计算机图形学第十二章计算机动画技术

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七、函数式动画技术 利用数学函数和数学方程式，根据自变量和因变量关 系，让自变量逐渐增加或减少，进行连续变化，从而获得 图形连续变化。 例如：利用圆绘制方程可以得到以下几种不同动画效果 1、水波和电波发射 固定圆心让半径以一定特定步长增值。 2、旋转球体 利用图形旋转变换，可以让圆型图形在三维空间中沿 各个方向，绕多种旋转轴旋转变化加上球体色彩、条纹、 阴暗等，也就可以形成简单的函数动画。
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计算机动画分类和原理
一、计算机动画分类 1、计算机辅助动画（二维动画） 传统卡通动画先画出两个关键帧，然后在中间插入一系列 画。计算机二维动画是用计算机生成中间一系列画。
二维动画还有缺点，计算机不可能根据剧本自动生成关键
帧。
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计算机动画分类和原理
一、计算机动画分类
2、计算机生成动画（三维动画） 如果说二维动画对应于传统卡通动画，那么三维动画
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（3）传统动画片生产过程 8）上色 给多幅画面在透明片上涂上颜料 9）检查 动画设计者在拍摄之前再次检查各镜头动作质量
10）拍摄 这一工序在动画摄制机上完成。动画摄影师把动画系 统通过拍摄依次记录在胶片上 11）后期制作 编辑、剪接、对白、配音、剪带等后期制作工序是必 不可少的
由上述可见传统动画周期长、费时费力，一部10分钟 的美术片，大约要4个月左右时间，若是精品要一年时间才 可完成。若用计算机制作动画可省略许多环节。
2）设计稿 对动画片中出现多种角色选型、动作、色彩、气氛等 设计，实际上完成手稿图工作 3）声音节拍 传动作必须与对话声音相配合、协调一致
4）关键帧 动画处理中关键帧（也称原画）由经验丰富的动画设 计者完成，通常时一个设计者完成某个角色
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（3）传统动画片生产过程 5）中间画 中间画时那些位于两个关键帧之间的画面，中间画 也叫做动画。中间画由辅助动画设计者及其助手完成。 6）测试 原动画初稿通常是铅笔稿图，当初步测定造型和动 作。可将这些图输入动画测试器进行测试，这一过程称铅 笔稿测试 7）描线上墨 将铅笔稿图手描在透明片上，或用照相机制板方法 印在透明片上，然后描线上墨
（5）80年代，研究动画生成一些三维系统，如关键参数 插值法、运动学算法和动力学算法等。
（6）80年代末进入90年代后，多种不同动画软件出现， 如3DS，Animator等。
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三、传统动画与计算机动画
1、传统动画生成过程 （1）动画定义 动画意义是“animator” 世界著名动画艺术家，美国人约翰.哈斯指出，“运动 是动画本质”，也有人说“动画是运动艺术”，总之,动画 与运动是分不开的。
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二、异或运算法（也称XOR动画法） XOR运算的一个重要特性就是它的“还原”作用。对 屏幕进行第一次XOR操作可以使像素值发生改变，显示一 幅图像；再一次XOR操作可以清除前一幅图像，把像素值 还原回来。 利用XOR运算的“还原”特性可以在屏幕上对一个运 动物体连续作XOR运算，而不必担心背景图形的储存与还 原问题。 如果将此特性运用到动画技术上，即在动态物体的同 一显示位置上连续进行两次XOR运算，然后在下一显示位 置作同样操作，如此反复进行，就使前景运动图形产生了 动画效果。
对应于木偶动画。 木偶动画首先制作木偶、道具和景物，三维动画首先 建立角色、实物和景物三维数据。 这里说的三维物体画面也是由二维象素点阵组成，只 不过看起来象三维，但三维更具有真实性、真实感和立体 性。
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二、计算机动画原理 1、关键帧动画是通过一组关键帧或关键参数值而得到中间 动画帧序列
（1）形状插值：从关键帧本身而得到中间动画帧
六、逐帧动画法
七、函数式动画技术
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一、画－擦－画方法 原理： 先画某一瞬间的图形－>擦去该图形－>再画下一个 瞬间图形－>再擦去－>… 这样，画－擦－画使得图形动起来
优点：实现简单
缺点：1、复杂图形画－擦－画时间长，效果差 2、在擦除前一幅图上运动部分图形时，往往会蒋重 叠在其上的不动的那一部分图形也擦去，影响动画效果
的物体造型、运动规律、计算机通过算法生成动画帧。
目前针对刚体和链接物已开发了不少较成熟算法，对
软组织和群体运动控制方面也做了不少工作。
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计算机动画生成方法 动画片中每一序列实际上是一幅幅完全静止的画面 在快速展示时，使人产生不断运动的感觉。这些一幅幅 画面或由艺术家人工画好，通过图形输入设备输入计算 机，或者结合生成。 一、画－擦－画方法 二、异或运算法 三、块动画法 四、多页面切换动画方法 五、图形变换动画法
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3、气球和气泡
利用圆的方程构成球体。加上明暗效果和透明体光照效
果，就可以形成气球和气泡的动作，可以随机地在任何 位置，以任意点作起始圆心，以一个随机值（或者给定 值）作为半径，绘制出一个个的透明或者不透明的球体， 然后每个球体根据自身大小（半径值大小）决定其上升 速度，球体本身也逐渐增大其半径，到上升的球体接触 到屏幕顶部或半径增大到一定程度，该球体消失（爆 裂），形成球体混合碰撞动画效果。 在实际应用中，经常将各种动画方法组合起来使用。
