计算机图形学 第六章 计算机动画(1)

动画形成的视觉原理——西洋镜
计算机动画的主要两个类别

计算机辅助动画

三维计算机动画
计算机动画制作主要步骤



创意策划 预处理 场景造型 设定材质和光源 设置动画 运动图像的绘制 动画播放 后处理 动画的录制 配音 上述步骤和次序并非是绝对的。
帧(Frame)


Anticipation
预期性

动画中的动作通常包括动作的准备、实际 的动作和动作的完成三部分。第一部分就 叫做预期性。
Staging
布局

布局就是以一种容易理解的方式展示动作 或对象。 角色的仪态及表演方式，配合适当的摄影 机运动，使得动画能够有效地表达角色的 特性及故事中的信息。

Follow-Through and Overlapping Action 跟随动作与重叠动作
通常，物体的运动轨迹取三次样条曲线，并且 由用户交互给出。 为了得到动画序列，必须对样条曲线等间隔采 样，以求得物体在每一帧的位置。 必须以弧长为参数对曲线重新参数化。



按参数采样与按弧长采样的对比
参数采样
弧长采样
例子
角色沿轨迹行走
飞机沿轨迹运动
常用的曲线类型

Hermite曲线
Bezier曲线

基于样条曲线插值的关键帧插值运动控制 技术

确定需控制的运动参数。
根据动画设计的要求，选取若干关键帧，设置 其参数值。 采用样条插值技术对关键帧参数进行插值。 对该插值样条进行离散采样，求得在中间每一 帧的参数值。

样条曲线插值
例子
样条驱动动画技术

是指用户先设计好物体的运动轨迹，然后指定 物体沿该轨迹运动。

Slow In and Slow Out Arcs Exaggeration Secondary Action Appeal
由Disney的动画师经数十年的经验整理出来的指导原则！
Squash and Stretch
挤压和伸展

挤压和伸展是指通过物体的形变来表现物体 的刚度和质量。 在使用“挤压和伸展”原则时，通常使变形 的物体保持其体积不变。


示意图
Arcs
弧形动作

在现实世界中，几乎所有的运动都是沿着 一条略带圆弧的轨道移动的，尤其是生物 的运动。因此，在制作动画时，角色的运 动轨迹就不应是直线，而应该是比较自然 的曲线。
只有在特殊的情况下，角色或者角色的一 部分会完全沿着直线运动。

Exaggeration
夸张

夸张手法用于强调某个动作，但使用时应 小心谨慎，不能随意。使用夸张手法时， 要注意明确动作或者序列的表现目标，然 后确定哪一部分需要夸大表现。使用夸张 的结果通常是动画更加真实和有趣。
Secondary Motion 附属运动

当角色进行主要动作时，附属于角色的部分，例如触须 、尾巴等，会以附属动作来点缀主要动作的效果。

附属运动为动画增添乐趣和真实性。
Appeal
吸引力

吸引力是指任何观众愿意观看的东西。
当设计角色时，以独特的不同个性。


Catmull-Rom曲线
B-splines, NURBS曲线
Hermite曲线
Bezier曲线
Catmull-Rom曲线
B-Spline / NURBS曲线
物体旋转的欧拉角表示和插值

对于刚体运动，关键帧插值问题实际上可分为 位置插值和朝向插值两个子问题。 物体朝向最常见的表示方法为欧拉角，它通过 绕三个正交坐标轴的旋转来表示，因而朝向插 值变成了欧拉角的插值问题。
但欧拉角在应用中存在二义性、“万向节死锁 ”等缺点。


z
z
z
3
/2 1 1
y
1
y
1
y
x
x x’
x x’
欧拉角插值中出现的问题
四元数(Quaternion)
四元数是复数向四维空间的推广，可表示 轴向矢量和物体绕该轴的旋转，并且没有 冗余信息，因而提供了一种比旋转矩阵更 为有效的表示方法。 一般地，四元数可表示成以下形式：

动画利用了人的视觉残留特性。连续画面的基本单位为 单幅静态画面，在图形学和动画中称为一帧(Frame)。 电影：每秒钟24帧。电视：每秒钟25帧。
场和制式

场（Field）是指图像中隔行扫描的某一半扫描 线，分奇场（Odd Field）和偶场（Even Field） 。奇偶二场交替显示有效提高了画面变化的连 续性，减少了闪烁现象。
《尼斯湖怪：深水传说》剧照
《变形金刚》剧照
《加勒比海盗3》
计算机动画简介

计算机动画是指用绘制程序生成一系列的景物 画面，其中当前帧画面是对前一帧画面的部分 修改。 动画是运动中的艺术，正如动画大师John Halas 所讲的，运动是动画的要素。
计算机动画中的运动包括：



