MATLAB程式设计入门篇动画制作.ppt

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1、MATLAB 程式設計入門篇動畫製作,張智星(Roger Jang)http:/mirlab.org/jang台大資工系 多媒體檢索實驗室,6-1 MATLAB 動畫簡介,MATLAB 產生動畫的方式有兩種:電影方式:以影像的方式預存多個畫面,再將這些畫面快速的呈現在螢幕上,就可以得到動畫的效果。此種方式類似於電影的原理,可以產生很繽紛亮麗的動畫,但是其缺點為每個畫面都必需事先備妥,無法進行及時成像(Real-time Rendering),而且每個畫面,以至於整套動畫,都必須佔用相當大的記憶體空間。物件方式:在 MATLAB 的握把式圖形(Handle Graphics,詳見本書第七章)概念

2、下,所有的曲線或曲面均可被視為一個物件,MATLAB 可以很快的抹去舊曲線,並產生相似但不同的新曲線,此時就可以看到曲線隨時間而變化的效果。使用物件方式(即握把式圖形)所產生的動畫,可以呈現即時的變化,也不需要太高的記憶體需求,但其缺點是較難產生太複雜的動畫。,6-2 以電影方式產生動畫,以電影方式來產生動畫,可由下列兩個步驟來達成:使用 getframe 指令來抓取圖形做為電影的畫面,每個畫面都是以一個行向量的方式,置放於整個代表電影的矩陣。使用 movie 指令來播放電影,並可指定播放的重複次數及每秒播放的畫面數目。,電影動畫之範例一,在下例中,我們將以不同的角度來顯示 peaks 函數,

3、並將其結果以電影的方式來呈現動畫。範例6-1:movie01.m,clear M%清除電影資料矩陣 Mn=50;%抓取 50 個畫面figure(Renderer,zbuffer);%Only used in MS Windowspeaks;fprintf(抓取畫面中.n);for i=1:nview(-37.5+i*360/n,30);%改變觀測角度M(i)=getframe;%抓取畫面,並存入電影資料矩陣 Mendfprintf(播放電影中.n);movie(M,3);%播放電影三次,電影動畫之範例一,最後一個 frame 的畫面,電影動畫之範例二,將 peaks 函數畫在圓盤上,然後再變

4、換此函數的高度,以動畫呈現範例6-2:movie02.m,clear M%清除電影資料矩陣 Mr=linspace(0,4,30);%圓盤的半徑t=linspace(0,2*pi,50);%圓盤的極座標角度rr,tt=meshgrid(r,t);xx=rr.*cos(tt);%產生圓盤上的 x 座標yy=rr.*sin(tt);%產生圓盤上的 y 座標zz=peaks(xx,yy);%產生 peaks 在極座標的資料n=30;%抓取 30 個畫面scale=cos(linspace(0,2*pi,n);figure(Renderer,zbuffer);%Only used in MS Wind

5、owsfprintf(抓取畫面中.n);for i=1:nsurf(xx,yy,zz*scale(i);%畫圖axis(-inf inf-inf inf-8.5 8.5);%固定圖軸的範圍box onM(i)=getframe;%抓取畫面,並存入電影資料矩陣 M endfprintf(播放電影中.n);movie(M,5);%播放電影 5 次,電影動畫之範例二,最後一個 frame 的畫面,電影動畫之範例三,改變影像的色盤矩陣,讓影像出現從正片變到負片的效果範例6-3:movie03.m,clear M%清除電影資料矩陣 Mload clown.matimage(X);colormap(map

6、);%畫出小丑臉n=30;%抓取 30 個畫面fprintf(抓取畫面中.n);for i=1:ncolormap(i-1)*(1-map)+(n-i)*map)/n);%改變色盤矩陣M(i)=getframe;%抓取畫面,並存入電影資料矩陣 M endfprintf(播放電影中.n);movie(M,-5);%播放電影 5 次(含正向與逆向播放),電影動畫之範例三,在上述範例中,正片(如下張投影片圖左)的色盤矩陣是 map,而 1-map 則是負片(如下張投影片圖右)的色盤矩陣,因此我們在抓影片時,讓色盤矩陣進行漸進式的變化,因此呈現的電影就有從正片變到負片的效果。另外,movie(M,-5

7、)代表電影將播放 5 次,但由於第二個參數是負數,所以每次播放會包含一次正向播放及一次逆向播放。,電影動畫之範例三,正片色盤矩陣是 map,負片色盤矩陣是 1-map,6-3以物件方式產生動畫,以電影方式產生動畫可以說是暴力法,因為此方法佔掉了許多記憶體空間。另一個技巧性較高的方法則是以物件方式產生動畫,此種方法不需要大量的記憶體,而且可以產生即時(Real-time)或互動式(Interactive)的動畫。MATLAB 的所有圖形元件(曲線、曲面、圖軸等)都是物件,您可以控制這些物件的各種性質,此種特性稱為握把式圖形(Handle Graphics),可詳見第七章。握把式圖形包含的層面很廣

