计算机图形学-计算机动画

编程的方法形成虚拟摄像机模拟摄像机的运动
– 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
– 运动协调性
n 人类对自身的运动非常熟悉
n 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）
n Βιβλιοθήκη Baidu. 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
n 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
n 特别适合于对自然物理现象的模拟
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主要的动画技术（15/21）
n 多边形的变形
n 男人变女人
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主要的动画技术（16/21）
n 自由变形技术（FFD）
– Free Form Deformation – Sederberg和Parry – 1986年提出
n 基本思想
– 不对物体直接进行变形 – 而是对物体所嵌入的空间进行变形 – 引入一种基于三变量B样条体的变形工具
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：助理动画师绘制手主工要绘制的插补帧，
其余由插补员完成
生产过程复
杂
需要大量人
n 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
为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 对于插值帧来说，第j个插值帧的时刻可由下式得到:
tfj = t1 + Δt [ 1 – cos (jπ/(2(n+1))) ] j = 1,2,…,n
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主要的动画技术（6/21）
例三：减速运动的模拟
– 柔性物体（soft object）动画技术
– 许多商用动画软件都提供变形工具
n Softimage、Alias、Maya、3DS MAX
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主要的动画技术（13/21）
n 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。
n 为解决插值的时间控制问题
– Steketee提出用双插值方法
n 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
n 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）
n 3. 变形技术
lattice
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主要的动画技术（17/21）
n 优点：
– 最实用，适用面最广 – 间接的与物体表示无关的变形方法 – 物体的变形是任意的，可由动画师任意控制 – 对变形的可控性更强
n 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）
n 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
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主要的动画技术（1/21）
n 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
n 早期
– 仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状
n 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）
n 可归结为关键参数的插值问题
– 位置、色彩、纹理
n 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
实时动画和逐帧动画
n 逐帧动画：
– 制作一帧需要几分钟甚至更长的时间，这些 帧录制好后，以每秒24帧的速度放映
n 实时动画：
– 动画的生成是直接的，用户可以用交互式的 方式让画面中的形体快速移动
– 用户现场选择的时刻就是实现的时刻，结果 直接反映到计算机屏幕上
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主要的动画技术
n 参数关键帧技术 n 样条驱动技术 n 变形技术 n 过程动画技术 n 关节动画与人体动画技术 n 基于物理模型的动画技术 n 行为动画技术 n 运动捕获技术
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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
7. 绘制（渲染），着色 8. 检查与拍摄 9. 剪辑：胶片的汇总、分类及拼接 10.配音及复制：选择音响效果配合影片中的人物动作，对
声音进行复制，将人物对话、音乐、音响混合在一个声 道内，记录在胶片或录像带上
n 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 n 如水波随风的运动
– 复杂的变形，基于弹性理论、动力学、碰撞检测
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主要的动画技术（19/21）
n 另一类过程动画是粒子系统动画（Particle system）
– Reeve提出，1983年
n 三维森林、草叶随风飘动，闪电，火光、烟雾等特殊光效 n 已成功地应用于著名动画软件Alias|Wavefront、Softimage
– 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）
n 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，
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）
n 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
1/2 (1 – cos θ) 0 < θ < π 得到第j个插值帧的时刻为:
tfj = t1 + Δt {1/2 [1 – cos (jπ/(n+1))]} j = 1, 2,…, n
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主要的动画技术（8/21）
n 关键帧动画存在的主要问题
– 交互响应慢
n 轻微地修改动画剧本，都需要将整幅动画重新制作
内容提要
n 动画技术的起源、发展与应用 n 传统动画 n 计算机动画 n 计算机动画中常用技术简介 n 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？
n 世界著名的动画大师John Halas曾经说过：“动画 的本质在于运动”
n 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。
– 也称运动轨迹法
n 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）
n 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
n 匀速运动时，需要对样条进行弧长参数化
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主要的动画技术（11/21）
为了求得某一时刻物体在空间 轨迹曲线上的位置
n 三维动画：
– 三维动画模拟一个真实的摄影舞台 – 这个舞台上既包括拍摄的主体对象 – 还包括灯光、背景、摄像机等
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计算机辅助三维动画（2/2）
1. 进行创意，形成动画制作的脚本 2. 建立画面中各种物体的三维线框模型 3. 确定并调整物体的颜色、材质、纹理等属
性 4. 调整灯光，确定背景、环境 5. 模拟虚拟摄像机的运动，让目标运动起来 6. 对动画进行预演 7. 加工处理 8. 将存储在计算机中的图像序列录制到录像 16
n 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
n 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
n 不全面，局限 n 动画不只是产生运动的效果 n 还包括变形、变色、变光等
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制作动画的传统方法
n 传统动画主要是生产二维卡通动画片
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主要的动画技术（3/21）
n 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
n 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）
– 物体运动的物理正确性和自然真实性难以保证
n 关键帧插值不考虑物体的物理属性和力学特性 n 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）
n 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
n 通常用三次参数样条表示
– 指定物体沿该轨迹运动
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电影拍摄与电视拍摄
n 基本原理相同，不同之处主要表现在：
– 存储介质不同 – 播放速度不同
n 电影
– 每秒24帧
n 电视：
– PAL制：每秒25帧 – NTSC制：每秒30帧
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特殊效果（1/2）
n 慢动作
– 高速拍摄、正常播放
n 快动作
– 低速拍摄、正常播放
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特殊效果（2/2）
运动序列中画面的切换
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计算机辅助二维动画
n 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
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）
n 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
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:
– 直接切换
– 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
n 基于物体表示的变形技术
n 适用于物体拓扑结构不发生变化的变形 操作
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主要的动画技术（14/21）
n 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
n 如两个物体或两幅画面之间 n 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
中 n 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）
n 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
n 主要难题：
– 肌肉变形
n 人体具有200个以上的自由度 n 人的形状不规则 n 人的肌肉随着人体的运动而变形 n 人的个性、表情等千变万化 n 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
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