计算机图形学第十二章计算机动画技术正规版资料

计算机图形学第十二章计算机动画技术(jìshù)第一页，共23页。1计算机动画技术概述二、计算机动画发展(fāzhǎn)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(yǒuzhe)密切关系。（1）1963年，Bell实验室，用计算机制作世界上第一部动画片。第二页，共23页。2（2）60年代期间，一些公司、研究机构(jīgòu)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）和自动着色。（3）在70年代初期，开始研制三维辅助动画系统，如Ohio州立大学的等人完成可明暗着色的系统。（4）70年代期间至80年代初，随着计算机图形学理论发展，尤其三维物体造型发展，人们研究计算机三维造型动画系统。（5）80年代，研究动画生成一些三维系统，如关键参数(cānshù)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。第三页，共23页。3三、传统动画与计算机动画1、传统动画生成过程（1）动画定义动画意义是“animator”世界著名(zhùmíng)动画艺术家，人约翰.哈斯指出，“运动是动画本质”，也有人说“动画是运动艺术”，总之,动画与运动是分不开的。（2）动画原理(yuánlǐ)例如在电影院看电影或在家里看电视时，画面上人物动作是流畅、自然和连续的，但是仔细看一段电影胶片时，观察每一画面并不连续。只有以一定速率投影在银幕上才会有运动视觉效果。这种观察可由视觉残留（persistentofvision）原理(yuánlǐ)来理解。第四页，共23页。4（3）传统(chuántǒng)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）声音节拍传动作必须(bìxū)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，通常时一个设计者完成某个角色第五页，共23页。5（3）传统动画片生产(shēngchǎn)过程5）中间画中间画时那些位于两个关键帧之间的画面，中间画也叫做动画。中间画由辅助动画设计者及其助手完成。6）测试原动画初稿通常是铅笔稿图，当初步测定造型(zàoxíng)和动作。可将这些图输入动画测试器进行测试，这一过程称铅笔稿测试7）描线上墨将铅笔稿图手描在透明片上，或用照相机制板方法印在透明片上，然后描线上墨第六页，共23页。61）可自动在两张画（关键帧）画出中间(zhōngjiān)画，只要输入两副原始和终止关键帧，可自动生成中间(zhōngjiān)画先画某一瞬间的图形－>擦去该图形－>再画下一个瞬间图形－>再擦去－>…四、多页面切换动画方法应用(yìngyòng)前景：另一页：是工作页，准备显示图形对于(duìyú)某些显示方法，其显示模式允许1个以上显示页面维动画系统，用计算机实现中间画面制作（关键帧）和自动6、动画系统(xìtǒng)用户界面先画某一瞬间的图形－>擦去该图形－>再画下一个瞬间图形－>再擦去－>…中间画时那些位于两个关键帧之间的画面，中间画也叫做动画。各个方向，绕多种旋转轴旋转变化加上球体色彩、条纹、目前针对刚体和链接物已开发了不少较成熟算法，对软组织和群体运动控制方面也做了不少工作。只改变屏幕中前景(qiánjǐng)运动物体在画面中位置，而其背景及动画物体形状不变体逐渐拉开(lākāi)并压制成一个三棱锥的动画过程。只有以一定速率投影在银幕上才会有运动视觉效果。1）可自动在两张画（关键帧）画出中间(zhōngjiān)画，只要输入两副原始和终止关键帧，可自动生成中间(zhōngjiān)画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由上述可见传统动画周期长、费时费力，一部10分钟的美术片，大约要4个月左右时间，若是精品(jīnɡpǐn)要一年时间才可完成。若用计算机制作动画可省略许多环节。（3）传统(chuántǒng)动画片生产过程第七页，共23页。7（4）计算机动画技术特点1）可自动在两张画（关键帧）画出中间(zhōngjiān)画，只要输入两副原始和终止关键帧，可自动生成中间(zhōngjiān)画2）对每副画可以按照需要进行补充和修改，使动作流畅、造型统一3）可自动描线上色4）可直接输出到录像机5）真实感强第八页，共23页。8四、计算机动画应用1、电影电视动画片制作2、商品电视广告3、计算机辅助教学演示4、飞行员模拟(mónǐ)训练5、指挥调度演习6、工业过程实时监测仿真7、模拟(mónǐ)产品检验或实验8、医疗诊断9、游戏软件第九页，共23页。9五、计算机动画研究内容和应用前景研究内容：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(xìtǒng)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，录制技术第十页，共23页。10应用(yìngyòng)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第十一页，共23页。11计算机动画分类和原理一、计算机动画分类1、计算机辅助动画（二维动画）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。计算机二维动画是用计算机生成中间一系列画。二维动画还有缺点，计算机不可能根据剧本(jùběn)自动生成关键帧。第十二页，共23页。12优点：实现(shíxiàn)简单3、计算机动画与人工生命（3）反向运动学算法：已知链接物末端(mòduān)位置和状态，反求运动方程以确定运动形式。