计算机动画

计算机动画

所谓动画也就使一幅图像“活”起来的过程。使用动画可以清楚的表现出一个事件的过程，或是展现一个活灵活现的画面。动画是一门通过在连续多格的胶片上拍摄一系列单个画面，从而产生动态视觉的技术和艺术，这种视觉是通过将胶片以一定的数率放映体现出来的。而计算机动画是指采用图形与图像的处理技术，借助于编程或动画制作软件生成一系列的景物画面，其中当前帧是前一帧的部分修改。计算机动画是采用连续播放静止图像的方法产生物体运动的效果。计算机动画分：二维动画和三维动画。二维动画：平面上的画面。纸张、照片或计算机屏幕显示，无论画面的立体感多强，终究是二维空间上模拟真实三维空间效果。三维动画：画中的景物有正面、侧面和反面，调整三维空间的视点，能够看到不同的内容。

1.计算机动画的发展历史：

随着计算机图形学的不断发展，计算机在动画制作过程中发挥的作用也越来越大，现今动画片的制作是很少能离开得计算机。传统的动画采用连续画面技术，将一系列手工制作的单独画面拍摄在胶片上，以每秒24帧的速度播放，利用人的视觉暂留产生动作变化的效果，形成连续的动画。计算机动画是借助计算机生成一系列动态实时演播的连续图像技术。计算机动画的研究始于20世纪60年代初。1963年美国A T&T Bell实验室制作了第一部计算机动画片。在80年代之前，计算机动画主要集中于二维动画系统的研制，应用于教学演示和辅助传统的动画片制作。三维动画的研究始于70年代初，当时开发了一些三维计算机动画系统。直至80年代中后期，由于具有实时处理能力的超级图形工作站的出现，三维几何造型技术和真实感图形生成技术取得很大进展，促进了具有高度逼真效果的三维计算机动画技术迅速发展，并达到实用商品化地步。到90年代初，计算机动画技术应用于电影特技取得了显著成就。与此同时，为适应科学研究与复杂系统中的动态模拟、视觉模拟、机器人学和生物力学等领域的需求，基于物理的造型和动画的研究的开展，已成为计算机动画研究中的一个重要课题。人体动画是近年来发展起来的计算机动画新课题。它是研究开发基于人造角色的集成动画系统，该系统产生涉及人造角色在三维场景中具有人的自觉意识的行为动画，这样的系统是以多种学科的知识、技术和方法为基础的，如动画、力学、机器人学、生物学、心理学和人工智能等。它能实现以下目标：第一，能自动产生计算机生成的人的自然行为；第二，提高运动的复杂性和真实性，其运动的真实性不仅体现在关节运动的真实感，而且要求在动画过程中，身体、手、面部等部位变形具有真实性；第三，减少运动描述的复杂性。现在的Poser就是著名的MetaCreations公司生产的具有特色的人体建模三维动画制作软件。

2.计算机动画的特点：

动画和动画片是两个不同的概念，动画涵盖了一个非常广泛的领域，包括影视动画片、影视特技动画、广告动画、游戏动画、军事演习模拟、科学可视化、医学、教育等。动画片是动画的一种，也是影片的一种。影片按制作方式可分为如下三种：（1）主要通过对人或动物等真实物体或场景拍摄而得的影片称为电影。（2）主要采用木偶拍摄而得的影片称为木偶片。（3）主要通过绘制画面而得的影片称为动画片。计算机动画是在传统动画的基础上，采用计算机图形图像技术而迅速发展起来的一门高新技术。它采用连续播放静止图像的方法产生景物运动的效果，即使用计算机产生图形、图像运动的技术。计算机动画与传统动画都遵循同样的视觉原理。计算机动画由于采用数字处理方式，动画的运动效果、画面色调、纹理、光影效果等可以不断改变，输出方式也多种多样。计算机3D模型可以保存并重复使用，克服了传统动画的易走形的毛病。计算机3D软件集多种功能(造型、修改、灯光、色彩、渲染等)于一身，动画的制作质量易控制。

3.计算机动画的基本类型：

计算机动画就动画性质而言，可分为两大类，即帧动画和矢量动画。根据视觉空间的不同，计算机动画又有二维动画与三维动画之分。按照计算机动画对时间性能的要求，可以分为实时动画和非实时动画。

