第8章计算机动画技术(计算机图形学)要点
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【计算机图形学】计算机图形学计算机动画技术-1-绪论
2021/7/24
11
动画的发展历史
早期动画：
1888年，托马斯·爱迪生； 发明了一部连续画片的记录仪器；
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动画的发展历史
早期动画：
1895年，卢米·埃尔兄弟； 首次公开放映电影，标志胶片时代的到来；
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动画的发展历史
胶片动画的发展
1906年，斯图亚特·波拉克顿，发明了“逐格拍 摄法”；
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动画的发展历史
电脑动画的发展
1986年，史蒂夫·乔布斯，1000万； 成立了皮克斯(Pixar)动画工作室; 改进CG动画技术作为一种讲述故事的手段； 1988年，影片《罐 头总动员》(Tin Toy)；
第一部 奥斯卡最佳动画短片奖 计算机动画影片
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胶片动画制作成本昂贵； 电视台时间需求紧，促进了探索新的动画制作
技术。
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动画的发展历史
电视动画的发展：
灵活应变的剧本，有限动画的制作方式； 《汤姆和杰瑞》，奥斯卡短片奖；
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动画的发展历史
电脑动画的发展：
1946年，第一台计算机ENIAC在美国宾夕法尼 亚大学诞生；
伴随着计算机硬件和图形算法高速发展起来的 一门高新技术；
它以计算机图形学，特别是实体造型和真实感 显示技术、消隐、光照模型、表面质感等为基 础；
涉及到图像处理技术、运动控制原理、视频技 术、艺术甚至于视觉心理学、生物学、机器人 学、人工智能等领域；
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43
计算机动画中的软硬件技术
逐渐提高的计算机硬件性能赋予了计算机动画 人员开发新的CG软件和技巧的自由；
计算机图形学ppt(共49张PPT)
实现自动化、智能化的 加工和生产。
应用领域
广泛应用于机械、电子、建筑、汽车等制造业领域。
计算机游戏设计与开发
游戏引擎
基于计算机图形学技术构建游戏引擎， 实现游戏场景、角色、特效等的渲染 和交互。
应用领域
广泛应用于娱乐、教育、军事模拟等 领域。
游戏设计
利用计算机图形学技术进行游戏关卡、 任务、角色等的设计，提高游戏的可 玩性和趣味性。
纹理映射与表面细节处理
纹理坐标
定义物体表面上的点与纹理图像上的点之间 的映射关系。
Mipmapping
使用多级渐远纹理来减少纹理采样时的走样 现象。
Bump Mapping
通过扰动表面法线来模拟表面凹凸不平的细 节。
Displacement Mapping
根据高度图调整顶点位置，实现更真实的表 面细节。
透明度与半透明处理
Alpha Blending
通过混合像素的颜色和背景颜 色来实现透明度效果。
Order-Independent Transparency
一种解决透明物体渲染顺序问 题的方法，可以实现正确的透 明效果叠加。
Depth Peeling
通过多次渲染场景，每次剥离 一层深度，来实现半透明物体 的正确渲染。
如中点画圆算法，利用圆 的八对称性，通过计算决 策参数来生成圆。
多边形的生成算法
如扫描线填充算法，通过 扫描多边形并计算交点来 生成多边形。
二维图形的变换与裁剪
二维图形的变换
包括平移（Translation）、旋转（Rotation）、 缩放（Scaling）等变换，可以通过变换矩阵来实 现。
二维图形的裁剪
后期制作
在影视制作后期，利用计算机图形学技术进行颜色校正、合成、剪 辑等处理，提高影片质量。
应用领域
广泛应用于机械、电子、建筑、汽车等制造业领域。
计算机游戏设计与开发
游戏引擎
基于计算机图形学技术构建游戏引擎， 实现游戏场景、角色、特效等的渲染 和交互。
应用领域
广泛应用于娱乐、教育、军事模拟等 领域。
游戏设计
利用计算机图形学技术进行游戏关卡、 任务、角色等的设计，提高游戏的可 玩性和趣味性。
纹理映射与表面细节处理
纹理坐标
定义物体表面上的点与纹理图像上的点之间 的映射关系。
Mipmapping
使用多级渐远纹理来减少纹理采样时的走样 现象。
Bump Mapping
通过扰动表面法线来模拟表面凹凸不平的细 节。
Displacement Mapping
根据高度图调整顶点位置，实现更真实的表 面细节。
透明度与半透明处理
Alpha Blending
通过混合像素的颜色和背景颜 色来实现透明度效果。
Order-Independent Transparency
一种解决透明物体渲染顺序问 题的方法，可以实现正确的透 明效果叠加。
Depth Peeling
通过多次渲染场景，每次剥离 一层深度，来实现半透明物体 的正确渲染。
如中点画圆算法，利用圆 的八对称性，通过计算决 策参数来生成圆。
多边形的生成算法
如扫描线填充算法，通过 扫描多边形并计算交点来 生成多边形。
二维图形的变换与裁剪
二维图形的变换
包括平移（Translation）、旋转（Rotation）、 缩放（Scaling）等变换，可以通过变换矩阵来实 现。
二维图形的裁剪
后期制作
在影视制作后期，利用计算机图形学技术进行颜色校正、合成、剪 辑等处理，提高影片质量。
计算机图形学主要研究内容
计算机图形学主要研究内容要想了解计算机图形学的研究内容，我们要弄清这样几个问题。
1.我们先来看一下“图形”这个关键词。
