计算机三维动画技术概述

计算机三维动画技术概述
陈　颖　吴士达　张瑞桃
(成都气象学院研究所)
【摘　要】
计算机三维动画涉及到计算机图形学、图像处理领域中的多种技术。

本文就
目前计算机三维动画中采用的技术作一综合概述。

关键词:　图形;图像;三维动画.
中图法分类:　T P 391.41
A SU RV EY O F T ECHN IQ U ES FO R COM PU T ER
T HREE DIM EN SION A L A NIM A T ION
Chen Ying W u Shida Zhang Ruitao
(Co mputer Graphic Lab of CIM )
ABSTRACT
Computer 3D anim ation invo lves many techniques in co mputer g raphics and im ag e pro-cessing .These techniques are surv cycd in this paper .
Key Words :　Grap hic ;I mage ;Three dimensional anim ation .
1　前言
随着计算机软硬件技术的不断发展,计算机图形学、图像处理也取得了突飞猛进的发展,在社会各领域中发挥了重要的作用。

尤其是近些年来,计算机3维动画在影视领域中取得了非凡的成就,国内外许多影视、广告都运用计算机3维动画技术制作出惊人的效果。

计算机3维动画是借助计算机生成一系列静态图像(又称画面),再将这些静态图像高速播放(PAL 制为25幅/秒),从而对人眼来说产生动态效果。

它的制作主要包括4个步骤: 几何建模, 材质调整, 运动轨迹设定,!着色输出。

配合这4个步骤,有另外两个过程: 平面绘图, 编辑合成及特殊效果处理。

本文就其中广泛采用的各种技术作一介绍。

初稿1995年12月29日收到,修改稿1996年4月5日收到.
S UM No.38
No.31996成　都　气　象　学　院　学　报JOURNAL OF CHENGDU INS TIT UT E OF M ET EOROLOGY Vol.11No.3Sep.1996
∀
2　几何建模
计算机3维动画首要的步骤就是对客观物体进行计算机3维模型重建,而客观物体形态万千,因此利用计算机进行几何建模的方法也各不相同。

目前广泛采用的几何建模包括以下5种。

利用基本元素(如平面多边形、正方形、圆柱形、圆锥体、球体、曲面片)进行拼接组合来制作几何模型。

通过两个造型之间进行布尔运算(交、并、差等)来产生新的几何模型。

通过Sw eep 造型工具来制作客观物体模型。

这种方法是目前应用最广泛的造型方法之
一。

它首先通过数字化仪或鼠标在2维平面上描绘出客观物体的各种特征曲线(一般又为轮廓线或横断面截线),后通过Sw eep 方法将这些曲线转变成3维模型。

简单的Sw eep 法包括平移扫描及旋转扫描法。

平移扫描是将-2D 曲线沿一路径平移后,再与原曲线连接而成3维模型,较好的平移扫描还包括bevel(斜角)处理。

产生棱角效果。

图1为一多边形延负z 轴方向平移扫描而得到的3维模型。

旋转扫描是将-2D 曲线沿指定轴旋转而产生三维模型,图2为一曲线绕y 轴旋转扫描而得到的三维模型。

复杂的Sw eep 法可根据需要改变特征曲线的大小、方向及形状,使之在空间形成多个相似的特征面,连接这些特征面形成3维模型。

如图3
所示。

图1　延负z 轴方向拉伸建立3维立体模型 图2　绕y 轴旋转建立3
维立体模型
图3　复杂的S w eep 建模 !利用3维变换产生新的造型。

将3维模型进行
线性或非线性变换,从而产生新的造型。

常用的变换
包括旋转(rotate)、缩放(scale)、弯曲(bend)、扭曲
(tw ist )、倾斜(skew )、锥形变型(taper )等。

#利用粒子模拟几何造型。

通过一系列的粒子
(particle)来定义物体,每个粒子都有出生,生命期,死
亡过程。

在粒子的生命期,粒子属性如色彩、透明度、
大小、运动速度、加速度、运动方向等可随时间变化,从而产生某些自然现象如云、雾、雪、雨、火、瀑布等物体模型。

除上述介绍的5种方法外,为满足不同的造型需要,还有很多其它的造型方法。

如为生成树及植物的模型,可用合适的文法规则定义;为产生山及地层表面,可用fractal 法;为产生海水波浪,可用基于付里叶变换的频域函数。

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3　材料
在计算机中,为模拟自然界中各种物体表现出来的千差万别的材料质感,主要从3个方面定义模型的色彩特征,即色彩、纹理模型及属性。

