文献：

[1] 侯攀，陈尧隆，邓瞻.用ANSYS对水电站厂房坝段进行抗震分析[J].西北 水力发电，2005，（1）.

[2] SL266-2001中国人民共和国行业标准.水电站厂房设计规范[S].

[3] 刘启钊.水电站[M].北京：中国水利水电出版社，1997.

[4] 党国强，李守义，鞠静春，等.河床式水电站厂房坝段动力分析[J].电网与 水力发电进展，2008，（3）.

[5] 樊锐，陈尧隆，刘武军，等.河床式水电站厂房坝段三维有限元抗震分 析[J].水资源与水工程学报，2009，（5）.

[6] 揽生瑞，杨菊生，李守义，等.河床式水电站结构分析与结构特性研究[J].西安理工大学学报，1994，（4）.

三维式教学 篇5

《24式太极拳》是南京中医药大学所有学生的公共必修课, 由于陈旧的教学方式使学生感到枯燥无味, 在24式太极拳教学过程中形成了一些教学死角:学生学习兴趣不高, 课堂教学过程较单一, 技术动作容易遗忘。因而, 笔者探讨利用目前流行的三维动画制作软件Maya创造一个虚拟老师的角色来教授太极拳, 它使得传统与现代结合。在教学中, 以老师身教为基础, 更丰富的传递信息, 更方便的指导演示。三维动画短片运用现代技术来弥补课堂教学时间短、不能顾及所有学生等不足点, 这就是它的价值所在, 用技术来方便人类。同时, 这也是一种教学方式的变更和进步, 增加了课堂的信息量和视听的兼顾性, 为更多的人学习太极拳提供了很好的途径。所以, 这套三维教学动画有利于太极拳运动在世界各地的传播和学习, 让更多的人群来了解这项运动, 了解中国文化。

三维技术是当下炙手可热的焦点技术。作为信息技术的衍生, 三维技术将过去不能体验到的转变为现实。现如今, 三维模拟仿真度越来越高, 也吸引了大批人才向三维技术方向发展。随着时间的推进, 计算机硬件技术也是不断在提升, 三维技术依靠着强大的硬件支持, 在广阔的平台上越走越远、越走越宽, 成为时下的一大热点, 而跨学科跨领域合作也是现下需要的, 三维技术与其他方面的结合更突显了优势。Maya是Autodesk旗下的著名三维建模和动画软件。其在三维动画的制作上较之其他软件具有强大的优势, 它涵盖了模型、材质、灯光、动画、特效等动画制作的一整套流程, 其所呈现出的非凡的数字艺术效果以及其人性化的友好操作界面设置, 为众多的动画人所青睐。

笔者根据24式太极拳的教学特点和教学需求, 结合了maya技术的制作要求, 制定出该动画视频的研究路线, 如图1所示。

1 前期概念设计

针对教学动画的内容以及目的, 辅助一些需求分析, 前期主要进行整体规划与设计, 并进行角色造型设计、场景设计以及分镜创作。选用适合教授太极拳的角色的原画, 以及比较平和易于表现太极拳的场景环境, 可以有原画的参考, 也可以自行设计。笔者选用了自行设计场景的想法, 而角色是采用了游戏模型的原画。

分镜头设计可参考资料搜集阶段找到的真人教学视频以及相关教学书籍等, 分镜展示了画面布局, 以及一些可供角色设计、场景设计阶段参考的意见, 例如角色与场景的比例大小等。由于制作的是教学动画视频, 在前期设计阶段中也需要考虑到后期合成工作。例如, 一些语音提示、背景音乐等等。整体设计建立在太极拳教学的基础上, 各个功能环节紧扣太极拳知识。

2 项目实现模块

2.1 建模

建模是动画制作的基础, Maya提供的建模方法包括:NURBS建立角色、多边形建立角色、细分建模和雕刻建模。对于人物角色来说, 通常是以人体某点作为根基开始然后向外扩展。项目中采用多边形建模方式建立人体模型及场景模型, 从基本的polygon物体开始, 通过挤压、加线、减线、移动点线面等操作制作出。24式太极拳中的场景模型在采用多边形建模后的线框图展示如图2所示。人物角色模型的布线要比场景模型的布线更为复杂, 涉及到更多Move、Extrude等操作, 当线的段数增加后, 带来的视觉效果就是曲线更加平滑, 更符合人体的生理曲线。三维人体模型线框图如图3所示。

2.2 材质与灯光

材质拥有很多可视属性, 色彩、纹理、光滑度、透明度、反射率、折射率、发光度等属性能够很大程度上模拟现实环境中任何材质, 通过各个属性的不同组合, 形成形形色色的效果。项目中利用插件Unfold3D, 对人体模型和场景模型进行UV的分离与整理, 将三维模型上的构造拆解到二维上铺平绘制贴图进入到PhotoShop中绘制贴图。

贴图绘制好后, 还要通过Maya中的材质球节点将贴图与模型连接起来。人物角色材质大致是带有高光的, 主要为体现人体皮肤的质感, 因此为角色模型添加一个Blinn材质球。人物模型图如图4所示。