图形是指在载体上以几何线条和几何符号等反映事物各类特征和变化规律的表达形式；图像是图形和各种影像的总称。
相较于文字，图像所传达的信息量要巨大的多，更加直观，更易为人所接受，作为图像的组成部分，图形也具有这些特点。
以图1为例，这幅图为香港亚太设计双年展0174号展品，我们不难想象，文字是无法准确地描述出下图的会议室装修效果的，不能传达出设计师的思想。
而这幅依靠计算机3D软件做出来的图形则清楚准确地展现出了设计师的设计意图。
图1 香港亚太双年展0174这样，我们清楚地了解到了图形的作用。
2.在计算机科学中，图形又是什么呢？在计算机科学中，图形是指由外部轮廓线条构成的矢量图。
即由计算机绘制的直线、圆、矩形、曲线、图表等。
图形用一组指令集合来描述图形的内容，如描述构成该图的各种图元位置维数、形状等。
描述对象可任意缩放不会失真。
在显示方面图形使用专门软件将描述图形的指令转换成屏幕上的形状和颜色。
适用于描述轮廓不很复杂，色彩不是很丰富的对象，如：几何图形、工程图纸、CAD、3D造型软件等。
它的编辑通常用Draw程序，产生矢量图形，可对矢量图形及图元独立进行移动、缩放、旋转和扭曲等变换。
主要参数是描述图元的位置、维数和形状的指令和参数。
并且，在计算机科学中，还要注意这样一个问题，图形和图像这两个概念的区别。
一，数据来源不同。
图形一般指用计算机绘制的画面，如直线、圆、圆弧、任意曲线和图表等；图像则是指由输入设备捕捉的实际场景画面或以数字化形式存储的任意画面。
二，编辑处理方法不同。
图像是由一些排列的像素组成的，在计算机中的存储格式有BMP、PCX、TIF、GIFD等，一般数据量比较大。
它除了可以表达真实的照片外，也可以表现复杂绘画的某些细节，并具有灵活和富有创造力等特点；与图像不同，在图形文件中只记录生成图的算法和图上的某些特点，也称矢量图。
计算机图形学课程-计算机动画
二维动画中的运动路径设计
对象运动动画简单示例
例：点在(10,10)开始，中间以直线运动，经过10 步把它移动(110,110) ，则需要画点10 次，在x， y方向每次移动10 个象素。 for(i=10;i<=110;i=i+10) {putpixel(i,i,RED); delay(毫秒); putpixel(i+10,i+10,RED); putpixel(i,i,BLACK);}
6 OpenGL动画设计概述
OpenGL为动画设计提供了很好的支持，一 些很著名的3D游戏软件都使用OpenGL作为 渲染引擎 OpenGL提供了一些函数，支持图像和场景 的移动和旋转等操作，并支持图像的快速切 换输出。采用动画技术与前面所学的图形学 基本知识相互配合，可以使用户很轻易地创 建出动画效果
主要的动画技术－运动描述
------样条驱动技术
在实时动画中，计算机对输入的数据进行快速处 理，并在人眼察觉不到的时间内将结果随时显示出来 在实时动画中，如何表示运动呢？这就是运动描 述。 更复杂的运动一般要通过路径进行描述，这种动 画称之为路径动画。
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。 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
《汤姆和杰瑞》 奥斯卡短片奖；
《美女与野兽》
计算机动画的应用领域
计算机动画提供了一个充分展示个人想像力和艺 术才能的新天地； 广泛应用于许多领域：
动画片制作、电视广播 广告、电影特技 教学演示 训练模拟 建筑场景漫游 产品模拟试验 电子游戏
计算机动画技术
动作捕捉
通过动作捕捉设备记录演员的 动作，将其应用到角色的动作
中。
实例二：环境动画制作
场景模型设计
创建逼真的场景模型，包括地形、建筑物、 树木、花草等元素。
光照与渲染
为场景添加逼真的光照效果，通过调整材质 属性和光源属性来渲染场景。
背景动画制作
根据故事情节，制作背景动画，如四季更替 、日出日落等。
特效动画制作
在场景中添加特效动画，如雨雪、火焰、烟 雾等。
实例三：特效动画制作
01
粒子系统
使用粒子系统模拟自然现象，如雨 雪、火焰、烟雾等。
柔体动力学
模拟柔软物体的动态效果，如头发 、布料等。
03
02
刚体动力学
模拟物体的物理属性，如重力、碰 撞、弹跳等。
渲染特效
添加光晕、描边、景深等特效来增 强画面的视觉效果。
通过云计算，可以将渲染好的动 画片段进行合成、剪辑和发布， 大大提高了工作效率。
实时渲染技术发展
高性能图形处理器
随着GPU技术的发展，实时渲染的速度和质量得到了大幅提升 ，使得动画制作更加高效。
逼真度与实时性
实时渲染技术不断追求更高的逼真度和实时性，以满足不断增长 的视觉效果需求。
交互式动画
实时渲染技术使得观众可以与动画进行交互，如虚拟现实游戏中 的角色动画，增强了互动性和沉浸感。
交互式动画
通过用户与虚拟环境的交互，实 现动态的动画效果，如游戏、虚
拟现实电影等。
04
计算机动画应用领域
影视制作
特效制作
计算机动画技术可以用于制作电影、电视剧中的特效，包括火、 水、爆炸等复杂场景，以及虚拟角色、怪物等。
背景模拟
在影视制作中，计算机动画技术可以模拟出各种背景，包括古代建 筑、未来城市、山水风光等，提高影片的视觉效果。
通过动作捕捉设备记录演员的 动作，将其应用到角色的动作
中。
实例二：环境动画制作
场景模型设计
创建逼真的场景模型，包括地形、建筑物、 树木、花草等元素。
光照与渲染
为场景添加逼真的光照效果，通过调整材质 属性和光源属性来渲染场景。
背景动画制作
根据故事情节，制作背景动画，如四季更替 、日出日落等。
特效动画制作
在场景中添加特效动画，如雨雪、火焰、烟 雾等。
实例三：特效动画制作
01
粒子系统
使用粒子系统模拟自然现象，如雨 雪、火焰、烟雾等。
柔体动力学
模拟柔软物体的动态效果，如头发 、布料等。
03
02
刚体动力学
模拟物体的物理属性，如重力、碰 撞、弹跳等。
渲染特效
添加光晕、描边、景深等特效来增 强画面的视觉效果。