除定义几何物体的色彩外,还需定义光的色彩及类型。

3.1　色彩
在真实自然界环境中,物体与光线之间的作用是相当复杂的。

在计算机图形学中从3个方面考虑物体所受的光线: 环境光引起的漫反射; 入射光引起的漫反射; 入射光引起的镜面反射。

因此在计算机3维动画中对物体的色彩定义包括ambient co lor,diffuse colo r 及spec-ular co lor3个部分。

其中ambient color 为环境光引起的漫反射分量,主要控制物体阴暗部分的颜色。

diffuse color 为入射光引起的漫反射分量,用于控制物体较亮部分颜色。

Specular col-or 为入射光引起的镜面反射分量,用于控制物体高亮部分颜色。

3.2　纹理贴图
除色彩设定外,计算机3维动画还须通过各种纹理贴图来表现出实际物体表面的各种纹理贴图,而且正是由于纹理贴图技术,才使得计算机能逼真的模拟出客观世界。

Tex ture 贴图
将一幅预先准备好的纹理图像按一定的映射方式(如平面、圆柱、球形映射)映射在几何模型表面上。

例如:为制作出室内瓷砖地板效果,将一瓷砖地板纹理图像贴在一个2维平面上即可。

Opacity 贴图
在这种贴图方式中,纹理图像中全黑部分为全透明,全白部分为不透明,灰色部分为半透明,这种贴图可以更好的表现出物体的透明特征。

Reflectio n 贴图
这种贴图方式将纹理图像反射到物体表面上,以便达到更真实的效果。

它用纹理映射的方式来达到反射的效果,从而避免了复杂的几何造型设计及光照模型的运算复杂度。

如室内瓷砖地板需要反射屋顶及四周,如果不采用r eflection 贴图,则必需造出屋顶及四周的几何模型,并通过复杂的光线跟踪才能真实的表现出地板的反射特性。

而采用反射贴图,则仅仅需要一张真实的室内环境照片即可。

!Decal 贴图
这种贴图类似于将标签贴在某物体上,实现印花的效果。

#Bump 贴图
Bump 贴图通过纹理图像的象素值改变物体的表面法线,产生隆起或表面粗糙的效果。

这种纹理适合于制作沙漠、地表等物体。

∃Pro cedural 贴图
这种贴图又称3维贴图,它不需要预先准备纹理图象,而是在着色计算时通过程序来产生3维花纹。

目前主要的3维纹理有:大理石花纹、木材花纹及噪声等。

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3.3　物体属性 为表现物体的各种质感,还为物体设定了各种属性。

主要包括以下4种: 透明性, 反射性, 折射特性,!自发光特性。

在着色运算时,通常根据设定的物体属性来选择适当的光照模型进行着色处理。

3.4　光源
光源的设定主要从3个方面考虑: 光的模式, 光的位置, 光的颜色。

光的模式包括点光源,平行光源,聚光灯等3种。

4　运动轨迹设定
运动轨迹是指对物体属性(包括位置、大小、形状、色彩等),随时间变化的规范描述。

在计算机3维动画中对客观物体本身、光源及虚拟的摄像机均可设置运动轨迹。

目前,设计运动轨迹的方法有以下四种。

4.1　关键帧法
在某些帧(称为关键帧)预先设定好物体的位置及属性,后在这些关键帧之间进行样条或线性插值来完成运动轨迹的设定。

如图4所示,在关键帧1,15,30设定好物体位置,并将运动路径设为样条曲线,
则物体按所归定的曲线运动。

图4　关键帧运动过程设定示意图
4.2　关节运动法
对一物体设定各种关节点,通过这些关节点之间的相互影响来控制物体的运动。

这类方法特别适合于一些具有关节的物体(如人、动物、机器等)的运动设计。

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成　都　气　象　学　院　学　报 第11卷
4.3　变形运动法 利用物体与物体之间的关系,进行样条或线性插值,并加入时间因素来实现物体的变形运动过程。