场景材质中的木材、石壁、砖瓦均是不带高光的, 所以为场景模型添加一个Lambert材质球。场景外罩一个大的环境球, 并为其添加一个Lambert材质, 模拟天空的环境, 在场景中部添加一个调好的水面材质, 作为水面。另外, 材质的重要辅助是光, 离开光材质是无法体现的。灯光照明在动画制作中是不可缺少的元素, 在场景中打上平行光, 将砖头的凹凸纹理、墙壁的凹凸纹理很好的表现出来, 水纹效果和透明效果也能看出, 亭台的窗棂还附加了镂空效果。如图10所示。场景展示图如图5所示。

2.3 骨骼的创建与绑定

要想让模型“动起来”, 在Maya中通过对模型创建骨骼与模型蒙皮来实现。让模型依附于骨骼, 且对各个点赋予权重, 则可以控制模型的活动。通过对人体生理构造的研究, 确定骨骼的创建与真实人体骨骼系统的关系, 将真实人体骨骼系统简化得出建立需要的骨骼系统。躯干处主要三块骨头支撑, 肩处一块, 颈两块, 头与下巴两块, 手臂两块, 手指按照正常人体结构走, 股骨一块, 腿两块, 脚踝一块脚掌两块。

骨骼创建好后, 还需要对骨骼创建控制器以便进行控制, 以及需要对模型进行蒙皮。由于人体是有些许拉伸的, 所以角色是柔性蒙皮。蒙皮后, 就要对模型进行权重的调整, 通过调整权重尽量模拟真实人体运动时模型的形态。将权重强度值调整至适当的程度, 以便接近人物动作展示的标准程度。

2.4 动画制作

由于动画视频是通过在时间轴上不断改变输出图像, 利用人眼的延时来造成动起来的效果, 从而形成“动画”。于是制作动画的主要思想是插入关键帧。

在Maya工作区域中, 对时间轴上某一帧的动作进行设置关键帧, 并且在连贯动作时通过调节动画曲线使动作更加流畅。每个控制器有位移、旋转等属性, 在动画曲线编辑器里与时间结合即可构成相应的曲线。一帧图像代表了时间节点中此刻将呈现什么样的图像, 一秒钟包含24帧图像, 连续播放起来就是动画。动画制作主要基于分镜设计。动画片段其实就是各个动作聚合而成, 每个分镜详细创作则成为layout故事板。

2.5 渲染

渲染设置主要通过设置图片大小、图片帧数、渲染器选择、品质这几个参数。硬件条件决定了渲染速度。渲染之前必须要定位三维场景中的摄像机, 透过已设置好的相机, 将其中呈现的角色、场景、动画, 在时间轴上各个节点处形成相应的图片。这些图片就是在该相机中的呈现, 通过后期合成制作为视频, 以每秒24帧图片的播放速度动态呈现。

由于动画片段由图片序列构成, 所以依靠Maya强大的渲染功能渲染成图片帧, 进行后期合成以及进一步操作。渲染过程能够比较真实的展现在Maya中营造的效果, 包括材质、灯光构成的一些效果, 这些细节能够在单独帧中得以体现, 并且也能在合成视频时体现。图6展示了动画项目中的某帧渲染后的效果。

2.6 后期合成

后期合成是项目制作的最后一步。将项目工程中渲染出的图片序列导入进AfterEffects中进行合成。按照每秒24帧的帧速率将图片序列帧合成为视频文件。在Composition Settings中选择相关设置, 另外也可在选取的背景音乐中添加声音效果, 利用Audition将各个声音素材混缩到一个音轨上, 导出成音频素材, 作为视频的背景音乐。

24式太极拳的三维教学动画制作是中国传统保健学、计算机学科及动画技术交叉整合的创新应用, 运用时下比较热门的三维动画技术将古老传统医学中的养生拳法展现出来。在教学方式上, 打破了由一名老师教授多名学生的现状, 使用教学动画对学生进行较为系统、全面的太极拳教育, 通过精美、细腻的三维动画展现达到现实演示的效果。项目的开发过程是一个探索和实践的过程, 从对现实生活中的场景将其电子化, 从收集资料学习到真正的开发实战, 无一不提高了我们的创新意识、激发了创新精神、锻炼了创造能力, 这是一次与时俱进、又传承经典, 利用现代流行的信息技术将传统文化发扬光大的研究与应用。

摘要：24式太极拳作为一种传统的中医养身保健运动, 内外俱练、神形双修, 深受广大人民群众的喜爱。为了方便太极拳课程的教学和学生们的自学, 结合当前流行的三维动画技术, 进行了太极拳教学动画视频的制作探讨, 利用Maya与中国武术的结合, 让学生能够更自主、更直观的掌握太极拳各招式要领, 同时也极大的丰富了太极拳的教学形式。

关键词：24式太极拳,Maya,教学动画,三维

参考文献

[1]时代印象.中文版Maya2012实用教程.人民邮电出版社, 2012.

[2]铁钟.Maya2012完全学习手册.清华大学出版社, 2012.

[3]完美动力.Maya模型.海洋出版社, 2012.

[4]完美动力.Maya绑定.海洋出版社, 2012.

[5]完美动力.Maya材质.海洋出版社, 2012.

[6]完美动力.Maya动画.海洋出版社, 2012.

