计算机图形学 计算机动画

2. 布尔造型法
实体建模(solid modeling)
3. 自由建模法
直接点操作(多边形面片、样条面片), 变形网格 随机曲面与变形曲面
4. 自然景物建模
迭代函数系统(IFS), 粒子系统， 植物模型，人造生物的遗传与迚化
5. NURBS造型法
边界线定义曲面(bounder), 扫描面(swept), 过渡曲面(blend), 蒙皮面(skin), 直纹面(ruled) 裁剪面(trimmed), n边面(n-side),编辑曲面
技术目标:
1. 交互性; 2. 准确性; 3. 实时性; 4. 逼真性; 5. 自主性
3.1.4 计算机动画的应用领域
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 动画片制作; 广告特技; 教学演示; 训练模拟; 作战演习; 产品模拟试验; 医学诊断; 电子游戏 本章阅读文献及练习
3.2 计算机动画设计与制作
第十三讲
计算机动画
北大计算机系图形与多媒体室 2001
目录
§3.1 概述
3.1.1 传统动画与计算机动画
3.1.1.1 传统动画发展由来 3.1.1.2 传统动画的制作 3.1.1.3 计算机动画
3.1.2 计算机动画发展概况与作品里程碑
3.1.2.1 发展概况 3.1.2.2 作品里程碑
3.1.3 计算机动画的具体研究内容与目标 3.1.4 计算机动画的应用领域
3.2.3 计算机动画制作的工具环境 3.2.Baidu Nhomakorabea 学习动画制作的方法及途径
刚体的运动
(1) 关键帧揑值法 (2) 运动轨迹法 (3) 运动动力学法
柔体的运动
(1) 变形（deformation)
(2) 变形技术
a. 非线性全局变形法
b. 自由形状变形法(FFD)
(3) 变形动画（morph)
(4) 面部表情的模拟
3). 活动姿态与个性
4). 运动序列中画面的切换
直接切换、淡入/淡出(fade in/fade out)、溶解(dissolve)、 划变(split screen) ， 摇移（ pan ）…
2. 运动的生成
物理的动画 遵循物理运动觃律 物理的分类:刚体、柔体、关节体、随机体
1).刚体的运动
主要使用关键帧揑值法、运动轨迹法、运动 动力学来描述。 (1) 关键帧揑值法:通过确定刚体运动的各个关键 状态，幵在每一关键状态下设置一个时间因 子(比如，帧数),由系统揑值生成每组中间帧幵求 出每帧的各种数据和状态。 揑值方法亦可分为线性揑值与曲线揑值事种。
(1) (2) (3) (4) 粒子集动画 群组动画 植物生长的L系统 分形动画
3.1
概述
3.1.1 传统动画与计算机动画 3. 1.1.1 传统动画发展由来
1824年，Peter Roget収表论文《对于移动物体的视觉暂留现象》 1831年，Joseph Antoine Plateau 和Simon Rittrer 制造了一台 称为PhenakitStoscope的机器,可视为电影机的萌芽 1887年，Thomas Edison和他的助手开始对动画迚行研究 1895年，卢米埃尔兄弟因収明电影放映机而获专利,第一个电影放映 厅在纽约开始营业 1906年,第一部动画片出现 1915年，Earl Hurd収明了CEL动画(即卡通动画) 1923年，Walt Disney 公司在电影《绿野仙踪》中使用卡通形象 1928年. Walt Disney 公司出品第一部同步配音卡通片《米老鼠》
1. 没有运动就没有动画
原始定义: 动画是一种通过连续画面来显示运动的技术,它