4.4　物理量模拟
不人为地指定运动过程,而是基于物理性质,按物理规律指出物体的运动和变化过程。

目前考虑的物理过程主要包括重力场、磁力场、万有引力规律、碰撞、弹跳、旋涡等。

这种方式主要是基于粒子系统,用于制作云、火、雪、瀑布等自然景物。

5　着色计算
着色计算是指根据指定的几何模型,物体材料,运动轨迹,选择适当光照模型公式来计算生成一连串的静态图像。

当这些静态图像高速播放即产生动画效果。

光照模型公式是根据物体的材料属性来进行选择的。

通常物体材料属性越复杂,则光照模型公式越复杂,计算越费时,物体质感越好,画面质量也就越高。

如为表现出水的折射特性,则必需通过深度在3次以上的光线跟踪来计算完成。

6　平面绘图
平面绘图在计算机3维动画的前期准备及后期制作中有着重要的作用。

在制作前期,可通过它绘制出各种纹理图像,在制作后期,可用它对运算后的图像进行加工,如画闪光效果。

平面绘图包括两大部分:绘画及图像处理。

绘画部分提供各种绘画工具,如调色板、线型、线宽、画笔等进行平面绘图。

图像处理部分提供各种图像处理技术修改原图,产生新的图像,从而提高图像质量。

主要采用的图像处理技术包括亮度增强、对比度调态、图像柔化、锐化、边缘模糊、图像剪裁等。

目前,具有平面绘图功能的软件较多,如WaveFr ont 公司的Perso nalPainl,Advanced Painl 、Ado be 公司的PhotoShop 、Aldus 公司的PhotoStyle 。

7　合成与编辑与特殊效果处理
合成编辑指在计算机中完成对图像进行后期编辑合成,它可将多个图像及声音序列按时间顺序进行编辑合成,从而在计算机中产生完整的影视作品而不再需要编辑机进行剪接合成。

合成编辑部分广泛采用的技术包括抓帧处理(将磁记录信如录像带转变成数字图像,以便计算机进行处理),图像输出(将数字图像转变为磁记录信号),无限层次图像序列合成,合成的方式包括o ver 、x or 、add 、differ ence 等,两个图像序列之间进行淡出,淡入等多种剪辑技术。

在合成编辑图像同时,可对图像进行多种动态特殊效果处理。

其最基本的出发点是按照设定的曲线路径动态的添加特殊效果于一个或多个图像序列。

特殊效果包括抠像处理、图像柔化、锐化、亮度调整、Gamma 校正、
色彩调整、图像反转、平移、旋转、扭曲、变形、边缘拾取、马赛173
第3期 陈颖等:计算机三维动画技术概述
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克效果等多种技术。

在这类处理中,较好的软件有WaveFront公司的Com poser、Auto desk公司的3ds中VideoPost、Adobe公司的Prem iere。

8　结语及展望
计算机3维动画涉及到计算机图形学、图像处理领域中的多种处理技术。

本文所涉及仅仅是其中的一部分,它还包括其它众多的技术如增殖造型、智能动画等。

并且随着科技的不断发展,将有越来越多的技术运用于这一领域。

同时,计算机3维动画也将以其独特的魅力广泛的应用于不同的部门,可以想象,在不久的将来,通过计算机3维动画功能,你要买衣服,可将你的身体的立体图形送入计算机,在与服装店的衣服立体数据相结合,即可通过计算机选择到合适的衣服。

你要搬家,可以在计算机中预先设计好新房,看看如何装饰最完美。

在气象方面,可以通过观测到的气象数据模拟出真实的3维云层及其运动过程,给预报人员更形象、更直观的感觉。

参　考　文　献
1　HanWall,MarkWall.Adv anced animalion and Rendering techniques theory and practice.
New York.ACM Pr ess.1992;178～215
2　WaveFront T echnologies Inc.Advanced Visualizer User′s Guide Versio n3.0.U SA Wav e-Front T ex hno logies Inc.1992
3　Eihachino Nakaua and Katsumi T adanur a.Photor ealism in Co puter Graphics-Past and Present.Co mputer&Graphics.1995;19(1):119～130
4　Kar l sim s.Parcticle Animation and Rendering Using Data Parrallcl -puter Gr aphics.1990;24(4):405～413
5　杨四亦.计算机动画运动生成的方法和原理.电子出版.1995(11)。