计算机图形学-计算机动画

每秒24-30帧，18帧 1. 创意：描述故事：故事梗概、剧本、故事版。
镜头1
场景1
梗概 脚本 故事版 序列
镜头n
描述故 事的大 致内容
描述一个完整的故 事，但不包括拍片 的任何注释
绘制出配有适当解说 词以表现剧本大意的
镜头1
一系场列景主体1草图
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镜头m
制作动画的传统方法
2. 设计：根据故事版，确定具体场景，设计演员动作，完 成布景的绘画，绘制背景的设计草图
3. 音轨：动画制作之前完成录音工作，对话、音乐与动作 保持同步
4. 动画制作：核心是帧的制作，主动画师绘制关键帧
（52集动画连续剧《西游记》绘制了100万张原画、近2 万张背景，共耗纸30吨、耗时整整5年）
2.
中间（插补）帧制作：助理动画师绘制主要的插补帧，
手工绘制
其余由插补员完成
生产过程复
杂
需要大量人
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主要的动画技术（3/21）
与纯数学插值问题不同：
– 一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的 – 但从运动学或动画设计角度看，则可能是错误的
关键帧插值要求：
– 能产生逼真的运动效果 – 用户能方便有效地控制运动的运动学特性 – 例如，通过调整插值函数改变运动的速度和加速度
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主要的动画技术（4/21）
为解决插值的时间控制问题
– Steketee提出用双插值方法
位置样条
– 空间轨迹曲线
使物体沿空间轨迹曲线运动 该弧长距离
– 物体位置对关键帧的函数
运动样条
– 速度曲线
从速度曲线上找到给定时刻 对应的弧长（即关键帧）
– 关键帧对时间的函数 29
主要的动画技术（12/21）
3. 变形技术
– 柔性物体（soft object）动画技术
– 物体运动的物理正确性和自然真实性难以保证
关键帧插值不考虑物体的物理属性和力学特性 物体运动的物理正确性和自然真实性只能依赖动画师的技巧
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主要的动画技术（9/21）
2. 样条驱动技术
– 基于运动学描述
– 用户事先指定一条物体运动的轨迹
通常用三次参数样条表示
– 指定物体沿该轨迹运动
– 也称运动轨迹法
– 划变(split screen) ：将后一个场景逐渐滑入到前一个场景中，
场景分界线由多种形式
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计算机在动画中所起的作用（1/2）
早期：
– 主要表现在帧的制作上
– 关键帧通过数字化采集方式得到，或者用交
互式图形编辑器生成，对于复杂的形体还可 以通过编程来生成
– 插补帧不再由助理动画师和插补员来完成，
小球自由落体、不变形弹起、变形破裂
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运动捕获技术
Motion Capture 运动捕获的过程：
–真实演员按导演的要求做动作 –他的动作被转换为数字信息，通过感应器记录到计算
– 运动协调性
人类对自身的运动非常熟悉
不协调的运动很容易被观察者所察觉
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主要的动画技术（21/21）
6. 基于物理模型的动画技术
– 考虑了物体在真实世界中的属性
如它具有质量、转动惯矩、弹性、摩擦力等
– 基于动力学原理来自动产生物体的运动
特别适合于对自然物理现象的模拟
– 如刚体运动模拟、塑性物体变形运动以及流体运动 模拟等
1. 设计脚本 2. 绘制关键画面 3. 加层控制 4. 中间画面实时预演 5. 着色渲染 6. 生成文件进行编辑 7. 输出到录像带
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计算机辅助三维动画（1/2）
二维动画：
– 仍然基于人的手在平面上绘制 – 画面效果在很大程度上取决于人的绘画水
平 – 绘画过程只是在平面中表现，表现力受限
三维动画：
内容提要
动画技术的起源、发展与应用 传统动画 计算机动画 计算机动画中常用技术简介 常用的动画软件及动画文件格式
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传统动画
什么是动画？
世界著名的动画大师John Halas曾经说过：“动 画的本质在于运动”
动画是指将一系列静止、独立而又存在一定内在联 系的画面（Frame）连续拍摄到电影胶片上再以一 定的速度（一般不低于24帧/秒）放映来获得画面 上人物运动的视觉效果。
– 许多商用动画软件都提供变形工具
Softimage、Alias、Maya、3DS MAX
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主要的动画技术（13/21）
Morphing技术
– 指将一个给定的数字图像或者几何形状S以一种自然
流畅的、光滑连续的方式渐变为另一个数字图像或者
几何形状T。
基于物体表示的变形技术
适用于物体拓扑结构不发生变化的变形 操作
例一：匀速运动的模拟
假定需在时间段t1与t2之间插入n(n=5)帧 终始关键帧之间的时间段被分为n+1个子段 其时间间隔为:
△t = (t2 –t1)/(n +1) 则任一插值帧的时刻为:
tfj = t1 + j △t , j = 1, 2, … ,n
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主要的动画技术（5/21）
例二：加速运动的模拟