[7]童红云.中华太极拳:国家标准竞赛套路24式.成都时代出版社, 2009.

三维针刺式散热管加工工艺研究 篇6

三维针刺式散热管作为一种新兴的散热元件, 由于其特殊的螺旋针刺状结构, 使其具有优良的散热性能, 也是未来散热管发展的一个重要方向。随着生产的发展和科技的进步, 传热技术已逐步由第二代向第三代转化。目前, 使用较为广泛的是三维翅片式散热管 (以下简称翅片管) , 常见的翅片管有以下四种:1) 套装式翅片管;2) 螺旋焊接式翅片管;3) 挤压式翅片管;4) 切削-挤压式翅片管。

实践表明, 上述四种翅片管存在以下不足:1) 套装式翅片管和螺旋焊接式翅片管的翅片与基管不是一个有机的整体, 存在热阻;2) 四种翅片管的翅片风阻或液阻很大, 导致散热效率严重下降等, 这在很大程度上影响了散热管的性能。为克服目前翅片管存在的不足, 出现了一种如图1所示的新型三维针刺式散热管。该散热管结构特殊, 加工方法有一定的难度。笔者根据实际生产的需要, 结合其结构的特殊性, 经过反复试验, 提出了一种三维针刺式散热管加工的新工艺, 并设计了相应的加工设备方案, 经生产实践表明, 收到了较好的效果。

1 三维针刺式散热管

如图2所示, 三维针刺式散热管是由基管及其外表面沿螺旋线方向依次排列的切离管表的针刺形状金属材料组成。针刺式散热管主要参数如下:其管径d=10～30mm;针刺高度H=5～25mm;针刺宽度B=1～3mm;针刺螺旋间距 (轴向间距) T=2～5mm;针数每周N=30～50个。

这种三维针刺式散热管的特殊结构使其具有以下优点:1) 针刺与中心管是一体的, 减少了热阻, 大大提高了热传导率;2) 针刺的螺旋布置, 有利于介质 (空气或液体) 流通, 减少了阻力, 并且使流经针刺的介质呈紊流状态, 加快了散热管与介质的热量交换, 使传热效率更高;3) 针刺式散热管具有优良的抗震性、耐用性和耐压性等。

实践表明, 三维针刺式散热管相比其他类型翅片管散热系数提高2～3倍, 介质压力损失降低1.5～2倍, 减少了散热器的动力消耗。在相同负荷情况下, 针刺式散热管体积小, 节约材料, 降低了成本。在同等使用条件下, 针刺式散热管寿命可延长1～2倍, 是一种节能换代产品。

2 三维针刺式散热管加工工艺

2.1 基本工作原理

新工艺采用一种特殊的刀具, 通过切削-推挤的方式实现针刺的成形加工。

加工时, 刀具作往返直线运动, 基管作间歇式转动的同时进行轴向进给运动。由于刀具主切削刃与被切基管轴线间存在一夹角α, 故切削刃切除外管壁表层金属的厚度是从小到大变化的。当刀具主切削刃一次切削完毕, 被切离管外壁的表层金属 (呈条状切屑) 根部仍与管体相连, 随着刀具的继续前进, 该切削刃的特殊形状的后刀面将条状切屑推挤, 使之竖立于基管外壁, 至此完成了一根针刺的加工。随后, 基管将转过一个角度, 并同时作轴向进给, 为下一次加工做好准备, 这样连续循环的动作完成整根针刺式散热管的加工。其工作原理如图3所示, 图中基管1被装夹在专用夹具2上, 并且由插床动力轴10通过链11传动使基管在不进行切削时作间歇式转动, 同时通过丝杆9传动使基管作轴向移动;专用刀具5被装夹在插床的插头8上, 作往返直线运动。图中4是工件夹紧系统, 由电磁阀控制的V形夹紧机构在刀具切削的时候实现基管夹紧。这里, 可根据基管管径的不同, 选取不同型号的刀具, 满足生产要求;同样, 根据针刺尺寸的不同, 确定不同的基管轴向进给量x、周向转动进给量M和工作台的高度z, 从而适应不同规格型号针刺管的加工。

实践表明, 这种三维针刺式散热管的加工工艺具有以下特点:1) 节约材料, 即在整个针刺加工的过程中, 通过金属在塑性状态下的体积转移实现, 而不是靠部分地切除金属的体积实现, 因而材料利用率高;2) 由于加工硬化作用, 加工后的散热管机械物理性能得到了加强, 充分地发挥了金属材料塑性变形的潜在能力;3) 工艺参数的控制 (针刺高度H、针刺宽度B和针刺螺旋间距T等) , 在相同的管径下, 可加工出不同尺寸要求的针刺, 故可实现多品种散热管加工;4) 加工设备机构紧凑, 占地面积小。