通过云计算，可以将渲染好的动 画片段进行合成、剪辑和发布， 大大提高了工作效率。
实时渲染技术发展
高性能图形处理器
随着GPU技术的发展，实时渲染的速度和质量得到了大幅提升 ，使得动画制作更加高效。
逼真度与实时性
实时渲染技术不断追求更高的逼真度和实时性，以满足不断增长 的视觉效果需求。
交互式动画
实时渲染技术使得观众可以与动画进行交互，如虚拟现实游戏中 的角色动画，增强了互动性和沉浸感。
交互式动画
通过用户与虚拟环境的交互，实 现动态的动画效果，如游戏、虚
拟现实电影等。
04
计算机动画应用领域
影视制作
特效制作
计算机动画技术可以用于制作电影、电视剧中的特效，包括火、 水、爆炸等复杂场景，以及虚拟角色、怪物等。
背景模拟
在影视制作中，计算机动画技术可以模拟出各种背景，包括古代建 筑、未来城市、山水风光等，提高影片的视觉效果。
计算机图形学知识要点课件
投影变换可以分为正交投影和透视投 影两种类型。
透视投影将三维图形按照透视的方式 投影到二维平面上，产生近大远小的 效果，使图形更加真实。
01
光照与材 质
光照模型
漫反射模型
光线在平滑表面以相同的方向散开，计算公式为 `I = kd * Ii`， 其中 `I` 是表面亮度，`kd` 是漫反射系数，`Ii` 是入射光亮度。
01基础知识颜色理论010203
颜色空间
描述颜色的不同方式，如 RGB、CMYK等。
颜色模型
用于描述和显示颜色的系 统，如RGB、HSV等。
颜色深度
表示图像中可用的颜色数 量的度量。
图像处理基础
像素
构成数字图像的最小单位。
位深
描述像素值的范围或精度。
图像分辨率
描述图像的细节程度。
图形渲染基础
颜色空间
用于表示颜色的数据结构，如RGB、 HSV等。
04
01
计算机图形学前沿 技术
实时渲染技术
实时渲染技术
实时渲染技术是计算机图形学中的一 项重要技术，它能够在实时生成逼真 的图像。这种技术广泛应用于游戏、 电影制作、建筑设计等领域。实时渲 染技术通过使用高级着色语言和高效 的图形处理算法，能够以极快的速度 生成高质量的图像。
虚拟现实与增强现实技术
虚拟现实技术
虚拟现实技术是一种能够创建和体验虚 拟世界的计算机技术。它通过模拟人的 视听和触觉等感官体验，使用户仿佛身 临其境地置身于一个由计算机生成的三 维虚拟环境中。虚拟现实技术广泛应用 于游戏、教育、医疗、军事等领域，为 用户提供沉浸式的体验。
VS
增强现实技术
增强现实技术是一种能够将虚拟信息融合 到真实世界中的技术。它通过在用户的视 野中叠加虚拟物体或信息，使用户能够在 现实世界中看到和交互虚拟对象。增强现 实技术广泛应用于游戏、教育、医疗、工 业等领域，能够提供更加丰富和多样化的 用户体验。
计算机图形学 计算机动画ppt课件
生成
刚体的运动 ; 柔体的运动 ;
关节体的运动 ; 随机体的运动 ;
3.2.3 计算机动画制作的工具环境
3.2.4 学习动画制作精选的课件方PPT法及途径
3
刚体的运动
(1) 关键帧插值法 (2) 运动轨迹法 (3) 运动动力学法
精选课件PPT
4
柔体的运动
(1) 变形（deformation)
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)
动画演示
精选课件PPT
17
3.2.2 动画的设计与制作
一个典型的三维动画系统的结构是:
三维建模 ＋ 真实感模拟
物理规则 ＋ 知识表达 ＋ 传统动画方法
＼／
＼∣／
造型表达
＋ 运动表达
＼
／
三维动画
精选课件PPT
18
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 2. 推移法(sweep), 放样(loft), 旋转加工(lathe)
《谁陷害精了选兔课子件罗PP杰T ？》动画片
12
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
1. “Mr. Computer Image ABC”, (计算机产生的人物动画, 1962)
2. “旅行者二号”, (JPL实验室,70年代后期)
刚体的运动 ; 柔体的运动 ;
关节体的运动 ; 随机体的运动 ;
3.2.3 计算机动画制作的工具环境
3.2.4 学习动画制作精选的课件方PPT法及途径
3
刚体的运动
(1) 关键帧插值法 (2) 运动轨迹法 (3) 运动动力学法
精选课件PPT
4
柔体的运动
(1) 变形（deformation)
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)
动画演示
精选课件PPT
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3.2.2 动画的设计与制作
一个典型的三维动画系统的结构是:
三维建模 ＋ 真实感模拟
物理规则 ＋ 知识表达 ＋ 传统动画方法
＼／
＼∣／
造型表达
＋ 运动表达
＼
／
三维动画
精选课件PPT
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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 2. 推移法(sweep), 放样(loft), 旋转加工(lathe)
《谁陷害精了选兔课子件罗PP杰T ？》动画片
12
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
1. “Mr. Computer Image ABC”, (计算机产生的人物动画, 1962)
2. “旅行者二号”, (JPL实验室,70年代后期)
计算机图形学课件第八章-几何造型简介
可以预计，在这一发展道路上，将会不断出现新成果。
32
作业
1．几何造型有哪三种模型？各有什么特点？ 2．分析比较CSG法与B-rep法优缺点。
