古建筑动画计算机生成与榫卯模型动态生成技术的研究

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目前动画技术已经深入渗透到众多领域。全过程计算机辅助动画自动生成是一个结合人工智能与现代多媒体技术的崭新课题,由中科院陆汝钤院士在国际上首次提出,并研制出原型系统《天鹅》。古建筑动画计算机辅助生成技术是一个崭新的课题,对再现我国文化瑰宝有着重大意义。目前在古建领域,国内外动画制作方面的工作很多,但从描述建筑结构的类自然语言开始,由计算机完成全过程动画创作的研究还没有过。动画自动生成技术与古建筑领域相结合,发挥了其快速、高效、教育意义强的优势。 本文首先从系统设计思想出发,对比原《天鹅》系统的流程,分析并确定了新系统的整体结构。这包括划分系统的层次,规划系统的模块结构以及相关模块的数据库和知识库,以及规范描述语言的设计。古建筑动画计算机辅助生成技术是动画自动生成技术在中国古建筑领域内的一个具体应用。它是以一段类自然语言描述的古建筑结构作为系统输入;依照古建筑形制的规则库,动态计算古建筑各个部件大小及其榫卯的相应位置;然后依照形制及搭建顺序知识库推算古建筑部件的建造顺序;从定性及定量两个方面对动画进行语言描述;最终辅以摄像机规划等模块完成动画的新技术。其中,对于系统功能模块的划分以及模块及模块间的接口的确定是本技术的难点:与此同时,古建筑领域不同于其他生活中的常用领域,它包括很多专业术语以及一些历史习俗、背景等等,因此,本文着力于合理的归纳整理古建知识规则,形成结构良好,功能性强的推理模块,最终实现完整的古建筑动画自动生成系统。 古建筑规范描述语言是系统对用户输入建筑形式分析求精后分别在定性层和定量层上的描述。它规定了系统内部模块的数据输出格式以及模块间进行通信和数据传输的标准。本文在规范描述语言的设计中首先介绍了文件的载体XML和语言的格式规范XMLSchema。最后分别从定性和定量两方面对规范描述语言进行详细的设计分析。 榫卯是中国传统木构架体系建筑中最普遍的功能结构,一座大型的宫殿式木构建筑,要由成千上万个单件组合而成。这样多的木构件除了椽子、望板这类屋面木基层构件外,其余几乎全是凭榫卵结合在一起的。木结构的形式和榫结合方法是中国古代建筑的一个主要结构特点。本文通过动画自动生成技术,根据用户输入的特定建筑形制参数,借由Ontology本体知识库和模型库,逐步生成对榫卯结构的定性描述、对榫卯部件的定量描述、以及动画脚本,最终根据动画脚本通过三维空间的布尔运算技术生成满足需要的榫卯模型,对于展示榫卯的结构、功能以及宣传中国古建筑艺术都有着重大的意义,其难点是榫卯规则的整理、Ontology本体知识库的设计、榫卯位置的计算以及模型布尔运算技术核心内容的研究。本文实现了古建筑动画自动生成技术中的榫卯动态生成系统原型,解决上述难点问题,为古建动画系统增添了亮点。
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