2.2 主要工艺参数

a) 刀具的往复直线运动速度v:在针刺加工过程中, 刀具装夹在插床的插头上, 故刀具的往复直线运动速度v的大小是可以调节的。试验表明, v=15～45mm/s时, 针刺的加工效果最好。当v>45mm/s时, 针刺加工瞬间的应变速率过大, 切削-推挤针刺时易使针刺折断, 导致产品不合格;当v<15mm/s时, 加工效率太低经济性。

b) 基管表层金属的切削最大深度Δzmax以及刀具倾斜角α:如图4所示, 在单个针刺切削变形过程中, 针刺高度H最终由切削最大深度Δzmax和刀具倾斜角α决定, 即H=Δzmax/tanα。由工艺试验结果, 倾角最佳取值范围α=1°～3°。生产实际中, 当倾角α大于这个范围时, 针刺根部由于塑性变形严重而容易脱落;如果倾角α小于这个范围时, 加工出的针刺高度太低, 导致针刺管传热效率过低。

切削用量Δz是决定针刺高度H的关键参数, 而针刺高度H又是影响散热管散热效果的关键参数。如图5所示, 在中心管管径 (d=16mm) 和针刺螺旋间距 (T=4mm) 一定时, 通过试验测得散热管的针刺高度H与散热效率η之间的关系。

c) 基管的轴向移动进给量x和周向转动进给量β:在整个三维针刺式散热管加工过程中, 基管的轴向移动和周向转动由机床动力输出轴通过链传动和丝杠传动同时实现。基管的轴向移动进给量x和周向转动进给量β决定散热管外表层针刺的螺旋线分布情况, 针刺螺旋间距T=Xn, 其中n为带动基管转动的齿轮的齿数。

基管的轴向移动进给量x是决定针刺螺旋间距T的关键参数, 而针刺螺旋间距T又是影响散热管散热效果的关键参数。如图6所示, 在中心管管径 (d=16mm) 和针刺高度 (H=7mm) 一定时, 通过试验测得散热管的针刺螺旋间距T与散热效率η之间的关系。

3 加工设备

根据三维针刺式散热管加工的基本工作原理, 结合散热管生产效率、不同基管的适应性以及操作维修等方面的要求, 经多种方案的论证比较, 确定了如图7所示的设备总体方案。

该设备主要由以下三个部分组成:

1) 针刺的加工部分:由专用刀具、专用刀夹和插头等组成 (图3) 。工作时, 刀具随插头作直线往复运动, 切削速度可通过调整插床实现, 以满足不同的加工需要。

2) 基管的夹紧机构:主要由V形夹持机构、橡胶补偿垫片和电磁阀等组成。工作时, V形夹紧机构的动作由电磁阀控制, 电磁阀动作频率与刀具的切削往复运动频率同步, 在刀具切削的时恰好夹紧基管, 保证切削时基管不发生位移或振动, 同时采用橡胶补偿垫片来补偿由基管尺寸变化而产生的夹紧行程的变动量, 实现可靠夹紧。

3) 基管的进给系统:进给系统包括基管的轴向移动进给机构和周向转动进给机构两个部分, 主要由齿轮、链条和丝杠等组成 (图3) 。工作时, 由插床机箱侧面的动力输出轴经速度变换, 分别带动工作台和间歇式旋转机构实现工件的轴向进给和周向进给。

实践表明, 该三维针刺式散热管加工设备具有产品适应性强、结构紧凑和操作调整方便等显著的特点。

4 结语

提出了一种新型三维针刺式散热管加工工艺, 采用间歇式切削-挤推成形加工方法, 具有节材性、稳定性和产品适应性强等特点。可以预见, 随着研究工作的不断深入, 三维针刺式散热管加工技术必将得到更进一步地发展, 并且在生产实际中发挥越来越大的作用。

参考文献

[1]Bergles AE.Enhanced heat transfer:endless frontier, or mature androutine[J].Journal of Enhanced Heat Transfer, 1999 (6) :79-88.

[2]杨世铭, 陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 1998.

[3]林宗虎.强化传热及其工程应用[M].北京:机械工业出版社, 1987.

[4]袁启龙, 李言, 郑建明, 等.切削-挤压翅片管成形过程的研究[J].中国机械工程, 2005, 16 (17) :1550-1552.

三维式教学 篇7

根据精确打击实验的实战要求, 任意视点和角度的二维基准图制备成为关键, 因此需提供一种快速建立生成打击目标区三维场景的仿真平台。该平台针对打击目标区的气候的多样性、背景的复杂性、各种目标运动的不确定性, 提出了界面交互、镶嵌式的场景生成方法。很好地解决了不同背景、不同目标区场景的快速构架, 为不同目标区的场景生成提供了一种便捷的方法。

目前, 计算机场景仿真可以采用Vega、Creator等, 但这些软件可移植性不强。因此, 本文采用了一种开源的三维图像渲染工具包OpenSceneGraph (OSG) , 利用PC机在VS2008环境下开发一个OSG和MFC结合的通用前视三维场景仿真平台。

1三维场景仿真平台的开发

1.1OpenSceneGraph (OSG)

OpenSceneGraph是一款高性能的、开源的、跨平台的3D图形开发工具包, 可以运行在Windows的所有版本操作系统, 包括Linux、HP-UX等操作系统。它包含了一系列的开源图像库, 主要为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形渲染优化的功能, 当OSG运行时文件由一系列动态链接库 (或共享对象) 和可执行文件组成, 这些链接库可分为5大类:

① OSG核心库:提供了基本的场景图形和渲染功能, 以及3D图形程序所需的某些特定功能实现;