优点是前景动画图形的涂抹不影响背Fra Baidu bibliotek图形。
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三、块动画法
只改变屏幕中前景运动物体在画面中位置，而其背景 及动画物体形状不变 如：人造卫星绕地球运动
四、多页面切换动画方法
对于某些显示方法，其显示模式允许1个以上显示页面 一页：是主显示页，显示图形 另一页：是工作页，准备显示图形
工作原理： 开始一幅图先显示，多幅图在工作页上。 第一次工作页变显示页，显示图，另一显示页又变工作页 ，放另一图形。这样来回地擦，可以显示动画图形。
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2、算法动画
算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。
算法动画是指按照物理或化学等自然规律对运动进行
控制的方法、针对不同类型物体的运动方式，从简单 的质点运动到复杂的涡流、有机分子碰撞等，一般按 物体运动的复杂程度分为质点、刚体、可变软组织、 链接物、变化物等类型、也可以按解析式定义物体。
用算法控制运动的过程包括：给定环境描述、环境中
计算机动画技术概述
二、计算机动画发展历史 计算机动画技术可以看作计算机图形学的综合应用。 包括图形生成（二维、三维）尤其是真实感图形生成技术 。 计算机图形学与计算机动画不同，计算机动画属于四 维空间（三维加上时间），而计算机图形学只限于三维空 间。
计算机动画最初产生和发展与传统动画制作有着密切关系。 （1）1963年，Bell实验室，E.Zajac用计算机制作世界上 第一部动画片。
组合动画将产生比单一技术动画更为满意的效果。
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（2）关键参数插值：通过插值物体模型关键参数数值来 获得中间动画。
2、算法动画
算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。
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2、算法动画
算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。
（1）运动学算法：由运动学方程确定物体的运动轨迹 和速率。 （2）动力学算法：由力学方程确定物体运动形式 （3）反向运动学算法：已知链接物末端位置和状态， 反求运动方程以确定运动形式。 （4）反向动力学算法：已知链接物末端位置和状态， 反求动力学方程以确定运动形式。 （5）随机运动算法：在某些场合下加进运动控制随机 因素。
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（2）60年代期间，美国一些公司、研究机构和大学开发二 维动画系统，用计算机实现中间画面制作（关键帧）和自动 着色。
（3）在70年代初期，开始研制三维辅助动画系统，如美国 Ohio州立大学的D.Zelter等人完成可明暗着色的系统。
（4）70年代期间至80年代初，随着计算机图形学理论发 展，尤其三维物体造型发展，人们研究计算机三维造型动 画系统。
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五、图形变换动画法 利用图形变换功能，例：二维变三维，三维立方体变
三维棱锥体，通过变换过程显示动画功能，如将一个立方
体逐渐拉开并压制成一个三棱锥的动画过程。 如果计算机计算速度块，构成动画效果较好
六、逐帧动画法 逐帧动画基本原理类似于幻灯片制作与播放过程 将屏幕上显示一幅幅图象存放在一个文件中，然后按顺 序不断读取和播放这些画面，产生动画效果。
（2）动画原理 例如在电影院看电影或在家里看电视时，画面上人物 动作是流畅、自然和连续的，但是仔细看一段电影胶片时 ，观察每一画面并不连续。 只有以一定速率投影在银幕上才会有运动视觉效果。 这种观察可由视觉残留（persistent of vision） 原理来理解。
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（3）传统动画片生产过程
1）剧本 不带画面的整个故事的详细叙述，反映动画片大致概 貌与镜头的剧本，如同故事片一样
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（4）计算机动画技术特点
1）可自动在两张画（关键帧）画出中间画，只要输入两 副原始和终止关键帧，可自动生成中间画
2）对每副画可以按照需要进行补充和修改，使动作流畅 、造型统一 3）可自动描线上色 4）可直接输出到录像机
5）真实感强
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四、计算机动画应用
1、电影电视动画片制作 2、商品电视广告 3、计算机辅助教学演示 4、飞行员模拟训练 5、指挥调度演习 6、工业过程实时监测仿真 7、模拟产品检验或实验 8、医疗诊断 9、游戏软件
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五、计算机动画研究内容和应用前景 研究内容： 1、关键帧动画 2、基于机械学的动画和工业过程动画仿真
3、运动和路径的控制
4、动画语言与语义 5、基于智能的动画，机械人与动画
6、动画系统用户界面
7、科学可视化计算机动画表现 8、特技效果，合成演员
9、语言、音响合成，录制技术
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应用前景： 1、计算机动画与多媒体技术 2、计算机动画与虚拟现实技术 3、计算机动画与人工生命