电脑三维动画制作技术

题 其中正向动力学与反向动力学是设置关节动画的有效方法 正向动力学通过对关节旋转角设置关键帧， 得到相关连各 个肢体的位置１ ａｉ ａｅｂｒ最早提出了 种通过相对 １ ｅ ｖ 和Ｈｒｎｅ Ｄｎ ｔ ｔ ｇ １ 标系来描述各个关节位置的矩阵描述方法，并被关节动画的 研究者广泛应用 但通过设置各个关节的关键帧来产生逼真的
三维变 ｆ ｒ 技术往往对物体中多边形的个数、 拓扑结构和顶
点之间的对应关系附加苛刻的限制，这大大缩小三维变形的适 用范围。 所以有时用图像处理技术反而方便得多 ４ 角色动画
角色动画最主要指人体动画，其中也包括拟人化的动植物 及卡通角色
２ 面部表情动画 ） 在面部表情的动画模拟方面， 较旱的方法用数字仪将面部 各种表情输入到电脑中， 然后用这些表情的线性组合来产生新 的面部表情。这ｔ方法缺乏灵活性， 不能模拟表情的细微变化。 并与表情库有很大关系 １８ 年 ， ｔｓ ａｒ提出了一种基于 Ｆｃｌ ｔｎ ｄｇ ９７ Ｗ ｅ ａａ Ａ ｉ Ｃ ｉ ｉ ｃｏ ｏ ｎ Ｓｓｍ的面部表情动画模拟方法， ｙｔ ｅ 很快得到了广泛应用。该方 法由一个参数肌肉模型组成 人的脸用多边形网格表示， 并用肌 肉向量来控制面部的变形。 它的特点是可用一定数量的参数对 模型的特征进行控制， 并且不针对特定的面部拓扑结构， 一些常 用的表 情是由 ｉ ｎ 肌肉按某种协调的方式运动产生的
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另一种与物体表示无关的变形方法是自由变形方法ＦＤ Ｆ
ＦＩ方法不对物体直接进行变形， Ｆ〕 而是对物体所嵌入的空间进
大腿 小腿
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行变形。该方法中的Ｌｔ ｅ ａｉ 块形状为平行六面体， ｔ ｃ 这在一定程 度１ ： 限制了它的应用 Ｃｑｉ ｒ提出的拓广了的ＦＩ方法消除 ｏｕｌ ｌｔ ａ Ｆ〕
了平行六面体 Ｌｔ ｅ ａｉ 的限制 使得初始 Ｌｔ ｅ ｔ ｃ ａｉ 允许圆柱和棱柱 ｔ ｃ
足 部
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的形状 Ｌｒ ｕｎ ａｏｓ 提出的基于Ｎ Ｒ Ｓ Ｆ ｎ ｉ Ｕ Ｂ 的ＦＤ方法，ＦＤ提供 ＮＦ 了更有效的控制。ＦＤ是强有力的变形工具， Ｆ 但是， 当变形比较 复杂以致于Ｌｔ ｅ ａｉ 变形与 ｃ 物体变形之间的对应关系并非很直 观时， 基千「 的变形方法就显得比较困难 刊〕
运动是非常困难的。反向动力学方法在一定程度上减轻了正向
曲面间的连续性。ｏｅ 和Ｂｒｌ Ｆｒｙ ａｅ提出的层次Ｂ ｓ ｒ 样条变形方法， 解决了 变形范围的大小问题， 即用户可以在局部范围控制曲面 的变形， 无须产生过多的控制顶点 并且 多边形表示与 参数曲面表示各有优缺点。参数曲面不能表 示拓扑结构比较复杂的形体， 对干非矩形域的拓扑结构， 参数曲 面表示较为困难， 而多边形可以表示任意形状的物体们
２ 指定运动轨迹的样条驱动技术 ）
其中当前帧画面是对前一帧的部分修改 其制作平台是在交互 式ｉ算机图形系统上配备相应的动画设备和动画软件构成的 卜
动画是运动中的艺术． 运动是动画的要素。 脑三维动画中的运 电
动泛指使画面发生改变的动作， 不仅指景物、 角色的运动， 还包 括虚拟摄影机的运动、 纹理、 色彩的变化等。其一般制作流程如
张斌斌， 赵 韩 ２００ （ 合肥工业大学机械与汽车工 程学院， 安徽 合肥 ３０９ ）
关键词：几何变换动画；变形动画；角色 动画；粒子动画； 摄影机动画
冲｝ Ｂ