② NodeKits:扩展了核心OSG场景图形节点类的功能, 以提供高级节点类型和渲染特效;

③ OSG插件:包括了2D图像和3D模型文件的读写功能库;

④ 互操作库:使得OSG易于与其他开发环境集成, 例如脚本语言Python和Lua;

⑤ 不断扩展中的程序和示例集:提供了实用的功能函数和正确使用OSG的例子。

1.2软件平台功能

作为打击目标区的前视三维场景仿真平台, 除了能够提供快速、高效、逼真的三维场景仿真过程, 还要求具有以下功能特性:

① 可实现镶嵌式场景生成, 通过人性化界面实现各种目标区三维场景的生成;

② 多种模型的镶嵌, 可加载地形、建筑物、车辆模型等实物文件, 也可加载天气效果模型如雾、雪、雨;

③ 对于镶嵌模型格式的通用性。依托OSG数据读写插件, 可加载基本常用的各种软件创建的2D或3D数据文件如 (.flt.3ds.obj) ;

④ 较强的扩展性。充分利用扩展开发的优势, 增强可扩展性, 方便用户进行自定义设计和扩展;

⑤ 场景生成后的快捷输出。在完成目标区目标的生成后, 用户可选择保存为.ive格式的整体场景输出, 下次可直接调用。

1.3面向对象的镶嵌式设计思想

三维场景的仿真过程一般是根据目标区实际需求, 编写代码或通过某种软件工具建立不同的场景。当目标区场景改变时, 必须重新修改代码重新建模, 因而使得三维场景开发周期长, 工作量大, 不适于实战的需要。

本平台采用面向对象的镶嵌式的三维场景生成方法, 在此平台上, 可以不编写代码, 只需通过界面操作就可以实现不同目标区场景的生成。具体思想是, 用户可以在软件平台上加载各种模型, 如地形、场景、建筑物目标、天气模型等, 软件将这些模型均作为物体来处理, 并且将各种模型的属性设置如模型的坐标、模型光照等也当作属性物体来处理, 统称为资源。当资源添加完成后, 用户通过场景生成器将各种资源有机的结合在一起渲染, 从而形成整个目标区的三维场景。如将建筑物目标 (物体) 镶嵌到模型坐标 (属性物体) 上, 那么建筑物目标就会放到场景相应的坐标位置。

用户加载完成后, 整个场景也就搭建完成。整个过程就像是在一个方框内镶嵌, 依次把不同的模型放置方框内对应的位置, 然后组装成一个完整的场景, 如图1所示。

1.4总体结构设计

依据功能, 将软件分为4个部分:界面库、插件管理库、模型管理库和场景生成库。

① 人性化的界面对于软件来说是非常重要的, 界面库在MFC界面类的基础上为程序的界面提供支持且与用户操作交互的部分, 所有与界面相关的支持类、派生类都在这个库里面, 使程序结构清晰明了;

② 插件管理库主要是为用户提供扩展的接口, 如用户对新的文件类型的支持、数据格式的支持等。通过导入相应的插件, 用户可以完成软件功能的扩展;

③ 模型管理库是对OSG类库的封装或扩展, 如视口类、天气特效类、显示光照效果的光照类、基本模型类等, 该库集成了主要的场景模型加载功能;

④ 场景管理库是软件的核心, 负责对场景的生成调度和管理, 包含场景生成器、数据驱动类等。

这4个部分作为独立的动态链接库来支撑整个软件, 对程序进行升级时, 只需更改相关的动态库而其他库可不做变更。软件结构如图2所示。

以场景管理库为核心, 初始化窗口、视口、渲染上下文等对象, 导入地形、目标、光照等模型;以界面交互为场景过程生成手段, 添加删除资源、设置实物资源的属性、对资源进行镶嵌以及和程序进行交互等;以模型管理库为模型储存仓库, 对导入的模型、已生成的天气模型、光照模型等进行存储, 以供场景管理库的加载。这些部分共同完成了目标区三维场景的仿真生成平台。

1.5平台的数据组织结构

场景生成平台依托OSG采用一种自顶向下, 分层的树状数据结构来组织空间数据集, 以提升渲染的效率。场景图形树状结构的顶部是一个根结点。从根节点向下延伸, 各个组节点中均镶嵌了几何信息结点和用于控制其外观的渲染状态信息结点。根节点和各个组节点都可以有零个 (有零个子成员的组节点事实上没有执行任何操作) 或多个子成员。在场景图形的最底部, 各个叶节点包含了构成场景中物体的实体模型数据。如这样一个三维数据库:某个地形中放置了一幢建筑物目标和2辆一模一样的坦克, 则数据为如图3组织方式:根节点之下有4个分支节点, 分别为地形坐标模型、建筑物目标坐标模型以及2个坦克坐标模型。因为2辆坦克的模型是一样的, 因此, 可只加载1个坦克模型, 然后镶嵌到2个坦克坐标模型中, 以产生2辆坦克的外观效果。而地形模型则镶嵌到地形坐标节点下, 建筑物目标模型镶嵌到建筑物目标坐标节点下。最终在场景生成器中渲染构建。

