计算机动画技术.

计算机动画技术

摘要：本文首先简要介绍了计算机动画的发展过程、分类和应用领域，随后具体介绍了计算机动画的主要技术，最后对论文作了总结。

关键词：计算机动画；计算机动画技术

Abstract: This paper firstly introduces the development ,the classification and the applications in computer animation. Laterly the paper introduces the main technology in computer animation., at the end the paper makes a summarization.

Key words: computer animation; computer animation technology

1、引言

1946年，第一台计算机诞生，虽然当时它主要应用于军事计算，但是短短数十年间，计算机却改变了世界的一切。数字技术的引入为动画制作者提供了更大的创意空间，也为公众带来了更多、更精彩的影像。

计算机动画是一门应用计算机技术制作动画的艺术，是计算机图形学和动画的子领域。计算机动画是指采用图形与图像的处理技术，借助于编程或动画制作软件生成一系列的景物画面，其中当前帧是前一帧的部分修改。计算机动画采用连续播放静止图像的方法产生物体运动的效果。为了制造运动的影像，画面显示在计算机屏幕上，然后很快被一幅和前面的画面相似但移动了一些的新画面所代替。

20世纪60年代，二维计算机辅助动画系统占主导地位，在计算机动画制作方面发挥了重要作用。70年代，随着三维图形与动画的基本技术的开发,批引领三维图像与动画的公司发展了起来，一些三维可明暗着色的系统也被广泛地应用了起来。到了80年代，图形图像技术进入普及阶段，此时的微型机已经能够担当起图形图像处理的任务，诞生了包含反混淆技术、光模型功能的3D主图动画制作系统BBOP。90年代是图形图像技术的实用化时期。处理信息量巨大，处理速度高，实时生产高质量的图形图像是整个90年代追求的目标。

2、计算机动画的分类

按照计算机动画的制作原理，可以将计算机动画分为二维动画和三维动画两类。这也是常用的分类方法。

按照运动的控制方式，计算机动画可以分为关键帧动画和算法动画两大类。其中，关键帧动画是通过一组关键帧或关键参数值得到中间动画帧序列的动画制作过程，适用于二维动画。算法动画又叫模型动画或过程动画，是采用算法实现对物体的运动控制或模拟摄像机的运动控制，适用于三维动画。

按照计算机软件在动画制作中的作用分类，计算机动画有电脑辅助动画和造型动画两种。计算机辅助动画属于二维动画，其主要用途是辅助动画师制作传统动画，而造型动画则属于三维动画。

按照动画的系统功能，可以将计算机动画分为5个等级：

(1) 第一级不考虑时间因素，计算机动画技术相当于一个图像编辑器。

(2) 第二级可以实现中间帧的计算，代替人工制作中间帧的工作。其中二维动画属于这个等级。

(3) 第三级可以给动画制作者提供一些形体的操作。

(4) 第四级提供了定义角色的方法。其中三维动画包括了第三和第四等级的功能。

(5) 第五级是一种具有智能的动画系统，有自学能力。

3、计算机动画的应用领域

近年来，随着计算机动画技术的迅速发展，它的应用领域日益扩大，带来的社会效益和经济效益也不断的增长。

计算机动画现阶段主要应用于以下几个领域：广告、电影特技、工程建筑、教学演示、产品模拟试验、电子游戏以及虚拟现实和3D Web。

在广告、电影特技方面，计算机动画技术给广大广告和电影制作人员提供了充分发挥其想象力的机会，他们可以利用该技术生成平常难以尝试的创意。利用数码合成及摄象机定位

技术，可以实现虚拟景物与实拍画面的无缝合成使观众难以区分画面中景物的真假。

在工程建筑方面，建筑师可以利用三维计算机动画技术，不仅可以观察建筑物的内、外部结构，而且可以实现对虚拟建筑场景的漫游。

在教学演示方面，由于计算机动画的形象性，它已被用来解释复杂的自然现象：小到简单的牛顿定律，大到复杂的狭义相对论等等。

在产品模拟试验方面，利用动画技术，设计者能够使虚拟模型运动起来，由此来检查只有制造过程结束后才能验证的一些模型特征，如运动的协调性、稳定性等，以便设计者及早发现设计上的缺陷。