1973年在英国剑桥大学由I· C· Braid等建成了BUILD系统 1973年日本北海道大学公布了TIPS-1系统 1978年，Shape Data的ROMULUS系统问世 1980年 Evans和Sutherland开始将ROMULUS投放市场
目前市场上已有许多商品化的几何造型系统。
国外： AUTOCAD、CATIA、I - DEAS 、Pro/Engineer、
1
第八章 几何造型简介
8.1 概述 8.1.1 几何造型定义 几何造型是计算机及其图形
工具表示描述物体形状，设计几 何形体，模拟物体动态处理过程 的一门综合技术。包括： 1、曲面造型：B样条曲面，Coons 2、实体造型 3、特征造型：面向制造全过程，实现CAD/CAM集成重要手段 三种造型关键是实体造型，后面重点讨论实体造型。
画、边、点之间的拓扑关系
16
8.3.2 边界表示（B-rep）法
2、形体边界表示法 （1）分层表示 将形体面、边、顶点的信息分别记录，建立层与层 之间的关系，其信息包括几何信息和拓扑信息。 （2）翼边结构 以边为核心来组织形体数据
（3）优缺点 优点：可直接用几何体面、边、点来定义数据， 方便图形绘制。 缺点：数据结构复杂，存储量大。
27
8.3.5 分解表示法（D-rep）
先讨论四叉树再讨论八叉树。 1、四叉树
四叉树处理图形基本思想：假定图形由N ×N个像素构成， 且 N＝ 2m。将图形四等分，划分后可能出现三种情况：
（1）图形不占区域：白色区域，不必再划分；
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作业
1．几何造型有哪三种模型？各有什么特点？ 2．分析比较CSG法与B-rep法优缺点。
1973年在英国剑桥大学由I· C· Braid等建成了BUILD系统 1973年日本北海道大学公布了TIPS-1系统 1978年，Shape Data的ROMULUS系统问世 1980年 Evans和Sutherland开始将ROMULUS投放市场
目前市场上已有许多商品化的几何造型系统。
国外： AUTOCAD、CATIA、I - DEAS 、Pro/Engineer、
1
第八章 几何造型简介
8.1 概述 8.1.1 几何造型定义 几何造型是计算机及其图形
工具表示描述物体形状，设计几 何形体，模拟物体动态处理过程 的一门综合技术。包括： 1、曲面造型：B样条曲面，Coons 2、实体造型 3、特征造型：面向制造全过程，实现CAD/CAM集成重要手段 三种造型关键是实体造型，后面重点讨论实体造型。
画、边、点之间的拓扑关系
16
8.3.2 边界表示（B-rep）法
2、形体边界表示法 （1）分层表示 将形体面、边、顶点的信息分别记录，建立层与层 之间的关系，其信息包括几何信息和拓扑信息。 （2）翼边结构 以边为核心来组织形体数据
（3）优缺点 优点：可直接用几何体面、边、点来定义数据， 方便图形绘制。 缺点：数据结构复杂，存储量大。
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8.3.5 分解表示法（D-rep）
先讨论四叉树再讨论八叉树。 1、四叉树
四叉树处理图形基本思想：假定图形由N ×N个像素构成， 且 N＝ 2m。将图形四等分，划分后可能出现三种情况：
（1）图形不占区域：白色区域，不必再划分；
计算机图形学与计算机动画
直线绘制算法
两点式
通过两点坐标计算直线的斜率和截距，得到直线的方程。
射线和光线
通过射线和光线交汇的方式计算直线上的点，实现直线绘制。
曲线绘制算法
参数曲线
通过参数方程表示曲线，通过参数变化 绘制曲线。
VS
B样条曲线
通过控制点确定曲线形状，通过调整控制 点位置绘制不同曲线。
曲面绘制算法
多边形网格
通过多边形网格表示曲面，通过调整顶点位 置绘制曲面。
运动学动画
通过定义物体的运动轨迹和速度来创建动画。
动力学动画
考虑物理因素如重力、摩擦力等来创建更真实的动画效果。
运动学与动力学结合
将运动学和动力学结合起来，可以创建更复杂的动画效果。
骨骼动画与角色动画
1 2
骨骼动画
通过骨骼系统来控制角色的动作，适用于复杂的 角色动画。
角色动画
通过直接控制角色的各个部分来创建动画，适用 于简单的角色动画。
虚拟现实
虚拟现实是计算机图形学中的另一个重要技术，可以通过模拟真实世界的场景和效果， 为用户提供沉浸式的体验。
自然现象模拟与仿真
自然现象模拟
计算机图形学技术可以模拟出真实世界中的 各种自然现象，包括风雨雷电、火山喷发、 海浪等，为科学研究提供有力的支持。
仿真技术
仿真技术是计算机图形学中的一个重要应用 ，可以通过模拟真实世界的各种系统和现象 ，为工程设计、商业模拟等领域提供支持。
THANKS
感谢观看
着色器
执行渲染管线的各个阶段的程序，如 顶点着色器、片段着色器等。
光照与阴影
光照
描述光线与物体表面的交互方式，包括光源、光照模型等。
阴影
描述光线被物体遮挡后形成的阴影效果，包括阴影贴图、光线追踪等算法。
计算机图形学计算机动画
04计
三维建模
通过三维建模技术，可以创建具有高度逼真度的角色模型。 这种技术使用三维坐标系统，通过点、线和面的组合来构建 角色的形状和外观。
角色设计
在计算机动画中，角色设计是至关重要的。三维建模技术可 以帮助设计师创建各种形状和比例的人物、动物或其他生物 的角色模型。这种技术还可以用于创建角色的服装、发型和 面部表情等细节。
的情感表达，使观众更加感同身受。
与画面协调一致
03
音效技术可以与画面协调一致，创造出更加完美的视听效果，
提高动画的整体质量。
06
未来发展趋势与挑战
计算机图形学与计算机动画融合发展趋势
实时渲染技术
随着计算机硬件和图形算法的不断发展，实时渲染技术将更加成 熟，能够实现更加逼真的动画效果。
虚拟现实与增强现实
粒子系统技术
通过模拟大量粒子的运动和变化 ，实现各种自然现象的动画效果 。常用的粒子系统技术有基于物 理的粒子和基于图像的粒子。
计算机动画应用领域
01
影视制作
计算机动画在影视制作中广泛应 用，包括特效制作、角色动画、 场景设计等。
游戏开发
02
