计算机动画讲课稿

计算机动画计算机动画第一讲概述本讲内容提要动画的概念及原理传统动画的起源及发展传统动画的制作过程计算机动画的概念、特点及分类计算机动画的发展概况与作品里程碑计算机动画的制作过程常见的计算机动画制作软件计算机动画的研究内容与技术目标计算机动画的主要应用及发展趋势动画的概念动画的本质在于运动动画的原理

视觉暂留现象原始定义:动画是一种通过连续画面(Frame)来显示运动的技术,它通过以一定的速度（一般不低于24帧/秒）连续地投放画面来达到动态的效果。其视觉效果:与播放速率有关。另外，物体的形变、物体的色彩变化、环境光强的变化（没有运动）也可产生动画效果新的定义：动画是一门通过在某种介质上记录一系列单个画面，从而产生运动视觉的技术，这种视觉通过以一定的速率回放所记录的画面的形式而体现出来。

任何随时间发生的视觉变化都可以归属为动画“动作”是被创造出来的幻觉，而不是原本就存在的

1.1动画的概念及原理1.2动画的起源与发展1824年，PeterRoget发表论文《对于移动物体的视觉暂留现象》1831年，法国人JosephAntoinePlateau把画好的图片按照顺序放在一部机器的圆盘上，圆盘可以在机器的带动下转动。圆盘上的图片也随着圆盘旋转。从观察窗看过去，图片似乎动了起来，形成动的画面，这就是原始动画的雏形。可视为电影机的萌芽●

视觉效果1.2动画的起源与发展1895年，卢米埃尔兄弟因发明电影放映机而获专利，第一个电影放映厅在纽约开始营业1906年，美国人JSteward制作出一部接近现代动画概念的影片，片名叫“滑稽面孔的幽默形象”。1908年法国人EmileCohl首创用负片制作动画影片，采用负片制作动画，从概念上解决了影片载体的问题，为今后动画片的发展奠定了基础。1909年，美国人WinsorMccay用一万张图片表现一段动画故事，这是迄今为止世界上公认的第一部象样的动画短片。1915年，美国人EerlHurd发明了CEL动画(即卡通动画)创造了新的动画制作工艺，他先在塑料胶片上画动画片，然后再把画在塑料胶片上的一幅幅图片拍摄成动画电影。多少年来，这种动画制作工艺一直被沿用着。1923年，WaltDisney公司在电影《绿野仙踪》中使用卡通形象1928年，WaltDisney出品了第一部世人皆知同步配音卡通片《米老鼠》，从此逐渐把动画影片推向了颠峰。他在完善了动画体系和制作工艺的同时，把动画片的制作与商业价值联系了起来，被人们誉为商业动画之父。1.3传统动画的制作过程总体设计阶段设计制作阶段具体创作阶段拍摄制作阶段是一项集体项目1.3传统动画的制作过程总体设计阶段

1）剧本。而在动画影片中则应尽可能避免复杂的对话。在这里最重的是用画面表现视觉动作，最好的动画是通过滑稽的动作取得的，由视觉创作激发人们的想象。2）故事板。根据剧本，导演要绘制出类似连环画的故事草图（分镜头绘图剧本），将剧本描述的动作表现出来。故事板有若干片段组成，每一片段由系列场景组成，而场景又可以分为一系列被视为图片单位的镜头。故事板在绘制各个分镜头的同时，作为其内容的动作、道白的时间、摄影指示、画面连接等都要有相应的说明。一般30分钟的动画剧本，若设置400个左右的分镜头，将要绘制约800幅图画剧本--故事板。3）摄制表。摄制表是导演编制的整个影片制作的进度规划表，以指导动画创作集体各方人员统一协调地工作。1.3传统动画的制作过程设计制作阶段1）设计。设计工作是在故事板的基础上，确定背景、前景及道具的形式和形状，完成场景环境和背景图的设计、制作。对人物或其他角色进行造型设计，并绘制出每个造型的几个不同角度的标准页，以供其他动画人员参考。2）音响。在动画制作时，因为动作必须与音乐匹配，所以音响录音不得不在动画制作之前进行。录音完成后，编辑人员还要把记录的声音精确地分解到每一幅画面位置上，即第几秒（或第几幅画面）开始说话，说话持续多久等。最后要把全部音响历程（或称音轨）分解到每一幅画面位置与声音对应的条表，供动画人员参考。1.3传统动画的制作过程具体创作阶段