计算机动画技术在飞行模拟器的设计中起着非常重要的作用。该技术主要用来实时生成具有真实感的周围环境图象，如机场、山脉和云彩等。此时，飞行员驾驶舱的舷舱成为计算机屏幕，飞行员的飞行控制信息转化为数字信号直接输出到电脑程序，进而模拟飞机的各种飞行特征。飞行员可以模拟驾驶飞机进行起飞、着落、转身等操作。

虚拟现实是利用计算机动画技术模拟产生的一个三维空间的虚拟环境系统。借系统提供的视觉、听觉甚至触觉的设备，“身临其境”地置身于这个虚拟环境中随心所欲地活动，就像在真实世界中一样。

4、计算机动画的主要技术

简单地讲，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。计算机动画所生成的是一个虚拟的世界，虽然画面中的物体并不需要像真实世界中那样真正去建造，但要满足动画师随心所欲地创造虚幻世界的需求，计算机动画主要有关键帧、变形与形变、过程动画、人体动画和基于物理模型的动画等技术。

4.1关键帧

关键帧动画通过一组关键帧或关键参数值而得到中间的动画帧序列，可以是插值关键图

像帧本身而获得中间动画帧，或是插值物体模型的关键参数值来获得中间动画帧，分别称之为形状插值和关键位插值。

早期制作动画采用二维插值的关键帧方法。当两幅形状变化很大的二维关键帧时不宜采用参数插值法，解决的办法是对两幅拓扑结构相差很大的画面进行预处理，将它们变换为相同的拓扑结构再进行插值。对于线图形即是变换成相同数目的手段，每段具有相同的变换点，再对这些点进行线性插值或移动点控制插值。关键参数值插值常采用样条曲线进行拟合，分别实现运动位置和运动速率的样条控制。对运动位置的控制常采用三次样条计算，用累积弦长作为逼近控制点参数，求得中间帧位置，也可以采用Bezier样条等其它B样条方法。对运动速度控制常采用速率—时间曲线函数，两条曲线的有机结合用来控制物体的动画运动。

关键帧动画是计算机动画中最基本也是应用最为广泛的应用之一，大部分的动画软件都提供设计关键帧动画的功能。

4.2变形与形变

计算机动画通常首先通过赋予角色以个性，然后设置物体变化过程中的几个关键帧，使物体沿着给出的轨迹线性或非线性变化。计算机动画变形技术分为两大类：变形(Deformation)动画和形变(Morphing)动画。

变形动画是指将单个几何对象的形状做某种平移、缩放、旋转、扭曲，使它变换为动画师所要求的形状。在这种变化过程中，几何对象的拓扑关系保持不变，即特征点变换到特征点，特征曲线变换到特征曲线，连续的区域经过变换后还是连续的，并且不会发生交叠。为了保持变换图形图像的拓扑结构，所使用的空间坐标变换必须是连续的，能够保持全局一一对应，使得图形图像内的连通结构经过变换后仍然保持连通性；另外，图形图像中其它单一结构经过变换以后，仍然是单一结构，不会破损变成多个结构。例如印有图案的橡胶玩几。只要对其扭曲、挤压、拉伸等等都可以使图案变形。

形变动画是指将一给定的源数字图像或几何对象S平滑地变换到目标数字图像或几何对象T。在这种平滑变换过程中，中间帧既具有S的特征、又具有T的特征，S和T的拓扑既可以相同也可以不同。形变动画技术分为二维图像形变和三维物体形变。

对于二维图像的变形最常采用交融技术，或称淡入淡出技术，即在一幅图像淡出的同时，