03
虚拟现实
计算机动画在游戏开发中用于实 现角色动作、场景特效等，提高 游戏的趣味性和互动性。
可视化
研究如何将数据以图形形式呈现给用户，以 便更好地理解和分析。
02
计算机动画原理与技术
计算机动画基本原理
01
02
03
关键帧技术
通过定义关键帧，即动画 中的主要动作或状态，然 后通过插值方法生成中间 帧，实现动画效果。
骨骼动画技术
通过定义角色的骨骼结构 ，然后对骨骼进行旋转、 平移等变换，实现角色的 动画效果。
计算机图形学_PPT完整版
图形软件主要类型
3. 专用图形软件包 针对某一种设备或应用，设计/配置专用的图形 生成语言或函数集，例如： 场景描述：Open Inventor 建立虚拟世界的三维模型：VRML 生成三维Web显示：Java3D 创建Java applet中的二维场景：Java 2D 生成各种光照模型下的场景：Renderman Interface（Pixar）……
图元的绘制、显示过程
顶点
法向量、颜色、纹理…
像素
图元操作、像素操作 光栅化（扫描转换）
像素信息 帧缓存 显示器
调用底层函数，如 setPixel (x,y)；将当 前像素颜色设定值存 入帧缓存的整数坐标 位置（x,y）处。
图元描述与操作
几何图元由一组顶点（Vertex）描述 这一组顶点可以是一个或是多个。每个顶点信息二维或 三维，使用 2~4 个坐标。顶点信息由位置坐标、颜色 值、法向量、纹理坐标等组成。 图元操作： 几何变换、光照、反走样、消隐、像素操作等，然后准 备进行光栅化处理。 扫描转换或光栅化（Rasterization ） 将对象的数学描述、颜色信息转换成像素信息（像素段 写入帧缓存），送到屏幕显示。
应用程序
图形应用程序
图形语言连接 外部应用 数据库 内部应用 数据库 API GKS/GKS 3D PHIGS OpenGL
图形编程软件包，如OpenGL、 VRML、Java2D、Java3D……
GKSM
图形设备驱动程序，如显卡驱动、 打印机/绘图仪驱动…… 支持图形处理的操作系统,如 Macintosh、Windows、Unix、 Linux 、各种嵌入式OS…… 图形输
计算机图形软件的标准化意义
可移植性 通用、与设备无关 推动、促进计算机图形学的推广、应用 资源信息共享
计算机图形学-计算机动画
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
4
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
20
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
21
主要的动画技术（4/21）
– 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
38
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
– 许多商用动画软件都提供变形工具
Softimage、Alias、Maya、3DS MAX
30
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
所要解决的基本问题
– 通过对样条曲线等间隔采样
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
4
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
20
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
21
主要的动画技术（4/21）
– 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
38
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
– 许多商用动画软件都提供变形工具
Softimage、Alias、Maya、3DS MAX
30
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
所要解决的基本问题
– 通过对样条曲线等间隔采样
第8章计算机动画技术.
第二部分则以几个连贯的例子，重点介绍使用 OpenGL产生动画的一般方法。
8.1 计算机动画技术概述
目 录 8.1.1 动画技术的历史和发展
上一页 下一页 退出
动画的起源
岩壁动画 皮影戏
传统动画技术
电影 动画片
计算机动画技术是在传统动画的基础上，随着现代计算机
技术，特别是图形学、多媒体的发展而逐步发展、成熟起来。
退出
Animator / Animator Pro / 3D Studio等2D/3D动画制作软件中采 用的彩色动画文件格式
3、AVI格式：Audio Video Interleaved，即音频视频交错格式
4、DivX格式：这是由MPEG－4衍生出的一种视频编码(压缩)
标准
5、RM格式；MOV格式；SWF格式
下面用另一个例子 再介绍并演示双缓冲技 术，产生一个绕中心旋 转的正方形
目录
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将上一节程序中的
glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB); 改为
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB); 同时，在RenderHandler函数中，将glFlush()改为 glutSwapBuffers()，就可以使用OpenGL的双缓冲功能，
第八章 计算机动画技术
目录
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计算机图形学的一个重要应用领域就是计算机动 画。现代的计算机技术与传统动画技术相结合，产生 出计算机动画技术，得到了快速发展，在影视、娱乐、 仿真等领域得到广泛的应用。