1）原画创作。原画创作是由动画设计师绘制出动画的一些关键画面。通常是一个设计师只负责一个固定的人物或其他角色。2）中间插画制作。中间插画是指两个重要位置或框架图之见的图画，一般就是两张原画之间的一幅画。助理动画师制作一幅中间画，其余美术人员再内插绘制角色动作的连接画。在各原画之间追加的内插的连续动作的画，要符合指定的动作时间，使之能表现得接近自然动作。3)誉清和描线。前几个阶段所完成的动画设计均是铅笔绘制的草图。草图完成后，使用特制的静电复印机将草图誉印到醋酸胶片上。再用手工给誉印在胶片上的画面的线条进行描墨。4）着色。由于动画片通常都是彩色的。这一步是对描线后的胶片进行着色（或称上色）。1.3传统动画的制作过程拍摄制作阶段

1）检查。检查是拍摄阶段的第一步。在每一个镜头的每一幅画面全部着色完成之后，拍摄之前，动画设计师需要对每一场景中的各个动作进行详细的检查。2）拍摄。动画片的拍摄，使用中间有几层玻璃层、顶部有一部摄象机的专用摄制台。拍摄时将背景放在最下一层，中间各层放置不同的角色或前景等。拍摄中可以移动各层产生动画效果，还可以利用摄象机的移动、变焦、旋转等变化和淡入等特技上的功能，生成多种动画特技效果。3）编辑。编辑是后期制作的一部分。编辑过程主要完成动画各片段的连接、排序、剪辑等。4）录音。编辑完成之后，编辑人员和导演开始选择音响效果配合动画的动作。在所有音响效果选定并能很好地与动作同步之后，编辑和导演一起对音乐进行复制。再把声音、对话、音乐、音响都混合到一个声道上，最后记录在胶片或录象带上。

1.3传统动画的制作过程传统动画制作是一项集体项目传统的动画制作，尤其是大型动画片的创作，是一项集体性劳动，创作人员的集体合作是影响动画创作效率的关键因素。一部长篇动画片的生产需要许多人员，有导演、制片、动画设计人员和动画辅助制作人员。动画辅助制作人员是专门进行中间画面添加工作的，即动画设计人员画出一个动作的两个极端画面。动画辅助人员则画出它们中间的画面。画面整理人员把画出的草图进行整理。描线人员负责对整理后画面上的人物进行描线着色人员把描线后的图着色。由于长篇动画制作周期较长，还需专职调色人员调色，以保证动画片中某一角色所着色前后一致。此外还特技人员、编辑人员、摄影人员及生产人员和行政人员。1.4.1计算机动画的概念及特点计算机动画是计算机图形学和艺术相结合的产物，它是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，它综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学和其它相关学科的知识在计算机上生成绚丽多彩的连续的虚拟真实画面。

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。

计算机动画是采用连续播放静止图像的方法产生物体运动的效果。

1.4.2计算机动画的分类按动画功能强弱分类

第一等级：用于交互产生、着色、存储、检索和修改图像，不考虑时间→图像编辑器第二等级：实现中间帧的计算第三等级：形体的操作(平移、旋转)虚拟摄像机的操作(镜头推移)第四等级：定义角色第五等级：智能动画系统(自学习能力)1.4.2计算机动画的分类按动画制作原理分类⑴二维动画(计算机辅助动画)二维动画主要用来实现中间帧生成，即根据两个关键帧生成所需的中间帧(插补技术)。二维动画系统的功能(第二等级)：①画面生成、中间帧生成②图像编辑③着色、预演④后期制作⑵三维动画(计算机生成动画)三维动画是采用计算机技术来模拟真实的三维空间(虚拟真实性)。三维动画系统的功能(第三、四等级)：①输入素材②构造几何造型③调整材质和贴图④设置运动、相机和灯光⑤着色生成图像文件1.4.2计算机动画的分类按动画生成方法分类逐帧动画：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