8、,但牽涉到動畫部份的基本概念並不複雜,以下我們以曲線的動畫來說明。,曲線的動畫,我們可以快速地改變圖形物件的性質(如顏色、座標等),就可以達到動畫的效果每一條曲線都有下列三種性質:xdata:此為一向量,代表曲線的 x 座標值ydata:此為一向量,代表曲線的 y 座標值EraseMode:此為一字串,代表曲線被抹除的方式,亦即當 xdata 或 ydata 被改變時,對於舊曲線的處理方式。,曲線的 EraseMode,EraseMode 對於動畫的呈現相當重要,此字串可是下列幾種選擇:normal:重畫整個畫面。xor:將舊曲線的點以 xor 的方式還原。background:將舊曲線的點改

9、成背景顏色。none:保留舊曲線的點,不做任何處理。在上述四種 EraseMode 中,耗費時間的次序是normal xor background nonexor 和 background 很接近,但是 background 會抹去其他舊曲線所掃過的其他物件(如圖軸、格線、另一條曲線等),所以較少用到,所以一般在產生動畫時,最常用到的 EraseMode 就是 xor。,曲線的動畫,有了這些概念後,產生曲線的動畫就很容易了!其主要步驟有兩點:產生一條曲線,其 EraseMode 為下列四種normal 重畫所有物件,最慢xor 以 xor 補色background 以背景補色none 不補色,

10、最快在 for-loop 之中,改變此曲線的 xdata 或 ydata(或兩者)。,物件動畫之範例一,我們產生一條衰減的正弦曲線讓 k 隨時間而便大(即改變正弦波的相角),使整條曲線產生舞動的效果。範例6-1:movie04.m,x=0:0.1:8*pi;h=plot(x,sin(x).*exp(-x/5),EraseMode,xor);axis(-inf inf-1 1);%設定圖軸的範圍grid on%畫出格線for i=1:5000y=sin(x-i/50).*exp(-x/5);set(h,ydata,y);%設定新的 y 座標drawnow%立即作圖end,物件動畫之範例一,最後一

11、個 frame 的畫面,物件動畫之範例一,在上例中,我們使用 set 指令,總共改變曲線的 y 座標 5000 次,並以 xor 的方式抹掉舊曲線。drawnow 的作用是使 MATLAB 立刻處理 set 指令,若無 drawnow,MATLAB 會累積 set 指令,直到 for-loop 結束時再一併處理圖形的變化,這時就不會看到動畫的效果。如果您將上例的 EraseMode 改成 background,則會發現曲線會“抹掉”圖形中的格線及代表圖軸的直線。如果您將上例的 EraseMode 改成 none,則舊的曲線會被保留下來,產生不同的效果。,有關xor的進一步說明,當eraseMo

12、de=xor時,事實上是進行xnor假設背景物件顏色值是x,動畫物件的顏色值是y當動畫物件蓋過背景物件時,顏色變為z=(xy)當動畫物件離開背景物件時,將顏色改回(zy)=(xy)y)=x.範例請見 movie041.mx=red=100y=blue=001z=(xy)=(101)=010=green(zy)=100=red=x,How to Prove,For any given logical variables x and y,we havexyy=x(xy)y)=x,當電腦夠快時,當你的電腦夠快時,產生動畫變得更簡單!movie042.m,x=0:0.1:8*pi;for i=1:50

13、00 plot(x,sin(x-i/50).*exp(-x/5);axis(-inf inf-1 1);grid on drawnowend,動畫範例:MATLAB,MATLAB 有很多物件動畫之範例:lorenz:以3D動畫呈現的 Lorenz 混沌方程式(Chaotic Equation),好像慧星在運行。truss:一座橋樑在地震時的震動方式,共有 12 種喔!travel:顯示如何以雜亂搜尋(Random Search)的方式來解 Traveling Salesperson Problem.fitdemo:顯示如何以 Downhill Simplex Search 來解決非線性曲線擬合

14、(Nonlinear Curve Fitting)的問題。,動畫範例:Simulink,若您有安裝 Simulink,可試試下列動態系統模擬加上動畫呈現:onecart:傳統的彈簧加上砝碼的動態系統。dblcart1:一條彈簧加上兩個砝碼的動態系統。simppend:簡單的單擺系統。dblpend1:兩截的擺動系統。dblpend2:更複雜的擺動系統。penddemo:倒單擺系統。,動畫範例:模糊邏輯工具箱,如果您有安裝 Fuzzy Logic Toolbox,可以試試由張老師開發的各項模擬及動畫展示:fcmdemo:Fuzzy C-means Clustering。juggler:用板子接皮球。invkine:兩截機器手臂的 Inverse Kinematics。slcp1:倒單擺,桿子長度隨時間而變,您可以控制所欲到達的位置。slcpp1:雙倒單擺,其中一個桿子的長度隨時間而變,您可以控制所欲到達的位置。slbb:蹺蹺板加上滾球系統,您可以控制球的最後位置。sltbu:倒車入庫系統,

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