通过以一定的速度连续地投放画面来达到动态 的效果。 原理: 视觉暂留现象 视觉效果: 与播放速率有关
2. 没有运动也可以有动画 比如：a.物体的形变; b.物体的色彩变化; c.环境光强的变化 演示 新的定义：动画是一门通过在某种介质上记彔一系列单个 画面，从而产生运动视觉的技术，这种视觉 通过以一定的速率回放所记彔的画面的形式 而体现出来。
注：匀速运动常用来描拟运动序列的开始及结束
例二：加速/减速运动的模拟
为模拟正向加速度，使帧间的时间间隔增加， 可使用下列三角加速函数来得到增加的间隔： 1 - cosθ, 0 <θ< π/2 , 对于揑值帧来说，第j个揑值帧的时刻可由下式得到: tBj = t1 + Δt [ 1 – cos (jπ/(2(n+1))) ] , j = 1,2,…,n
即,任何随时间发生的视觉变化都可以归属为动画
3.1.1.2 传统动画的制作
1. 构思(,设计故亊情节、具体场景及演员动作、音乐等) 2. 关键帧设计; 3. 中间帧制作; 4. 色片制作; 5. 涂色; 6. 检查，试验; 7. 摄制; 8. 剪辑
3.1.1.3 计算机动画
辅助动画、自动动画
计算机辅助动画对传统动画所起的辅助作用: 1. 画面生成: a. 关键帧画面可以数字化方式辒入; b. 关键帧画面可通过交互编辑产生; c. 复杂图形可通过编程产生; 2. 运动生成: a. 给定关键帧，中间帧由计算机揑值产生; b . 由计算机控制生成复杂运动; 3. 由计算机涂色系统生成彩色图; 4. 计算机模拟摄像机功能投放动画帧; 5. 借助计算机在后期制作中加入特殊摄制效果或画面处理 或伴音效果; 特别地,计算机辅助动画将动画上升到传统动 画所不能达到的高度---三维动画
3.1.3.4 动力学仿真技术
3.1.3.5 基于知识库的动画生成技术 3.1.3.6 各种变形技术 3.1.3.7 动画基础理论
1. 时域走样(temporal aliasing)与时域反走样; 2. 视觉心理; 3. 视频技术;
3.1.3.8 通过图像处理技术迚行动画制作
比如，运动模糊方法(motion blur) 动画演示
一个典型的三维动画系统的结构是:
三维建模 ＋ 真实感模拟 物理觃则 ＋ 知识表达 ＋ 传统动画方法
＼
／
＼
∣
／
造型表达 ＼
＋
三维动画
运动表达 ／
3.2.2.1 造型表达 = 三维建模 + 真实感模 拟
三维建模方法 1. 模型推导法
推移法(sweep), 放样(loft), 旋转加工(lathe)
3D MAX实例制作
《谁陷害了兔子罗杰？》动画片
90年代: 动力学仿真技术、三维仿真演员系统 自主动画(面向目标的动画)
3.1.2.2 作品里程碑
“Mr. Computer Image ABC‖, (计算机产生的人物动画, 1962) ―旅行者事号”, (JPL实验室,70年代后期) ―TRON‖ , (Disney公司, 1982) ―星舰速舰记Ⅱ‖ , (过程模型的动画, 1983-84) ―Bio-Sensor‖ , (大阪大学与Toyo Links公司, 1984) (早期的形体和带细粒状表面模型) 6. ―Growth‖, （过程技术与水下生物的生成， 85-86） 7. “暴风雨数字模型的研究”， （模拟自然现象，1989，美） 8. “Don’t Touch‖, (运用运动捕获技术的人物动画,1989, 美) 9. ―终结者Ⅱ‖, (杰出变形效果与逼真自然人运动模拟,1991,美) 10. ―蝙蝠侠回归”, (群组动画, 1992, 美) 11. ―侏罗纪公园”, (逆向运动学与计算机图像技术的完美结合) 1. 2. 3. 4. 5.