１引言 电脑三维动画是目 前国内外电脑应用的热点领域之一 随 着软件技术日 新月异以及电脑硬件技术的高速发展。电脑三维 动画已渗透到人们生活的各个角落 无论在科研、 教育， 军事、 还 是在电影、 广告、 术等领域， 脑三维动画都有着广泛的应用 艺 电 所谓动画， 就是利用人类视觉残留的特性， 快速播放一系列 静态图像， 使视觉产生动态的效果 而电脑三维动画是利用计 算
感兴趣的目 标，因而关节动画日 益成为人们致力解决的研究课
ｔ ）与物体表示有关的变形方法
大部分变形方法与物体的表示有密切的关系， 一般通过改 变几何对象的参数来实现变形 如控制顶点来对物体进行变形 对于多边形表示的物体， 物体的变形可通过移动其多边形
顶点来达到。 但是多边形的项点以某种内在的连接关系相关连，
化的函数。
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上臂 前导 攀 手掌 臀部
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２几何变换动画
也称之为 刚体动画” “ ，通过对场景中的几何对象进行移 动、 旋转、 缩放的几何变换操作， 从而产生动画的效果 其特点是 几何对象只是自 身大小或在场景中的相对位置发生变化， 而本
身形状并不改变
过移动连接、 转动连接约束子物体相对父物体的运动 在进行关 节运动模拟时， 结合使用两种方法效果会更好
机和软件组成的制作系统绘制生成的一系列的三 维景物画面 ，
电脑来完成， 插值代替了设计中间帧的动画师 所有影响画面图 像的参数都可 成为关键帧的参数， 如位置、 旋转角、 纹理的参数 等 关键帧插值问题可归结为参数插值问题， 传统的插值方法都
可应用到关键帧方法中
关键帧技术是电脑三维动画中最基本且运用最广泛的方 法。但制作出来的动画比较简单而且许多动画并不符合现实生 活规律． 要想制作的动画逼真。 就需要高级的动画技术来完成。
软件如Ｍ Ｙ Ｘ Ｉｉｓ ｘ ｉ ｔ ｖ 等，都包括实物造 Ａ Ａ，Ｓ， ｍ 和Ｌｇ Ｗａｅ ： ａ ｄ ｈ 型、 材质编辑、 运动控制、 谊染着色和系列生成五部分 在这些才 维动画软件中， 几乎所有的参数调节都可以制作成动画 虽然它 们的具体界面和操作不同， 但制作原理、 思路和制作技术都是相
同的
万方数据
２
Ｃ ｍ ｕ ｒ ａ ． ２ ０ ｏ ｐｔ Ｅ Ｎ １ ０３ ｅ ｒ ｏ ０
人的肢体的运动与面部表情的变化属于两个不同的运动范 畴， 制作角色动画时， 般将头部与身体分开制作。故角色动画 一 又可细分为关节动画和面部表情动画。 ｔ 关节动画 ） 在电脑三维动画中， 把人体作为其中的角色 一 直是研究者
在电脑三维动画中， 人体造型是一个颇为艰巨的问题 人体 具有２。 上的自由度和非常复杂的运动， ０ 个以 人的形状不规则，
人的肌肉不仅形状复杂， 而且随人体的运动而变形 人的个性 ，
刻青 千变万化。所以人体动画是电 脑三维动画中最富挑战性的
不恰当的移动很容易导 致三 维走样问题。参数曲面表示的物体
可较好地克服 仁 述问题 移动控制顶点仅仅改变了基函数的系
数， 曲面仍然是光滑的， 所以参数曲而表示的物体可处理任意复 杂的变形 但参数曲面表示的物体也会带来三维走样问题， 如果
控制顶点的分布比 较稀疏， 物体变形不一定是我们所预想的 对 于多个面拼接而成的物体， 变形的另一个限制是需要保持相邻
３变形动画
变形是一门基于节点的动画技术，在应用程序内是通过物 体节点序列的变换矩阵来实现的。相对于刚体动画缺乏生气的 不足， 传统动画的一个显著特点是赋予每个角色以个性， 并以形