2平台的实现及应用

以OSG2.8.2为开发引擎, 在Windows XP和VS2008环境下基于MFC窗口开发的通用导弹打击目标区场景构建平台。

此平台采用镶嵌式场景生成方法, 对于每一个不同的目标区场景的构建, 不需要编写代码, 只需直接在平台上通过界面操作导入实物资源、设置资源, 并通过对实物资源的镶嵌和实物资源属性数据的镶嵌最终经过场景生成器渲染实现生成整个场景。且生成好的场景可以导出.ive格式的场景文件, 可以反复调用。可以看出场景构建平台可以大大减少工作量, 降低开发难度。

作为示例, 简单实现了某打击目标区的场景生成, 如图4所示。

在该示例中, 添加的资源有地形、坦克、房子、雪以及所对应的属性资源。通过场景生成器, 将实物资源按照对应的属性资源镶嵌到场景中, 将场景镶嵌到窗口上, 最终仿真生成场景, 且可以导出整个场景文件。运行期间, 整个场景仿真过程生成较快、渲染效果逼真, 能够满足打击目标区场景生成并生成基准图的需求。

3结束语

镶嵌式的场景生成过程是场景生成的一种新的方法和尝试, 可以减少用户的软件开发工作量, 满足打击目标区场景快速生成的要求, 避免重复劳动。模型库的完善和多视点的调整将是下一步研究的工作。

摘要：三维场景仿真已成为精确打击实验的关键技术手段, 有着广泛的应用前景。仿真平台以开源三维图像渲染工具包OpenSceneGraph (OSG) 为开发引擎, 依据面向对象的镶嵌式三维场景仿真生成思想, 以各类模型为构成场景的基本资源对象, 采用自顶向下分层的树状数据组织结构实现了软件平台的开发。通过给出示例, 说明了软件平台的应用可以大大降低打击目标区场景仿真过程开发的周期和难度, 满足制导武器实验的要求。

关键词：开放式场景,镶嵌式,场景仿真,开发技术

参考文献

[1]申闫春, 朱幼虹, 曹莉, 等.基于OSG的三维仿真平台的设计与实现[J].计算机仿真, 2007, 24 (6) :207-211.

[2]闫晓东.基于OSG的飞行视景仿真平台开发[J].计算机仿真, 2008, 25 (5) :58-60.

[3]施仁奈 (美) .OpenGL编程指南 (第5版) [M].徐波, 译.北京:机械工业出版社, 2006.

[4]温转萍, 申闫春.基于OSG的虚拟校园漫游系统的设计与实现[J].计算机技术与发展, 2009, 19 (1) :217-220.

三维式教学 篇8

冲击式水轮机又称水斗式水轮机,水斗形状类似于两个瓢并排连在一起,连接处称分水刃,其端部称为分水刃尖,在分水刃尖两侧开有圆形缺口,以利于射流能有效地射到后续水斗上。

喷嘴射出的圆柱形射流轴心线与转轮分水刃应在同一平面内,此平面与主轴垂直,以主轴心为圆心,与射流轴心线相切的圆称节圆,节圆直径规定为冲击式转轮的标称直径,如图1所示。

焊接结构转轮的水斗也是单个或几个铸造,再与轮幅焊接。为增加根部强度,在不影响水斗内射流、出流前提下,在前后水斗根部间加支撑,缩短水斗悬臂长度,加强水斗整体性。焊接转轮保留了组合转轮的优点,强度也可赶上整铸转轮。近年来焊 接技术发 展很快,可保证焊 接质量,因此焊接结构的大中型冲击式转轮得到广泛应用[1]。

2冲击式水轮机转轮轮幅三维实体生成

冲击式水轮机转轮轮幅的形状整体为圆环形,AutoCAD三维实体创建相对容易,只需要对轮幅的平面视图断面进行面域处理,然后通过模型的旋转命令就能生成圆环形轮幅,如图2所示。

轮幅上的螺纹孔创建稍显复杂,需要螺纹牙型断面通过螺旋线路径生成螺柱M56和螺柱M18。

螺柱M56创建方法:1创建底面直径 Φ48、高150的圆柱;2在圆柱表面创建螺旋线,底面半径R24、顶面半径R24、圈高6、螺旋高度180;3在侧视图绘制底边4、上边2、高4的等腰梯形,并生成面域;4用扫掠命令将等腰梯形沿螺旋线路径扫掠成螺纹牙型,要特别注意等腰梯形的方向;5把圆柱沿轴线方向移动15,使圆柱在螺纹牙型中间,用圆柱的端面剖切掉多余的螺旋牙型,然后并集为一个实体,如图4所示[2]。

同理创建螺柱M18,如图5所示。

把螺柱M56和M18移到图2轮幅的指定位置后,分别进行4个和8个环形阵列,再用实体编辑的差集命令在轮幅上形成螺纹孔,最后对4个M56螺孔两端进行C5倒角,结果如图3所示。

3水斗三维实体生成

由于水斗由不规则的曲面组成,因此水斗是冲击式水轮机转轮实体AutoCAD建模最难的部分,其投影曲线A至曲线K的参数如图6所示。

建模的总体思路:绘制水斗各断面图,放样生成曲面。 如图7所示,对俯视图和左视图等距建立截面1至截面11,利用三等对应关系画出主视图各截面图曲线。与图7中的主视图作图法一样,全部完成11个截面的主视图曲线。在曲面关键变化点也需要截面图表达,可在其关键点处新建截面图,如在截面1后面增加截面0,截面9和截面10之间增加截面12,再利用三维旋转、移动命令把各截面图按立体空间位置进行摆放,如图8所示。