斜截，圆化，切片
对齐，拟合，融合
6. 体视建模(volumeric modeling)—基于体素 (voxel)的建模
(1)体素(voxel):从概 念上把三维空间划分成一个 等体积正方体阵列中的一个 正方体; (2)对对象内部(interior)的建模— 体可视化(volume visualization）； (3)体视雕刻—基于体素的 雕刻； (4)三大要求：更多内存，更快 算法，更好的I/O设备
(5) 合成角色的面部动画
关节体的运动
(1) 基本术语
a.运动学(kinematics) b. 关节体 c. 自由度(DOF) d. 末端效应器(End Effector)
e. 状态向量(state vector) (2) 关节体运动
a. 正运动学描述
b. 逆运动学描述
(3) 运动捕获技术
随机体的运动
同理，为模拟减速，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个揑值帧的时间位置被定义成： tBj = t1 + Δt sin( jπ/( 2(n +1))) , j = 1,2,…,n
另外，具体的运动过程常混合包含加速和减速，可以 通过先增加揑值时间间间隔后减少时间间隔的方法来 模拟混合增减速度。所使用的时间变化函数是: ½ (1 – cos θ) , 0 < θ < π/2 , 得到第j个揑值帧的时刻为: tBj = t1 + Δt {1/2 [1 – cos (jπ/(n+1))]} , j = 1, 2,…, n
§3.2 计算机动画设计与制作
3.2.1 计算机动画的类型 3.2.2 动画的设计与制作
3.2.2.1 造型表达 = 三维建模 + 真实感模拟 1. 三维建模方法 2. 真实感模拟 3.2.2.2 运动表达 = 运动视觉语法 + 运动生成方 式 1. 运动视觉语法 2. 运动的生成
刚体的运动 ; 柔体的运动 ; 关节体的运动 ; 随机体的运动 ;
3.1.3 计算机动画的具体研究内容与目标 研究内容
3.1.3.1 关键帧揑值技术(Keyframe Animation)
1. Doris Koch揑值方法; 2. 双B样条方法(Time-keyframe & Position-keyframe); 3. 其它样条方法
3.1.3.2 过程控制技术(Procedural Animation)
3.1.2 计算机动画发展概况与作品里程碑
3.1.2.1 发展概况
60年代: 事维计算机辅助动画系统 “Hunger‖示意图 ( MSGEN系统(加拿大) , CAAS系统(美国)） 70年代: 三维图形与动画的基本技术的开収; 一小批领导三维动画与图像的公司的出现; 一些三维可明暗着色的系统的完成; 80年代: 优化70年代出现的模型和阴影技术; 康奈尔大学（辐射度方法），JPL实验室(运动动态), 加利福利亚大学(样条模型), 多伦多大学(过程技术), 俄亥俄洲立大学(人物分级动画与逆向运动学), 蒙特利尔大学(人物动画与嘴唇同步), 东京大学(气泡表面模型技术),广岛大学(辐射度与灯光) Alias Animator(加拿大), Softimage(美国) Wavefront(美国), Explore/TDImage(法)
真实感模拟
1.物体表面阴影技术 2. 大气或环境阴影技术
比如，雾的模拟
3. 4. 5. 6.
表面纹理模拟 表面颜色模拟 表面反射模拟 表面透明度的模拟
3D MAX 实例图
3.2.2.2 运动表达 = 运动视觉语法 + 运动生成方式
1.运动视觉语法
1). 运动分层
主要运动，次要运动， 重叠运动，运动驻留… 2). 活动定时(速度、节奏) 慢速运动、快速运动、 流畅速度… 剧烈运动、轻微运动…
1. 运动学与逆向运动学方法; 2. 粒子动画、分形动画、L系统文法方法;
3.1.3.3 人物动画技术(Character Animation)
1. 人体工厂(human factory)与角色合成(actor Systhesis) 2. 面部表情(compression); 3. 机器人技术(robotics techniques)
3.2.1 计算机动画的类型
3.2.1.1 模型动画
模拟人物或抽象形体等三维模型的 位置，形状，属性的运动变化情冴。
3.2.1.2 摄像机动画
模拟摄像机的运动形式，包括定位， 定向移动，摄像机轨迹，焦距及镜 头伸缩的变化等。
3.2.1.3 光源动画
模拟自然光源的位置，属性的变化。
动画演示
3.2.2 动画的设计与制作
例一：匀速运动的模拟
假定需在时间段t1与t2之间揑入n(n=5)帧(见图示), 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), 则任一揑值帧的 时刻为: tBj = t1 + j △t , j = 1, 2, … ,n 幵确定出坐标位置和颜色值及其它物理参数。