本章主要分两部分：
第一部分首先介绍计算机动画技术，包括计算机 动画技术概述、动画技术分类、动画的基本原理和关 键技术，
8.1 计算机动画技术概述
目 录 8.1.1 动画技术的历史和发展
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动画的起源
岩壁动画 皮影戏
传统动画技术
电影 动画片
计算机动画技术是在传统动画的基础上，随着现代计算机
技术，特别是图形学、多媒体的发展而逐步发展、成熟起来。
退出
Animator / Animator Pro / 3D Studio等2D/3D动画制作软件中采 用的彩色动画文件格式
3、AVI格式：Audio Video Interleaved，即音频视频交错格式
4、DivX格式：这是由MPEG－4衍生出的一种视频编码(压缩)
标准
5、RM格式；MOV格式；SWF格式
下面用另一个例子 再介绍并演示双缓冲技 术，产生一个绕中心旋 转的正方形
目录
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将上一节程序中的
glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB); 改为
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB); 同时，在RenderHandler函数中，将glFlush()改为 glutSwapBuffers()，就可以使用OpenGL的双缓冲功能，
第八章 计算机动画技术
目录
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计算机图形学的一个重要应用领域就是计算机动 画。现代的计算机技术与传统动画技术相结合，产生 出计算机动画技术，得到了快速发展，在影视、娱乐、 仿真等领域得到广泛的应用。
本章主要分两部分：
第一部分首先介绍计算机动画技术，包括计算机 动画技术概述、动画技术分类、动画的基本原理和关 键技术，
计算机图形学基本知识PPT课件
仿射变换
通过仿射变换矩阵对图像进行变换，可以处理更复杂的几何变换。
04 计算机图形学高级技术
光照模型与材质贴图
光照模型
描述物体表面如何反射光线的数 学模型，包括漫反射、镜面反射 和环境光等。
材质贴图
通过贴图技术将纹理映射到物体 表面，增强物体的真实感和细节 表现。
纹理映射
纹理映射技术
将图像或纹理图案映射到三维物体表 面，增强物体的表面细节和质感。
总结
计算机图形学在游戏设计、电影与动 画制作、虚拟现实与仿真等领域有着 广泛的应用。
计算机图形学的发展历程
起步阶段
20世纪50年代，计算机图形 学开始起步，主要应用于几 何形状的生成和简单图形的 处理。
发展阶段
20世纪80年代，随着计算机 性能的提高，计算机图形学 开始广泛应用于电影、游戏 等领域。
总结
计算机图形学利用计算机 技术生成、处理和显示图 形，实现真实世界的模拟 和再现。
计算机图形学的应用领域
游戏设计
游戏中的角色、场景和特效都需要用 到计算机图形学技术。
电影与动画制作
电影特效、角色建模和动画制作都离 不开计算机图形学。
虚拟现实与仿真
虚拟现实技术、军事仿真、工业设计 等领域都广泛应用计算机图形学。
向量图
向量图是矢量图的一种，通常用于描 述二维图形，如几何图形和图表。
图像的分辨率与质量
分辨率
分辨率是指图像中像素的数量， 通常以像素每英寸（PPI）或像素
每厘米（PPC）为单位。
质量
图像质量取决于分辨率、颜色深度 和压缩等因素。
压缩
图像压缩是一种减少图像文件大小 的方法，常见的图像压缩格式有 JPEG和PNG等。
通过仿射变换矩阵对图像进行变换，可以处理更复杂的几何变换。
04 计算机图形学高级技术
光照模型与材质贴图
光照模型
描述物体表面如何反射光线的数 学模型，包括漫反射、镜面反射 和环境光等。
材质贴图
通过贴图技术将纹理映射到物体 表面，增强物体的真实感和细节 表现。
纹理映射
纹理映射技术
将图像或纹理图案映射到三维物体表 面，增强物体的表面细节和质感。
总结
计算机图形学在游戏设计、电影与动 画制作、虚拟现实与仿真等领域有着 广泛的应用。
计算机图形学的发展历程
起步阶段
20世纪50年代，计算机图形 学开始起步，主要应用于几 何形状的生成和简单图形的 处理。
发展阶段
20世纪80年代，随着计算机 性能的提高，计算机图形学 开始广泛应用于电影、游戏 等领域。
总结
计算机图形学利用计算机 技术生成、处理和显示图 形，实现真实世界的模拟 和再现。
计算机图形学的应用领域
游戏设计
游戏中的角色、场景和特效都需要用 到计算机图形学技术。
电影与动画制作
电影特效、角色建模和动画制作都离 不开计算机图形学。
虚拟现实与仿真
虚拟现实技术、军事仿真、工业设计 等领域都广泛应用计算机图形学。
向量图
向量图是矢量图的一种，通常用于描 述二维图形，如几何图形和图表。
图像的分辨率与质量
分辨率
分辨率是指图像中像素的数量， 通常以像素每英寸（PPI）或像素
每厘米（PPC）为单位。
质量
图像质量取决于分辨率、颜色深度 和压缩等因素。
压缩
图像压缩是一种减少图像文件大小 的方法，常见的图像压缩格式有 JPEG和PNG等。
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计算机图形学
Computer Graphics
教材：《计算机图形学》王汝传等
编著 人民邮电出版社
第八章 计算机动画技术
8.1计算机动画概述
8.1.1计算机动画历史与现状 8.1.2传统动画和计算机动画 8.1.3计算机动画的研究内容 8.1.4计算机动画的应用
8.2计算机动画的分类和原理
8.2.1计算机动画的分类 8.2.2计算机动画原理
3）反向运动学算法：已知物体末端位臵和状态，反求运动