60年代:二维计算机辅助动画系统美国的Bell实验室和一些研究机构就开始研究用计算机实现动画片中间画面的制作和自动上色也称为二维动画。1963年美国贝尔实验室FORTRAN语言在IBM7094计算机上编写了一个称为BEFLIX的二维动画制作系统，这个软件系统在计算机辅助制作动画的发展历程上具有里程碑的意义。(MSGEN系统(加拿大)，CAAS系统(美国)）70年代:三维图形与动画的基本技术的开发; 一小批领导三维动画与图像的公司的出现; 一些三维可明暗着色的系统的完成;

1.5.1计算机动画的发展概况80年代:优化70年代出现的模型和阴影技术;康奈尔大学（辐射度方法），JPL实验室(运动动态),加利福利亚大学(样条模型),多伦多大学(过程技术),俄亥俄洲立大学(人物分级动画与逆向运动学), 蒙特利尔大学(人物动画与嘴唇同步),东京大学(气泡表面模型技术)广岛大学(辐射度与灯光)AliasAnimator(加拿大),Softimage(美国)Wavefront(美国),Explore/TDImage(法)90年代以后: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)

1.5.1计算机动画的发展概况“Mr.ComputerImageABC”,(计算机产生的人物动画,1962)PeterFoldes以他的计算机动画片《饥饿》1974年，在法国嘎纳电影节上，获得评委会奖“旅行者二号”,(JPL实验室,70年代后期)“TRON”,(Disney公司,1982)“星舰速舰记Ⅱ”,(过程模型的动画,1983-84)“Bio-Sensor”,(大阪大学与ToyoLinks公司,1984)(早期的形体和带细粒状表面模型)“Growth”,（过程技术与水下生物的生成，85-86）“暴风雨数字模型的研究”，（模拟自然现象，1989，美）“Don’tTouch”,(运用运动捕获技术的人物动画,1989,美)“终结者Ⅱ”,(杰出变形效果与逼真自然人运动模拟,1991,美)“蝙蝠侠回归”,(群组动画,1992,美)“侏罗纪公园”,(逆向运动学与计算机图像技术的完美结合。1993年，导演斯皮尔伯格开始制作影片ILM（IndustrialLight&Magic）实验室制作的恐龙片断荣膺该年度的奥斯卡最佳视觉效果奖）”Congo“：（刚果，6000万美元，大猩猩埃美，演员模仿，拍摄后处理，更逼真）”阿甘正传“：（反越战大规模示威，成千上万人与美国总统握手）“狮子王”：（角马奔窜惊逃两分半钟，五人小组两年半时间，角马运动）“玩具总动员”’（1996年，世界上第一部完全用计算机动画制作的电影；3000万美元的投资；获得了破记录的3.5亿美元的票房收入；还获得奥斯卡最佳剧本奖的提名；其意义在于：给电影制作开辟了全新道路；77分钟）1.5.2计算机动画的作品里程碑《侏罗纪公园》《终结者Ⅱ》《魔鬼终结者》《玩具总动员》《第五元素》作品展示

作品展示

《蜘蛛侠》《鲨鱼故事》

《怪物史莱克2》《谁陷害了兔子罗杰？》19881.6计算机动画的制作过程二维动画的制作过程

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设计脚本绘制关键画面加层控制中间画面实时预演着色渲染生成文件进行编辑输出到录像带1.6计算机动画的制作过程三维动画的制作过程进行创意，形成动画制作的脚本建立画面中各种物体的三维线框模型确定并调整物体的颜色、材质、纹理等属性调整灯光，确定背景、环境模拟虚拟摄像机的运动，让目标运动起来对动画进行预演加工处理将存储在计算机中的图像序列录制到录像带1.7常见的计算机动画制作软件AnimatorPro平面动画制作软件。用于制作帧动画，绘制功能强AnimationStudio平面动画处理软件。用于加工帧动画，处理能力强FlashMX网页动画软件。用于绘制帧、矢量动画，可添加声音WinImage:morph变形动画软件。根据首、尾画面自动生成变形动画GIFConstruction网页动画软件。把动画和图片序列转换成网页动画3DStudioMax三维动画制作软件。用于制作三维造型动画Cool3D三维文字动画软件。用于制作帧动画、视频Maya三维动画制作软件。用于制作动画片、广告、电影等Premiere动画视频处理软件。用于处理视频、广告、电影等●

