在动画中实现复杂物体运动(如碰撞、弹跳、旋转)需要结合物理规律、数学计算和动画工具,以下是常见实现方法:
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### 一、基础物理模拟
1. **运动学公式**
- **平移动画**:通过速度(`v = dx/dt`)和加速度(`a = dv/dt`)计算物体位移。
- **旋转动画**:使用角速度(`ω = dθ/dt`)和角加速度(`α = dω/dt`)控制角度变化。
2. **碰撞检测**
- **几何边界计算**:用球形(Sphere)、轴对齐包围盒(AABB)或凸包(Convex Hull)简化物体形状。
- **触发条件**:检测物体间距离是否小于等于接触阈值(如 `distance ≤ r1 + r2`)。
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### 二、弹跳与碰撞响应
1. **动量守恒**
- 碰撞后速度计算:
math
v_{1}' = \frac{(m_1 - m_2)v_1 + 2m_2v_2}{m_1 + m_2}
v_{2}' = \frac{(m_2 - m_1)v_2 + 2m_1v_1}{m_1 + m_2}
- 弹性系数(Coefficient of Restitution):调整能量损失(如 `0.8` 表示保留 80% 动能)。
2. **摩擦力模拟**
- 切向速度衰减:`v_t = v_{initial} * (1 - μ)`(`μ` 为摩擦系数)。
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### 三、旋转与角动量
1. **刚体旋转**
- **转动惯量(Moment of Inertia)**:`I = Σm_i r_i²`,影响角加速度(`τ = Iα`)。
- **欧拉角/四元数**:避免万向节死锁(常用四元数 `q = [x, y, z, w]` 表示旋转)。
2. **自转与公转分离**
- 物体质心运动(公转)与绕质心旋转(自转)独立计算。
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### 四、动画工具实现
1. **关键帧动画**(手动调整)
- 手动设定关键帧的位移、旋转参数(适合风格化动画)。
2. **物理引擎集成**(自动模拟)
- **Unity/Unreal**:使用 `Rigidbody` 组件自动计算碰撞和运动。
- **Blender**:通过刚体动力学(Rigid Body Physics)模拟真实物理效果。
3. **脚本控制**
- 代码实现自定义逻辑(如 Python/MEL 脚本控制 Maya 动画)。
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### 五、优化与艺术化处理
1. **性能优化**
- 层级碰撞检测(Broad Phase → Narrow Phase)。
- 使用近似算法(如 Verlet 积分代替精确微分方程)。
2. **夸张表现**
- 调整重力系数、弹性系数,实现“卡通化”弹跳(如《猫和老鼠》中的弹性碰撞)。
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### 示例代码(Unity C# 弹跳控制)
csharp
void OnCollisionEnter(Collision collision) {
// 获取碰撞点法线方向
Vector3 normal = collision.contacts[0].normal;
// 计算反射速度(含弹性系数)
Vector3 newVelocity = Vector3.Reflect(rigidbody.velocity, normal) * 0.8f;
rigidbody.velocity = newVelocity;
}
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通过结合物理规律、数学计算和工具特性,可以实现既真实又有表现力的复杂运动效果。