– 在后期制作阶段，用计算机完成编辑和声音合成 12
计算机动画系统的分类
根据系统的功能分五级
一级 二级 三级
四级 五级
交互式造型、着色，相 当于一个图形编辑器
计算并生成插补帧，代 替插补员的工作
模拟虚拟摄像机操作
定义角色，动画形体
具有学习能力，有待于 人工智能技术的发展
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计算机辅助二维动画
计算机辅助制作动画的系统与动画师的关系 就像文字处理机与文字作家的关系一样
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主要的动画技术（14/21）
基本思想：
– 移动顶点，通过顶点改变，达到变形 – 给出物体形变的几个状态
如两个物体或两幅画面之间 特征的对应关系以及相应的时间控制关系
– 物体沿给定的插值路径进行线性或非线性 的形变
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主要的动画技术（15/21）
多边形的变形
男人变女人
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主要的动画技术（16/21）
动画就是动态的产生一系列景物画面的技术，其中 当前画面是对前一幅画面某些部分作的修改 3
计算机动画
随着计算机动画技术的发展，尤其是以实时 动画为基础的Vidio game的出现
不全面，局限 动画不只是产生运动的效果 还包括变形、变色、变光等
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制作动画的传统方法
传统动画主要是生产二维卡通动画片
使用下列三角减速函数来得到减少的间隔： sinθ, 0 < θ < π/2 ,
则第j个插值帧的时间位置被定义成： tfj = t1 + Δt sin( jπ/( 2(n +1))) j = 1,2,…,n
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主要的动画技术（7/21）
例四：混合增减速度的模拟
先增加插值时间间间隔后减少时间间隔 所使用的时间变化函数是:
所要解决的基本问题
– 通过对样条曲线等间隔采样
– 求出物体在某一帧的位置
– 从而生成整个动画序列
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主要的动画技术（10/21）
如果直接对参数空间进行等间隔采样，势 必带来运动的不均匀性
匀速运动时，需要对样条进行弧长参数化
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主要时刻物体在空间 轨迹曲线上的位置
而是利用计算机自动完成插补帧的制作，包 括复杂的运动也由计算机直接完成。
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计算机在动画中所起的作用（2/2）
随着三维造型技术和计算机动画技术的发展
– 在着色方面，画面图像通过交互式计算机系统由
用户选择颜色，指定着色区域，并由计算机完成 着色工作
– 在拍摄方面，用计算机控制摄像机的运动，也可
用编程的方法形成虚拟摄像机模拟摄像机的运动
– 淡入(fade in):渐渐从黑暗处显现，变清晰 – 淡出(fade out):渐渐变暗，变模糊
– 推拉（zoom）:变焦，接近或远离 – 摇移（ pan ）:摄像机水平移动
– 俯仰（Tilt）:摄像机垂直移动
– 软切，溶镜(dissolve):第一个镜头随着时间而融化在第二个镜 头中，第一个镜头的最后一格淡出，第二个镜头的第一格淡入
中 一个主要的优点是数据库放大的功能
– Reeves声称用三个基本的描述便可生成由百万个粒子构成的森 林景色
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主要的动画技术（20/21）
5. 关节动画与人体动画技术
– 运动学、动力学方法 – 用球体作为基本体素来构造人体
主要难题：
– 肌肉变形
人体具有200个以上的自由度 人的形状不规则 人的肌肉随着人体的运动而变形 人的个性、表情等千变万化 常规的数学和几何模型不适合表现人体的各种形态与动作
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主要的动画技术（1/21）
1. 参数keyframe
– 给出两幅关键帧，计算机生成中间画面 – 刚体运动模拟
早期
– 仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状
后来
– 对运动参数插值，实现对动画的运动控制
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主要的动画技术（2/21）
可归结为关键参数的插值问题
– 位置、色彩、纹理
9个运动参数决定 – 位置参数：Tx,Ty,Tz, – 方向参数：Rx,Ry,Rz, – 比例参数：Sx,Sy,Sz
缺点：
– 缺乏对变形的细微控制，如人脸表情
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主要的动画技术（18/21）
4. 过程动画技术
– Procedural Animation或Random Animation – 物体的运动和变形可由一个过程来控制 – 物体的变形不是任意的
遵循一定的数学模型或物理规律
– 用数学模型控制物体的几何形状和运动 如水波随风的运动
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力
制作动画的传统方法
6. 静电复制和墨水加描：使用特制的静电复制摄像机，将铅 笔绘制的草图转移到醋酸纤维胶片上，手工用墨水加描 线条