１ 简单的几何变换动画一般采用关键帧技术 ） 关键帧的概念来源于传统的 卜 通片制作。在早期的Ｗａ ｌ 状变形来谊染某些夸张的效果。虽然传统动画的许多效果用三 ｔ Ｄｓ ｙ ｉｅ 制作室， ｎ 熟练的动画师设１卡通片的关键画面， 十 然后， 由 维动画还很难做到， 但是电脑三维动画在形状变形方面已经有 发展 一般的动画师设计中间顿。 在三维电脑动画中， 中间帧的牛成由
关节部位
头部 脖子
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者 提出了许多与 物体表示无关的变形方法 顾名思义， 与物体表
示无关的变形方法既可以作用千多边形表示的物体，又可以作
一Ｘ ） 轴渡
Ｙ轴 （ 度）
用于参 数曲面表示的物体。Ｂｒ提出的整体和局部变形方法是 ａ ｒ 这一方面的最早＿作。他的创新性在于在变换作用于物体的各 「 部分时不断修改变换矩阵， 变换矩阵成为位置的函数。Ｗａ 等 ｔ 拓广了Ｂｒ ａ ｒ的Ｆｃｒ ａｏ曲线的定义范围， ｔ 使得Ｆｃ ｒ ａｏ 曲线不仅包 ｔ 括空间域还包括时间域，因此 Ｆｃ ｒ ａｏ曲线成了 ｔ 随时间和空间变
２ ）与物体表示无关的变形方法
为了 使变形方法能很好地结合到造型和动画系统中， 研究
动力学方法的繁琐工们， 用户通过指定末端关节的位置， 电脑自 动计算出各中间关节的位置 当建立好层级关系时 所有的关节 虽不能自由移动， 但在所有的方向上都可以自由旋转， 要使角色 控制得逼真， 就要指定关节运动的约束。 Ｉ 在 Ｋ中有两种类型的 关节， 一种是旋转关节， 另一种是位置关节。任何关节都可以旋 转、 位移或两者都有 表 １ 关节约束
计算机时 ２０ 年 第 １ 期 代 ０３ ０
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电脑三维动画制作技术
滴 要：电脑三维动画应用 技术 日 益广泛， 在设计、 规划、 教学等领域大有发展前景。本 文 从几何变换动画、 变形动画、 角
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图１ 电脑三维动画制作流程
电脑三维动画起源于 ７ 年代初， ０ 至今已涌现出许 多优秀的 三维动画技术和制作软件。目 前国际上专业级的气 维动画制作
电 三 脑 维动画的分类方法很多， 我们将从几何变换动画、 变
形动画 、 角色动画、 粒子动画 、 摄影机动画几个方面对电脑三维
动画作一个较全面的综述。
在关键帧技术中， 将关键帧变换到运动轨迹上时 通常是一 这种变换是自 条 直线 动的， 由系统自 动计算所有帧间的动画数 据。但很多时候， 直线并不能满足物体真实运动轨迹的表述， 因 此， 逐渐发展出用户自 定义运动轨迹的样条驱动技术 在样条驱动动画中， 主要是运动规 路线的设计， 用户可通 过建立几何样条或使用数学表达式来指定物体运动的轨迹样 条， 并且可以进行交互控制， 从而得到逼真的运动动画 ３ ）实现几何对象间精确的相对运动的Ｉ技术 Ｋ １ 反１动力学 Ｉ ｅｅ ｅ ａｃ Ｋ（ 句 ｎ ｒ Ｋｎｍ ｔ ） ｖ ｓ ｉ ｉ 是针对正向运动的不 足而提出的一种改进方法， 可以很方便地对关节对象进行动作 模拟， 如链条的挪动、 机械手臂以及生物关节运动等 正向运动只能由父物体影响子物体 当父物体运动时， 子物 体必将跟着运动， 但当子物体运动时， 父物体却 不受影响 一个 父物体可以 有多个 户 物休， 但每个子物体只能有一个父物体。 正 向运动以连接和支点放置为基础， 通过继承约束与锁定约束来 约束被选择物体的运动， 当继承约束与锁定约束冲突时， 继承约 束优先于锁定约束。而ｉ 用变换子物体的方法， ｘ 通过链级逐级 向上影响父物体的运动。 其最大的优点就是可以定义关节的转 动或滑动的状态 反向运动也是通过连接和支点放置为基础， 通