方程以确定运动形式。 4）反向动力学算法：已知物体末端位臵和状态，反求动力
学方程以确定运动形式。
5）随机运动算法：在某些场合下加进运动控制随机因素。
计算机图形学
2、算法动画
算法动画是指按照物理或化学等自然规律对运动 进行控制的方法、针对不同类型物体的运动方式，从 简单的质点运动到复杂的涡流、有机分子碰撞等，一 般按物体运动的复杂程度分为质点、刚体、可变软组 织、链接物、变化物等类型、也可以按解析式定义物 体。
2、商业电视广告
3、计算机辅助教学演示
4、飞行员模拟训练
5、游戏软件
计算机图形学
应用前景：
1、计算机动画与多媒体技术 2、计算机动画与虚拟现实技术 3、计算机动画与人工生命
96年涂晓媛博士研究出新一代计算机动画--“人工鱼”
计算机图形学
8.2 计算机动画分类和原理
一、计算机动画的分类
1、二维动画（卡通动画） 传统卡通动画先画出两个关键帧，然后在中间插入 一系列画，计算机二维动画则借助计算机来完成中间画
计算机图形学
（2）60年代期间，美国一些公司、研究机构和大学开发二 维动画系统，用计算机实现中间画面制作（关键帧）和自动4）70年代期间至80年代初，随着计算机图形学理论发展 ，尤其三维物体造型的发展，人们开始研究计算机三维造型 动画系统。
计算机图形学
一、计算机动画历史与现状 计算机动画技术可以看作计算机图形学的综合应用。 包括图形生成（二维、三维）尤其是真实感图形生成技术。 计算机图形学与计算机动画不同，计算机动画属于四维 空间（三维加上时间），而计算机图形学只限于三维空间。
计算机动画最初产生和发展与传统动画制作有着密切关系。
（1）1963年，Bell实验室研究人员用计算机制作出了世界 上第一部动画片。
计算机图形学
二、传统动画与计算机动画
传统动画片生产过程
1）剧本 不带画面的整个故事的详细叙述，反映动画片大致概 貌与镜头的剧本，如同故事片一样。
2）设计稿 对动画片中出现多种角色选型、动作、色彩、气氛等 设计，实际上完成手稿图工作。 3）声音节拍 动作必须与对话声音相配合、协调一致。
4）关键帧 动画处理中关键帧（也称原画）由经验丰富的动画设 计者完成，通常由一个设计者完成某个角色。
计算机图形学
传统动画采用手工方法制作，精度差且效率低； 计算机动画的实现，省去了繁杂的手工工序，使动画 片的生产效率提高了许多倍。 计算机动画立体感强，可以改变视角、视距、视野及 景深，具有明暗光线变化和阴影，使物体产生不同灰度和
颜色渐变以及逼真的光照，可以产生纹理质感，这些特点
与效果是传统手工动画难以实现或不可能实现的。
8.3计算机动画的关键技术
8.3.1旋转的四元数表示 8.3.2碰撞检测技术 8.3.3运动捕捉技术
计算机图形学
8.1
计算机动画概述
动画的定义： 就是一组连续的图像序列。当按一定的速率显示 的时候，能传递一种运动的感觉。 动画的技术要求： 每一幅图像或者每一动画帧，都必须有机地、无 缝地和其他的图像融合在一起，这样才能随着时 间的变化，产生平滑的、连续的运动。
计算机图形学
5）中间画 中间画是那些位于两个关键帧之间的画面，中间画 一般由辅助动画设计者及其助手完成。 6）测试
7）描线上墨
计算机图形学
8）上色 给多幅画面在透明片上涂上颜料
9）检查 动画设计者在拍摄之前再次检查各镜头动作质量
10）拍摄 这一工序在动画摄制机上完成。动画摄影师把动画系 统通过拍摄依次记录在胶片上 11）后期制作 编辑、剪接、对白、配音、剪带等后期制作工序是必 不可少的
计算机图形学
二、计算机动画原理 1、关键帧动画 通过一组关键帧或关键参数值而得到中间动画帧序列： （1）形状插值：从关键帧本身而得到中间动画帧； （2）关键参数插值：通过插值物体模型关键参数数值来 获得中间动画。
计算机图形学
2、算法动画
算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。 1）运动学算法：由运动学方程确定物体运动轨迹和速率。 2）动力学算法：由力学方程确定物体运动形式。
计算机图形学
三、计算机动画研究内容
1、关键帧动画 2、基于机械学的动画和工业过程动画仿真 3、运动和路径的控制 4、动画语言与语义 5、基于智能的动画，机械人与动画 6、动画系统用户界面 7、科学可视化计算机动画表现 8、特技效果，合成演员
9、语言、音响合成，录制技术
计算机图形学
四、计算机动画应用 1、电影电视动画片制作
随着PC 图形加速卡的性价比迅速提高，使得在基 于PC的微机工作站上制作动画也能与在SGI工作站上一 样得心应手。 当前，商业动画软件的功能越来越强，已经能够 轻松制作出许多足以以假乱真的影视动画特技，这在 《侏罗纪公园》、《终结者》等电影中都得到了淋漓 尽致的展现，观众已很难区分哪些是计算机生成的动 画，哪些是模型制作的效果。
的自动生成。
计算机图形学
一、计算机动画分类 2、三维动画 如果说二维动画对应于传统卡通动画，那么三维动画 画则对应于木偶动画。 木偶动画首先制作木偶、道具和场景，三维动画首先
建立角色、实物和场景三维数据。
三维动画具有很强的真实感和立体感。
计算机图形学
一、计算机动画分类
按照动画物体自身物理属性不同，三维动画也可分为： 1、刚体动画 2、软体动画 3、关节动画 4、粒子动画
（5）80年代，研究动画生成的关键参数插值法、运动学算 法和动力学算法等。
（6）80年代末进入90年代后，多种不同动画软件出现，如 3DS，Animator等。
计算机图形学
目前，随着计算机硬件性能价格比的快速提高和 OpenGL、DirectX等图形标准的广泛应用，商用动画软 件公司纷纷推出了动画软件的微机版本。如原来运行 于工作站上价格昂贵的动画软件Alias|Wavefront、 maya和softimage现在都已有了PC版本。
Computer Graphics
教材：《计算机图形学》王汝传等
编著 人民邮电出版社
第八章 计算机动画技术
8.1计算机动画概述