动画文件的种类与格式●FLC格式——AnimatorPro生成的文件格式每帧256色，画面分辨率320×200~1600×1280代码效率高、通用性好，大量用在多媒体产品中●AVI格式——视频文件格式，动态图像和声音同步播放受视频标准制约，画面分辨率不高●GIF格式——用于网页的帧动画文件格式(1)单画面图像，256色，分辨率96dpi(2)多画面图像(动画)，256色，96dpi●SWF格式——Flash制作的动画文件格式主要在网络上演播，特点：数据量小，动画流畅1.7常见的计算机动画制作软件1.8计算机动画的研究内容与技术目标1、研究内容：关键帧插值技术(KeyframeAnimation)1.DorisKoch插值方法;2.双B样条方法(Time-keyframe&Position-keyframe);3.其它样条方法过程控制技术(ProceduralAnimation)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;人物动画技术(CharacterAnimation)1.人体工厂(humanfactory)与角色合成(actorSysthesis)2.面部表情(compression);3.机器人技术(roboticstechniques)动力学仿真技术基于知识库的动画生成技术各种变形技术动画基础理论1.时域走样(temporalaliasing)与时域反走样;2.视觉心理;3.视频技术;通过图像处理技术进行动画制作 比如，运动模糊方法(motionblur)2、技术目标:

1.交互性;2.准确性;3.实时性;4.逼真性;5.自主性1.9.1计算机动画的应用比起传统动画，计算机动画的应用更加广泛，更具有特色电影电视动画片制作。可免去大量模型、布景、道具制作，节省大量的色片和动

画师的手工劳动，提高效率，缩短周期，降低成本，这是技术上的一场革命；商品电视广告片制作。便于产生夸张、嬉戏和各种特技镜头，可取得特殊的宣传

效果和艺术感染力；辅助教学演示。免去制作大量的教学模型、挂图，便于采用交互式启发式教学方

式，教员可根据需要选择和切换画面，使得教学过程更加观直观生动，增加趣味性，提高教学效果；飞行员的模拟训练。可以再现飞行过程中看到的山、水、云、雾等自然景象。飞

行员每个操作杆动作，便显示出相应的情景，并在仪表板上动态显示数字，以便对飞行员进行全面训练，节约大量培训费用；指挥调度演习。根据指挥员调度员的不同判断和决策，显示不同的结果状态图，

可以迅速准确地调整格局，不断吸取经验改进方法，提高指挥调度能力；工业过程的实时监控仿真。在生产过程监控中，模拟各种系统的运动状态，出现

临界或危险苗头随时显示。模拟加工过程中的刀具轨迹，减少试制件。通过状态和数据的实时显示结果，便于及时进行工人或自动反馈控制；模拟产品的检验或实验。可免去实物或模型试验，如汽车的碰撞检验，船舱内货

物的装载试验等，节省产品和模型的研制费用，避免一些危险性的试验；医疗诊断。可配合超声波、X光片检测、CT照像等，显示人体内脏的横切面，模拟各种器官的运动状态和生理过程，建立三维成像结果，为疾病的诊断治疗提供有效的辅助手段；开发游戏机的游戏软件。大量生动有趣的游戏软件，都是采用各种动画技巧开发

1.9.1计算机动画的应用1、动画片制作、电视广播计算机动画在电视业的初期应用主要是被用来制作栏目的片头和卡通影片。传统上，这种动画均采用二维卡通动画技术完成。今天，计算机喷绘系统、数字合成系统和二、三维计算机运动控制技术已成为大家熟悉的工具。典型的有中央台新闻联播的片头动画。特别值得一提的是，近几年引起人们广泛注意的数字化技术已给电视业带来了一场革命性的变革，从而促进了计算机动画技术在该领域的深层次应用。电视虚拟演播人的出现就是计算机动画技术的成果体现。片头、卡通影片和电视虚拟演播人2、广告、电影特技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像力的机会，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——观众难以区分画面中景物的真假。目前电脑动画技术生成的特技画画耗费惊人，但近几年还是出现了一些著名的大制作，如耗资巨大的电影<侏罗纪公园)和<终结者Ⅱ)中的精彩特技镜头。1.9.1计算机动画的应用广告、电影特技广告、电影特技三维动画影片步入全盛时代票房节节攀升更多公司加入技术与情节并重打上明星的烙印画面更加逼真反传统深得人心怪物史瑞克鲨鱼黑帮超人特攻队极地快车1995年皮克斯公司推出世界上第一部纯三维动画长片《玩具总动员》