创建水斗曲面方法如下:1依次选择图8中截面1至截面6进行放样生成曲面;2截面6和截面7进行放样生成曲面。由于截面6和截面7上面中间位置从一点渐变为一条线段,故在上面中间位置需要画2条导向线,如图8所示,在放样时选择这2条导向线;3截面7至截面9进行放样生成曲面;4截面9和截面12进行放样生成曲面。 由于水斗凹面在截面12表面处结束,所以在两截面上按图8所示绘制4条导向线,在放样时选择这4条导向线; 5截面12和截面10进行放样生成曲面。由于水斗下面在此段有曲面转折,所以在两截面下按图8所示绘制4条导向线,在放样时选择这4条导向线;6截面10和截面11进行放样生成曲面。由于水斗下面在此段有曲面转折,所以在两截面下按图8所示绘制2条导向线,在放样时选择这2条导向线;7截面0和截面1进行放样生成曲面。由于水斗上面在此段有曲面转折,所以在两截面上按图8所示绘制1条导向线,在放样时选择这1条导向线;8把图7中的俯视图截面1到截面0之间的水斗分水刃尖曲线复制出来拉伸成曲面,然后用此曲面修剪掉水斗截面1和截面0之间多余的部分;9使用修补曲面对水斗分水刃尖处的缺口进行封口修补处理,如图9所示。图10为对水斗添加材质和光源后渲染出的金属效果图[3]。

4三维实体合成

三维式教学 篇9

三维脸部动画具有巨大的实用价值和宽广的应用范围，一直以来都是计算机动画研究领域的热点和难点。在SIGGRAPH 99上，Blanz与Vetter介绍了一种用于合成脸部模型的可变形(morphable)模型(以下简称为可变形模型)[1]。一方面，可变形模型以其简洁优雅的原理和生动逼真的效果获得广泛的重视和认可;另一方面，可变形模型在脸部动画方面用途有限，具体地说，可变形模型只能模拟静止(即无表情)的脸部，而无法对具有表情的脸部进行模拟。

后续将变形技术用于动画方面的努力包括[2,3,4]。其中[2,3]都在某种程度上对可变形模型进行了类似的推广，但这些推广都不彻底。[2]中的“表情与嘴形”数据均来自于同一个人，却被无差别地应用到所模拟的每一个人的脸上。这种以偏概全的做法违背了可变形模型的多样性。[3]也只包含单一的嘴形数据。[4]虽然模拟的是动物，但采用的是多样性数据(来自于多名设计人员)，因此在原理上与本文最接近。

本文的主要贡献在于彻底推广可变形模型并提出一个新模型，该模型将可变形模型在脸部模拟方面的多样性发扬到表情模拟方面。另外，在表情生成方面，用机器学习的方法来得到各种表情之间的相关性，进而对不同的表情进行转换，也是本文的一大创新之处。

本文第2和3节分别介绍和推广可变形模型。第4到5节对伴随新模型产生的问题(三维对应性的建立和表情生成)进行讨论。第7节给出初步的实验结果。

2 可变形模型

可变形模型的基本原理可概括为：将一个已有的脸部模型样本集转化到某种向量空间表示法中，新的脸部模型就可以通过在该向量空间中进行线性组合得到。

可变形模型用几何形状和纹理来模拟脸部，即一个脸部模型由几何形状和纹理两个部分组成。不失一般性，现只考虑其几何形状部分而忽略其纹理部分。一个脸部模型的几何形状(以下简称为脸形)是用其所包含的n个顶点的坐标，即一个形状向量S=(X1,Y1Z1,X2,…,Yn,Zn)T∈R3n来表示的。

现有一个脸部模型样本集，包含p个人的样本脸形Si,i=1,2,…,p。在为这p个样本脸形建立对应性之后，将它们进行线性组合就可以得到一组新的脸形：

所谓可变形模型，即这样一组参数化的脸形：Snew_mod()，其中参数为=(α1,α2,…,αp)T。

通过变换可变形模型中的参数，可以合成新的脸形，从而对其他人(即除了样本集中的p个人之外的某人)的脸部进行模拟。可变形模型的模拟能力(即模拟任意一个人的脸部并达到可接受精度的能力)取决于样本集的大小p和样本脸形的分布。

3 综合表情模型

可变形模型中只包含静止脸形样本，所以只能模拟静止的脸部，而无法对具有表情的脸部进行模拟，也就是说，它只有“人”这一个维度。但只要在可变形模型中加入具有表情的脸形样本，就可以使其对具有表情的脸部进行模拟，也就是说，可以在原有的“人”的维度的基础上增加一个“表情”的维度。基于这种思路，本文提出了一个综合表情模型。

设一个具有表情e的脸形(在不致混淆的情况下，以下简称为表情)为Se。现有一个脸部表情模型样本集，包含p个人每个人的e种样本表情Si,j,i=1,…,p,j=1,2,…,e。在为这p*e个样本表情建立对应性之后，将它们进行线性组合就可以得到一组新的表情：