（1）实时动画是按动画播放的速度快速生成动画的每一帧，即动画帧的生成和播放是同步的。非实时动画通常需要较长时间生成动画的每一帧，因此，后者先生成并保存组成动画的每一帧，然后播放，即动画帧的生成和播放是异步的。（2）矢量动画通常通过编程方式制作，也有用于制作矢量动画的工具软件，如Flash、Illustrator。（3）帧动画模拟传统动画的方式，它采用多画面表现动画。动画的每一个动作被记录在一幅幅画中，多幅连续的画面构成了动画。电脑的作用只是把众多的画面内容有序地进行保存，并把这组画面连续不断地演播出来。（4）二维动画又叫“平面动画”，具有非常灵活的表现手段、强烈的表现力和良好的视觉效果。二维动画运用传统动画的基本概念，在平面上构成动画的基本动作。并且在保持传统动画的表现力和视觉效果的基础上，尽量发挥计算机处理的高效率、低成本等特点。（5）三维动画又叫“空间动画”。动画主体的三维造型是经过计算机得到的，然后为其赋予“材质”，布置好“灯光”、放好“摄影机”，规定好运动的方式，就制作好了三维动画。

4. 计算机动画技术：

在计算机动画系统中应用的主要动画技术有：(1)参数关键帧技术：关键帧技术最初仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状，后来该技术马上发展成为可以用来插值影响运动的任何参数(例如，一个物体的平移、比例变换、旋转、材料、纹理、形状、可见性参数等都可作为关键帧参数，另外，摄象机和灯光的大部分参数也可作为关键帧参数)。从这一点来说，关键参数(Key parameter)比关键帧(Keyframe)更确切些。(2)轨迹驱动技术：轨迹驱动动画，是指先设计好物体的运动轨迹，然后指定物体沿该轨迹运动。通常，物体的运动轨迹为三次样条曲线（也称为样条驱动），并且由用户交互给出。(3)变形动画技术：变形动画技术主要是为了制作一种形态变形的动画，即将物体外观上发生变化的过程记录下来，生成一个形态连续变化的动画序列。变形动画在影视娱乐业已得到大量运用。变形动画技术分为Morphing和空间变形(deformation)，二者都牵涉到使处理对象作某种变形，但含义不完全一样。Morphing是指将一给定的源数字图像或几何对象S光滑连续地变换到目标数字图像或几何对象T；deformation是指将单个几何对象的形状作某种扭曲、变形，使它变换到动画师所需的形状。(4)关节动画技术：关节动画是计算机动画中最具挑战性的课题之一，它的主要目的是模拟骨架动物(尤其是人体)的运动。关节动画的发展不仅促进了机器人等学科的发展，而且使得模拟人类自身行为、动作成为可能。(5)过程动画技术：过程动画是指物体的运动或变形可由一个过程来描述。最简单的过程动画是用一个数学模型去控制物体的几何形状和运动，较复杂的过程动画则是包括物体的变形、弹性理论、动力学、碰撞检测在内的物体的复杂运动。(6)基于物理的动画技术：基于物理模型的动画技术是80年代后期发展起来的一种新的计算机动画技术。经过近几年的发展，它已在图形学中成为一种具有潜在优势的三维造型和运动模拟技术。尽管该技术比传统动画技术的计算复杂度要高得多，但它能逼真地模拟各种自然物理现象，这是基于几何的传统动画生成技术所无法比拟的。

5.计算机动画今后新研究方向：

计算机动画发展到今天，无论在理论还是在应用上都已取得了巨大的成功，但离人们的期望还是有一定的距离。在今后的几年还应该从以下几个方面研究和发展：（1）Catmull-Clark细分曲面的造型和动画研究。动画追求的新奇性和创新性推动了这一方向的发展。物体的造型和动画通常具有密切的联系，造型的某些新方法往往同时提供了新的动画控制方法。由于NURBS曲面在表示拓扑复杂物体存在许多困难，由Catmull和Clark提出的根据任意拓扑控制网格生成B样条曲面的细分曲面方法近几年来在计算机动画中越来越受