景物位置、方向、大小和形状的变化 虚拟摄像机的运动 景物表面纹理、色彩的变化。

一些衍生的原则

Depth（景深）：虽然利用动画软件可以方便地 生成三维效果，但仍然可以利用摄影机功能来 加强景深，以突显画面所要表达的重点。
Balance & Weight（平衡及重量感）：了解运动 物体的重心所在，重心的位置可影响物体在视 觉上的稳定度；物体在视觉上的轻重如何，除 了在造型上予以定义外，也需由动作来表现物 体的重量感。


1993年，电影《侏罗纪公园》采用计算机特技和动画技 术制作的恐龙片段获得了该年度的奥斯卡最佳视觉效果 奖。1996年，世界上第一部完全用计算机动画制作的电 影《玩具总动员》上映，该片不仅获得了破记录的票房 收入，而且给电影制作开辟了一条新路。
2
《金刚》
《冰川时代2》
《加菲猫2之双猫记》剧照
《史前一万年》剧照
电视有多种制式，如PAL制、NTSC等。我国和 大部分欧亚地区使用PAL制，该制式的播放速 度为25帧/秒(50场/秒)；美国和日本使用NTSC制 ，该制式的播放速度为30帧/秒（60场/秒）。不 同制式的播放速度不同，画面图像的分辨率也 不同，如PAL制的分辨率为768×576，NTSC制 的分辨率为645×486。
计算机动画
授课教师：
单位：
前言

计算机动画是图形学和艺术相结合的产物。它综合利用 计算机科学、艺术、数学、物理学和其它相关学科的知 识用计算机生成绚丽多彩的连续的虚拟真实画面，给人 们提供了一个充分展示个人想象力和艺术才能的新天地。 计算机动画得以迅速发展，并形成一个巨大的产业，与 影视特技的重大需求和推动是密不可分的。

“没有任何一种物体会突然停止，物体的运动是一个部 分接着一个部分的” ，这是Walt Disney当初对于运动物 体的诠释，之后动画师将这样的理论以跟随动作或重叠 动作来称呼，我们可以用另一种更科学的方式来描述这 个原理，就是“动者恒动” 。
Straight-Ahead Action and Pose-to-Pose Action

关键帧技术

关键帧概念来源于早期Walt Disney卡通画 的制作。在早期的动画制作室，高级动画 师设计卡通片中的关键帧，然后由助理动 画师设计中间帧。
关键帧技术最初仅仅用来插值帧与帧之间 卡通画的形状，不久该技术发展成为可以 用来插值影响运动的任何参数。

关键帧技术例子
A B
关键帧
中间帧
关键帧
2
3
1 关键帧 动画
线性插值
顶点线性插值
给定一个物体在两个关键帧上的顶点 v1 和 v2 在 t 时刻的顶点 vt 可以用如下公式计算

vt (1 t )v1 tv2
线性插值的问题
不真实 大部分物体不是以直线运动的 大部分运动随时间不是线性的 位置连续，但是速度不连续！

线性插值LERP与球面线性插值SLERP
LERP() Linear
SLERP() Quaternion!
四元数的一个重要应用

用于第三人称射击、战争游戏中摄像机的 运动控制
例1：物体静止，摄像机在运动
Time
F1 F5
F2
摄像机
F4 F3
例2：摄像机静止，物体运动
F1
F2
F3
F4
摄像机
动画形成的视觉原理

所谓动画，就是指通过以每秒若干帧的速 度顺序地播放静止图像帧以产生运动错觉 的艺术。
动画利用了人的视觉残留这一特点，即上 个画面的残留还未消失，下一个画面又进 入视觉，这样循环往复，在人的眼中形成 动态的画面。
连贯动作法与关键动作法

属两种不同的动画制作方式
前者根据连续的动作依序制作每一帧画 面；


后者是先定义关键的主要动作，而后再 制作关键动作间的画面。(关键帧方法)
Slow In and Slow Out
慢入和慢出

所有物体自静止开始运动，逐渐加速；从运动 状态回到静止状态，则逐渐减慢。 慢入和慢出是指动作的加速和减速。自然界中 物体的运动具有加速和减速的性质。 动作的慢入和慢出使得物体的运动更加符合自 然规律，因此应该应用于绝大多数的动作。

q [ S ,V ] a0 e a1i a2 j a3 k [cos , n sin ] 2 2


四元数的发明人Hamilton, 1843
石桥上的纪念碑
采用四元数进行球面线性插值
球面线性插值Spherical Linear Interpolation (SLERP) 等价于球面空间的线性插值


挤压和伸展原则在角色动画中最显著的应用 是肌肉的变形。
在应用挤压和伸展原则时，一般不能简单地 进行比例缩放，因为现实世界中的变形并非 如此。
Squash and Stretch
挤压和伸展
Timing
掌握时序

时间的调配和选择是影响动画效果的最关键 因素之一。 掌握动画节奏！ 通过时序来表现物体的大小、重量和个性。

传统动画应用于三维计算机动画的一些基 本原则

Squash and Stretch Timing Anticipation Staging Follow-Through and Overlapping Action Straight-Ahead Action and Pose-toPose Action