3、教学演示计算机动画技术在教育中的应用亦日益广泛。由于动画技术特别是三维动画技术的形象性，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。1.9.1计算机动画的应用1.9.1计算机动画的应用4、飞行训练模拟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。

1.9.1计算机动画的应用

5、建筑场景漫游以前，建筑师利用二维计算机图形技术来辅助绘制建筑平面图。今天，利用三维计算机动画技术，我们不仅可观察建筑物的内、外部结构，而且可实现对虚拟建筑场景的漫游。动画技术在建筑业中的更深层应用是利用合成技术来实现环境评估。建筑师和有关人员可以利用它来评价建筑物对周围环境的整体影响。这对城市建设、环境保护以及避免造成灾难性的后果具有非常重要的意义。

建筑场景漫游1.9.1计算机动画的应用6、产品模拟试验计算机辅助设计始终被认为是计算机图形的一个主要应用领域。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——些模型特征，如运动机构的协调性、稳定性及干涉检查等，以使设计者及早发现设计上的缺陷。1.9.1计算机动画的应用7、电子游戏在娱乐业方面，计算机动画技术逐渐进入三维游戏行业，这使游戏的图象质量及动作真实性均有了显著提高，但该技术目前还不能完全取代传统的二维卡通技术。1.9.2计算机动画的发展趋势发展趋势：是图形学的一个研究热点。相关学科：物理学，机器人学，生物学，心理学，人工智能，多媒体技术，虚拟现实，……开发具有人的意识的虚拟角色的动画系统，系统应具备的能力：虚拟角色自动产生自然的行为提高运动的复杂性和真实性：关节运动真实性，虚拟角色、收、面部等身体各部分行为的真实性减少运动描述的复杂性。人物级上运动描述大型化、网络化、标准化。最终目标：从自然语言描述的脚本开始有计算机自动产生动画。(智能)面临的问题：：真实性和实时性；功能更强、速度更快、效果更好、使用更方便动画作品欣赏二维动画FLASH作品欣赏国庆动画/content/090915/09/189804_5989099.html简单打斗动画欣赏音画作品欣赏三维动画作品欣赏《玩具总动员》

有一部电影有上映后，立即被写入了电影的史册。这部制造神奇的电影，不仅开创了一个时代，同时也为美国动画展示了一种全新意义的经典。所以，让我们记住这个日子——1995年11月22日，《玩具总动员》在全美上映。

这是世界是第一部全电脑制作的动画长片，并且以1.92亿美元的票房刷新了动画电影的纪录，还为导演约翰·拉塞特赢得了奥斯卡特殊成就奖。正是这部《玩具总动员》，标志着一个新动画霸主的诞生，也宣告了一个动画新进代的到来。

《玩具总动员1》(ToyStory)

影片导演：约翰·拉塞特影片配音：汤姆·汉克斯、安德鲁·斯坦顿、乔·兰福特发行公司：迪斯尼上映时间：1995年11月22日经典镜头：三维的卡通世界让扁平的迪斯尼有了“深度”，一切都立体起来特效简介：在主题、技术、处理等多方面均具有着革命性意义的动画片。理念上突破了传统迪斯尼动画片的理想主义，摒弃了此前儿童化的善恶分明、邪不压正等简单主题，内容深入到更为贴近现实的人性灰色地带，表现了更为复杂丰富的人物形象。使人们了解到了动画片也具有的深刻的表达能力。在画面技术上，影片更是首次全部使用电脑制作，全新的动画三维与质感贴材都给了观众新鲜的体验。在动画领域将电脑技术的运用推上一个高峰。另外，本片的另一杰出贡献在于直接导致了Pixer公司的诞生，其如今已是矗立好莱坞动画滩头的一大巨擘。本片制作根据镜头繁简，每一帧制作时间都耗时4至13小时不等。整个工作系统由87台双CPU和30台4CP的Sparc工作站组成，还有一台Sparc1000服务器。如此强大的制作阵容就是放到今天，也是不容小觑的技术武装。1995年上映的迪士尼动画片《玩具总动员1》2005年刚满“十岁”，被美国国家电影保护局评选为2005年美国永久保护的“最年轻的电影”，“国宝级电影”，是名单上唯一一部上映刚满十年的影片。美国国家电影保护局称这部影片“改变了动画片行业，开始了电脑科技制作动画影片的时代”。

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