8.1.1计算机动画历史与现状 8.1.2传统动画和计算机动画 8.1.3计算机动画的研究内容 8.1.4计算机动画的应用
8.2计算机动画的分类和原理
8.2.1计算机动画的分类 8.2.2计算机动画原理
3）反向运动学算法：已知物体末端位臵和状态，反求运动
方程以确定运动形式。 4）反向动力学算法：已知物体末端位臵和状态，反求动力
学方程以确定运动形式。
5）随机运动算法：在某些场合下加进运动控制随机因素。
计算机图形学
2、算法动画
算法动画是指按照物理或化学等自然规律对运动 进行控制的方法、针对不同类型物体的运动方式，从 简单的质点运动到复杂的涡流、有机分子碰撞等，一 般按物体运动的复杂程度分为质点、刚体、可变软组 织、链接物、变化物等类型、也可以按解析式定义物 体。
2、商业电视广告
3、计算机辅助教学演示
4、飞行员模拟训练
5、游戏软件
计算机图形学
应用前景：
1、计算机动画与多媒体技术 2、计算机动画与虚拟现实技术 3、计算机动画与人工生命
96年涂晓媛博士研究出新一代计算机动画--“人工鱼”
计算机图形学
8.2 计算机动画分类和原理
一、计算机动画的分类
1、二维动画（卡通动画） 传统卡通动画先画出两个关键帧，然后在中间插入 一系列画，计算机二维动画则借助计算机来完成中间画
计算机图形学
（2）60年代期间，美国一些公司、研究机构和大学开发二 维动画系统，用计算机实现中间画面制作（关键帧）和自动4）70年代期间至80年代初，随着计算机图形学理论发展 ，尤其三维物体造型的发展，人们开始研究计算机三维造型 动画系统。
计算机图形学
一、计算机动画历史与现状 计算机动画技术可以看作计算机图形学的综合应用。 包括图形生成（二维、三维）尤其是真实感图形生成技术。 计算机图形学与计算机动画不同，计算机动画属于四维 空间（三维加上时间），而计算机图形学只限于三维空间。
计算机动画最初产生和发展与传统动画制作有着密切关系。
（1）1963年，Bell实验室研究人员用计算机制作出了世界 上第一部动画片。
计算机图形学
二、传统动画与计算机动画
传统动画片生产过程
1）剧本 不带画面的整个故事的详细叙述，反映动画片大致概 貌与镜头的剧本，如同故事片一样。
2）设计稿 对动画片中出现多种角色选型、动作、色彩、气氛等 设计，实际上完成手稿图工作。 3）声音节拍 动作必须与对话声音相配合、协调一致。
4）关键帧 动画处理中关键帧（也称原画）由经验丰富的动画设 计者完成，通常由一个设计者完成某个角色。
计算机图形学
传统动画采用手工方法制作，精度差且效率低； 计算机动画的实现，省去了繁杂的手工工序，使动画 片的生产效率提高了许多倍。 计算机动画立体感强，可以改变视角、视距、视野及 景深，具有明暗光线变化和阴影，使物体产生不同灰度和
颜色渐变以及逼真的光照，可以产生纹理质感，这些特点
与效果是传统手工动画难以实现或不可能实现的。
8.3计算机动画的关键技术
8.3.1旋转的四元数表示 8.3.2碰撞检测技术 8.3.3运动捕捉技术
计算机图形学
8.1
计算机动画概述
动画的定义： 就是一组连续的图像序列。当按一定的速率显示 的时候，能传递一种运动的感觉。 动画的技术要求： 每一幅图像或者每一动画帧，都必须有机地、无 缝地和其他的图像融合在一起，这样才能随着时 间的变化，产生平滑的、连续的运动。
计算机图形学
5）中间画 中间画是那些位于两个关键帧之间的画面，中间画 一般由辅助动画设计者及其助手完成。 6）测试
7）描线上墨
计算机图形学
8）上色 给多幅画面在透明片上涂上颜料
9）检查 动画设计者在拍摄之前再次检查各镜头动作质量
10）拍摄 这一工序在动画摄制机上完成。动画摄影师把动画系 统通过拍摄依次记录在胶片上 11）后期制作 编辑、剪接、对白、配音、剪带等后期制作工序是必 不可少的
计算机图形学
二、计算机动画原理 1、关键帧动画 通过一组关键帧或关键参数值而得到中间动画帧序列： （1）形状插值：从关键帧本身而得到中间动画帧； （2）关键参数插值：通过插值物体模型关键参数数值来 获得中间动画。
计算机图形学
2、算法动画
算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。 1）运动学算法：由运动学方程确定物体运动轨迹和速率。 2）动力学算法：由力学方程确定物体运动形式。
计算机图形学
三、计算机动画研究内容
1、关键帧动画 2、基于机械学的动画和工业过程动画仿真 3、运动和路径的控制 4、动画语言与语义 5、基于智能的动画，机械人与动画 6、动画系统用户界面 7、科学可视化计算机动画表现 8、特技效果，合成演员
9、语言、音响合成，录制技术
计算机图形学
四、计算机动画应用 1、电影电视动画片制作
随着PC 图形加速卡的性价比迅速提高，使得在基 于PC的微机工作站上制作动画也能与在SGI工作站上一 样得心应手。 当前，商业动画软件的功能越来越强，已经能够 轻松制作出许多足以以假乱真的影视动画特技，这在 《侏罗纪公园》、《终结者》等电影中都得到了淋漓 尽致的展现，观众已很难区分哪些是计算机生成的动 画，哪些是模型制作的效果。
的自动生成。
计算机图形学
一、计算机动画分类 2、三维动画 如果说二维动画对应于传统卡通动画，那么三维动画 画则对应于木偶动画。 木偶动画首先制作木偶、道具和场景，三维动画首先
建立角色、实物和场景三维数据。
三维动画具有很强的真实感和立体感。
计算机图形学
一、计算机动画分类
按照动画物体自身物理属性不同，三维动画也可分为： 1、刚体动画 2、软体动画 3、关节动画 4、粒子动画
（5）80年代，研究动画生成的关键参数插值法、运动学算 法和动力学算法等。
（6）80年代末进入90年代后，多种不同动画软件出现，如 3DS，Animator等。
计算机图形学
目前，随着计算机硬件性能价格比的快速提高和 OpenGL、DirectX等图形标准的广泛应用，商用动画软 件公司纷纷推出了动画软件的微机版本。如原来运行 于工作站上价格昂贵的动画软件Alias|Wavefront、 maya和softimage现在都已有了PC版本。