类似于可变形模型，所谓综合表情模型，即这样一组参数化的表情：Sexpr_mod(B)，其中参数为B=((b11,…,b1e),…,(bp1,…,bpe))T。

通过变换综合表情模型中的参数B，可以合成新的表情，从而对其他人的脸部表情进行模拟。需要注意的是，与可变形模型一样，综合表情模型的“创新”仍是在“人”的维度上进行，即对其他人的脸部表情的模拟只能在已有表情的范围内进行。例如，如果样本集中只有三种样本表情(即e=3)：静止、笑和悲伤，那么仅能对其他人的这三种表情进行模拟。关于如何界定不同的表情以及如何从已有表情得到新表情不在本文范围之内，本文假设文中所提到的表情都有清晰的界定。

为了降低样本空间以便于对目标进行模拟，对样本表情应用主成分分析(PCA)后，综合表情模型可表示为以下的PCA形式：

其中，为样本表情的平均值，Si,i=1,2,…,pe-1为样本表情的特征向量(按特征值从大到小排列)。如此一来，每个表情都转化为一个对应的参数向量(以下简称为表情参数)。将样本表情所对应的表情参数记为βi,j,i=1,2,…,p,j=1,2,…,e。

4 三维对应性的建立

三维对应性(3D Correspondence)是指在两个模型中各自找到一些点，而这些点模拟的是同一个物体中的同样的点(如同一个人在两种表情中的嘴角位置)，或不同物体中相对应的点(如两个人的鼻尖位置)。对应性的建立，尤其是密集的点对点对应性，使得两个模型处于相容的状态，在几乎所有的变形方法中都是至关重要的一步。本文采用一种相对简单的方法来在两个脸形之间建立对应性。该方法先用ICP(Iterative Closest Point)算法[5]将两个脸形对齐(如果它们离得比较远，先手动移动它们使得它们之间的距离在ICP的作用范围内)，然后对它们进行统一的重采样，从而为两个脸形建立对应性。

5 表情生成

从一个人静止时的脸部的样子，可以猜测甚至推断其微笑时的脸部的样子，也就是说，对于特定的个人，其各种表情之间存在相关性，而这种相关性可以用来对不同的表情进行转换。本文采用一种监督式学习方法来实现这种转换。具体地说，对于某种表情转换：e1->e2，先构造一个通用回归神经网络(General Regression Neural Network)[6]，然后用源表情e1的p个样本所对应的表情参数βi,e1,i=1,2,…,p作为输入和目标表情e2的p个样本所对应的表情参数βi,e2,i=1,2,…,p作为目标来构造一个训练集，最后用该训练集训练该神经网络使之收敛。这样就得到了一个表情转换器：e1->e2，输入待转换的表情参数，就可以得到想要的表情参数。需要注意的是，一个神经网络一般只能用于一种转换，不同的转换需要不同的神经网络。

6 实验

本文采用GavabDB数据库[7]作为实验数据。该数据库包含61个人*3种样本表情(静止、微笑和大笑),但只提供了几何形状数据而没有纹理数据,所有数据都是通过激光扫描真实人物得到的。实验采用前56*3个样本来建构模型,后5*3个样本用作验证,并选取模型中的前38个成分(占模型的99.8%)来进行。结果如表1和图1所示。

7 结论

本文在脸部动画方面的探索显示了这样一种可能性：通过一个适当的统计模型可以使统计分析、优化以及机器学习等这类强大、成熟的方法和工具参与到脸部动画这个问题中来，从而为该问题的解决开辟一片新的天空。

下一步的工作主要集中在这些方面：采用一些标记和分类的方法对模型的功能进行深度挖掘;开发出对模型模拟能力进行定量分析的手段，在原来以模拟(现实人物)为主的应用情景的基础上发展出既能模拟又能生成(虚构人物)的应用情景。

注:“直接”指直接用模型进行模拟生成结果,“学习”指从静止表情通过转化得到结果

注:从第一行到第二行分别为微笑和大笑,从第一列到第三列分别为原始样本、直接模拟结果和学习结果

参考文献

[1]Blanz V,Vetter T,A Morphable Model for the Synthesis of3D Faces[C].Proceedings of the26th annual conference on Computer graphics and interactive techniques,1999:187-194.

[2]Blanz V,Basso C,Poggio T,et al.Reanimating Faces in Images and Video[J].Computer Graphics Forum(EUROGRAPHICS2003),2003,22(3):641-650.

[3]Ezzat T,Geiger G,Poggio T.Trainable Videorealistic Speech Animation[C].Proceedings of the29th annual conference on Computer graphics and interactive techniques,2002:23-26.

[4]Reveret L,Favreau L,Depraz C,et al.Morphable Model of Quadrupeds Skeletons for Animating3D Animals[M].Proceedings of the2005ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation,2005:29-31.

[5]Rusinkiewicz S,Levoy M.Efficient Variants of the ICP Algorithm[M].In3DIM'01,IEEE CS,2001:145-152.

[6]Wasserman P D.Advanced Methods in Neural Computing[M].New York:Van Nostrand Reinhold,1993:155-61.