四、多页面切换动画方法（3）在70年代初期，开始研制三维辅助动画系统，如第一次工作页变显示页，显示图，另一显示页又变工作页，放另一图形。这样，画－擦－画使得图形动起来（1）1963年，Bell实验室，用计算机制作世界上利用图形变换功能，例：二维变三维，三维立方体变计算机动画最初产生和发展与传统动画制作有着(yǒuzhe)密切关系。（1）运动学算法：由运动学方程确定物体的运动轨迹和速率。先画某一瞬间的图形－>擦去该图形－>再画下一个瞬间图形－>再擦去－>…二维动画还有缺点，计算机不可能根据剧本(jùběn)自动生成关键（3）反向运动学算法：已知链接物末端(mòduān)位置和状态，反求运动方程以确定运动形式。阴暗等，也就可以形成简单的函数动画。五、图形(túxíng)变换动画法计算机动画分类和原理一、计算机动画分类2、计算机生成动画（三维动画）如果说二维动画对应于传统卡通动画，那么三维动画对应于木偶动画。木偶动画首先(shǒuxiān)制作木偶、道具和景物，三维动画首先(shǒuxiān)建立角色、实物和景物三维数据。这里说的三维物体画面也是由二维象素点阵组成，只不过看起来象三维，但三维更具有真实性、真实感和立体性。第十三页，共23页。13二、计算机动画原理1、关键帧动画是通过一组关键帧或关键参数值而得到中间(zhōngjiān)动画帧序列（1）形状插值：从关键帧本身而得到中间(zhōngjiān)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(zhōngjiān)动画。2、算法动画算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。第十四页，共23页。14（1）运动学算法：由运动学方程确定物体的运动轨迹和速率。（2）动力学算法：由力学方程确定物体运动形式（3）反向运动学算法：已知链接物末端(mòduān)位置和状态，反求运动方程以确定运动形式。（4）反向动力学算法：已知链接物末端(mòduān)位置和状态，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。2、算法动画算法动画由算法实现，一般(yībān)适用于三维情形。第十五页，共23页。15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(fēnzǐ)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。用算法控制运动的过程包括：给定环境描述、环境中的物体造型、运动规律、计算机通过算法生成动画帧。目前针对刚体和链接物已开发了不少较成熟算法，对软组织和群体运动控制方面也做了不少工作。2、算法动画算法动画由算法实现(shíxiàn)，一般适用于三维情形。第十六页，共23页。16一、画－擦－画方法二、异或运算法三、块动画法四、多页面切换动画方法五、图形(túxíng)变换动画法六、逐帧动画法七、函数式动画技术计算机动画生成方法动画片中每一序列实际上是一幅幅完全静止的画面在快速展示时，使人产生不断运动的感觉。这些(zhèxiē)一幅幅画面或由艺术家人工画好，通过图形输入设备输入计算机，或者结合生成。第十七页，共23页。17一、画－擦－画方法原理(yuánlǐ)：先画某一瞬间的图形－>擦去该图形－>再画下一个瞬间图形－>再擦去－>…这样，画－擦－画使得图形动起来优点：实现(shíxiàn)简单缺点：1、复杂图形画－擦－画时间长，效果差 2、在擦除前一幅图上运动部分图形时，往往会蒋重叠(chóngdié)在其上的不动的那一部分图形也擦去，影响动画效果第十八页，共23页。18二、异或运算法（也称XOR动画法）XOR运算的一个重要特性就是它的“还原”作用。对屏幕进行第一次XOR操作可以使像素值发生改变，显示一幅图像；再一次XOR操作可以清除前一幅图像，把像素值还原回来。利用XOR运算的“还原”特性可以在屏幕上对一个运动物体连续作XOR运算，而不必担心背景图形的储存与还原问题。如果将此特性运用到动画技术上，即在动态物体的同一(tóngyī)显示位置上连续进行两次XOR运算，然后在下一显示位置作同样操作，如此反复进行，就使前景运动图形产生了动画效果。优点是前景动画图形(túxíng)的涂抹不影响背景图形(túxíng)。第十九页，共23页。19三、块动画法只改变屏幕中前景(qiánjǐng)运动物体在画面中位置，而其背景及动画物体形状不变如：人造卫星绕地球运动四、多页面切换动画方法对于(duìyú)某些显示方法，其显示模式允许1个以上显示页面 一页：是主显示页，显示图形 另一页：是工作页，准备显示图形工作原理： 开始一幅图先显示，多幅图在工作页上。第一次工作页变显示页，显示图，另一显示页又变工作页，放另一图形。这样来回地擦，可以显示动画图形。第二十页，共23页。20五、图形变换动画法利用图形变换功能，例：二维变三维，三维立方体变三维棱锥体，通过变换过程显示动画功能，如将一个立方体逐渐拉开(lākāi)并压制成一个三棱锥的动画过程。如果计算机计算速度块，构成动画效果较好六、逐帧动画法逐帧动画基本原理类似于幻灯片制作与播放过程将屏幕上显示一幅幅图象(túxiànɡ)存放在一个文件中，然后按顺序不断读取和播放这些画面，产生动画效果。第二十一页，共23页。21七、函数式动画技术利用数学函数和数学方程式，根据(gēnjù)自变量和因变量关系，让自变量逐渐增加或减少，进行连续变化，从而获得图形连续变化。例如：利用圆绘制方程可以得到(dédào)以下几种不同动画效果1、水波和电波发射固定圆心让半径以一定特定步长增值。2、旋转球体利用图形旋转变换，可以让圆型图形在三维空间中沿各个方向，绕多种旋转轴旋转变化加上球体色彩、条纹、阴暗等，也就可以形成简单的函数动画。第二十二页，共