三维卡通海浪动画建模分析

    随着改革开放的日益深入，在物质生活得到保证的同时，人们也越来越关注对于精神生
活的享受。近年来，随着欧美日的卡通动漫产品进入我国市场，中国观众也欣赏到了高水平
的卡通动漫。但与此同时，国外的产品也对我国的卡通动漫产业发展造成冲击。为了保护我
国卡通动漫产业健康持续发展，卡通动漫工作者必须要提高我国的卡通动漫制作水平，更
好地为观众提供高水平的卡通动漫产品。除了在故事情节上下功夫，还要在卡通动漫的绘画
上进行研究。传统的绘画工艺已经不能满足现代观众对于产品质量的要求，所以与计算机结
合，利用计算机的超强模拟技术，对绘画对象进行模型建立，使卡通动漫的画面惟妙惟肖。
海浪作为绘画时的一个难点，尤其需要计算机技术的辅助。

 

　　

1 国内外对于海浪建模的主要方法 

　　现阶段对于海浪建模的方法主要有：对几何形状进行研究建模、以流体力学为基础进行
研究建模、以粒子系统为基础进行研究建模以及对海浪谱进行研究建模。

 

　　

1.1 对几何形状进行研究建模 

　　对于几何形状的研究主要是从海浪的形貌上进行分析，通过曲线或者曲面函数来描述
海浪的形状与状态。对于海浪形状的改变，只要改变函数内的参数，就可以使所建立的模型
与实际情况同步变化。一般采用的函数包括正余弦曲线、二次函数以及

B-Splines 函数（B 样

条函数）。运用正余弦函数和二次函数建立的模型，对浪的高度、频率调整快速并且易于实
现，但其也有模型简单，对于复杂海浪波形无法进行模拟的缺点。对于

B 样条函数主要分

为均匀与非均匀两种。将柏林噪声与

B 样条函数相结合使用，对于水面波的模拟比较真实，

可以控制波的具体形态，可以得到复杂的海浪效果。但其具有模拟的局限性，对于广阔海面
不能进行实时控制。几何形状模拟的方法对于操作设备的要求不高，并且还可以快速产生海
面并能够实现实时更改，但其模拟出的场景真实性不足，使其应用范围受到很大限制。

 

　　

1.2 以流体力学为基础进行研究建模 

　　以流体力学为基础的建模，主要是以海水为研究对象。将海水整体看作是由一个个质点
组成，然后通过对每个质点受力的分析，模拟出质点的运行轨迹，从而达到对整体海浪的
模拟。其主要分为以下几种方法：①以流体力学方程为基础，对浅水进行简化模拟，这样利
用数值法就可以求解出简单的高度场；②以流体力学方程为基础，通过半拉格朗日对其求
解，对于海水与周围事物的交互作用有较好的模拟效果。③以流体力学方程为基础，利用
Jos Stam 的方法对其求解。对于海浪的高度以及形态都有很好的模拟效果，并且可以实现实
时模拟以及海水与周围物体的交互作用。这种方法由于利用流体力学知识，符合海水的客观
运动规律，具有较高的仿真性，但是其在制作大面积海浪动画模拟时，庞大的计算量对于
一般计算机是很难完成的。

 

　　

1.3 以粒子系统为基础进行研究建模 

　　以粒子系统为基础，就是将海水看作是很多个水颗粒组成的，而每个水颗粒都有其特
定的属性，例如体积、质量、运动规律、移动速度等，通过对这些属性赋值，来达到对于海水
的整体进行模拟。这种方法主要用于对复杂海面情况的模拟，国外工作者通过粒子间的相互
作用力来控制粒子的运行轨迹，在实现碰撞的同时，使粒子可以碎裂或融合，从而对海面
复杂情况进行实时模拟。国内工作者主要与流体力学方程相或图像结合，控制粒子的速度以
及运行轨迹，能够贴近实际情况模拟出船体行驶产生的浪花或是海浪冲击产生的浪花。这类