计算机图形学课程计算机动画.的知识

《计算机图形学》课程计算机动画1在过去几十年里，计算机动画一直是人们研究的热点。在全球的图形学盛会Siggraph上，几乎每年都有计算机动画的论文和专题。随着计算机图形学和硬件技术的高速发展，可以用计算机生成高质量的图像，促使计算机动画技术飞速地发展起来。序2计算机动画当前计算机动画盛行34《美女与野兽》《汤姆和杰瑞》奥斯卡短片奖；5计算机动画的应用领域计算机动画提供了一个充分展示个人想像力和艺术才能的新天地；广泛应用于许多领域：动画片制作、电视广播广告、电影特技教学演示训练模拟建筑场景漫游产品模拟试验电子游戏6计算机动画的应用领域广电行业制作栏目的片头和卡通影片；典型的有中央台新闻联播的片头动画；电视虚拟演播人；7计算机动画的应用领域教学演示：利用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；8计算机动画的应用领域飞行训练模拟：计算机动画可以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。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。9计算机动画的应用领域

建筑场景漫游：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；利用合成技术来实现环境评估，评价建筑物对周围环境的整体影响；10计算机动画的应用领域产品模拟试验：计算机辅助设计；设计者能够使虚拟模型运动起来，检查只有制造过程结束后才能验证的模型特征，如运动机构的协调性、稳定性及干涉检查等；11计算机动画的应用领域电子游戏：计算机动画技术逐渐进入三维游戏行业；使游戏图象质量及动作真实性均有了显著提高；121什么是动画？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；运动是动画的本质，动画是运动的艺术；132计算机动画的发展60年代美国的Bell实验室和一些研究机构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。70－80年代三维辅助动画系统开始研制并投入使用。动画的对象不是简单地由外部输入，而是根据三维数据在计算机内部生成。60年代美国的Bell实验室和一些研究机构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。70－80年代三维辅助动画系统开始研制并投入使用。动画的对象不是简单地由外部输入，而是根据三维数据在计算机内部生成。皮影戏西洋镜142计算机动画的发展90年代一个多种学科和技术的综合领域。计算机动画以其自身的特点而逐渐成为一门独立的学科。计算机图形学(实体造型和真实感显示,如消隐、光照模型、表面质感等）图像处理技术、运动控制原理、视频技术、艺术、视觉心理学、生物学、机器人学、人工智能等153动画原理视觉残留原理反射到人眼的光影要在视觉中保留一段短暂的时间才会消失。视觉残留实验：两盏小灯相距1－2米远，放置在黑暗的房间内两盏小灯以缓慢的速率交替点亮和熄灭。两盏小灯以25－40毫秒的时间间隔交替点亮和熄灭。16动画视觉原理－视觉残留实验两盏小灯以缓慢的速率交替点亮和熄灭以25－40毫秒的时间间隔交替点亮和熄灭Frame1Frame2Frame3Frame4Frame5Frame6Frame717●

早期的动画动画原理观看动画的机器-1906●

视觉效果教学进程18动画的视觉原理实验证明画面刷新率为每秒24帧（画面停留40毫秒)左右，则人眼看到的是连续的运动效果。电影放映的标准：每秒24帧的速率,能最有效地使运动的画面连续流畅。

24帧的速率画面还有闪烁，要消除画面的闪烁感，刷新率还要提高一倍。19动画原理

心理活动心理似动现象；心理活动对事务认知的影响；204动画的制作流程214.1传统动画的制作流程前期剧本故事板（分镜头剧本）美术设计镜头设计稿中期后期22传统动画的制作流程前期剧本故事板（分镜头剧本）美术设计镜头设计稿中期后期23传统动画的制作流程前期剧本故事板（分镜头剧本）美术设计镜头设计稿中期后期剧本范例日。繁华的马路边上的一家花店内。老阎推门进来，面无表情。店主在柜台后热情地问道：“欢迎光临！您需要什么花？老阎：“九十九朵玫瑰。”店主：“好！您稍等。”店主转向去选花。老阎站在那里，点着一根烟，等待。店主把选好的玫瑰精心地包装起来，放在柜台上，对老阎说：“九十九朵玫瑰，一共是二百元。”老阎把烟掐掉，把手伸进自己的口袋去掏钱。他呆了一下，又忙去其他口袋里摸钱，居然钱包不见了。24传统动画的制作流程前期剧本故事板（分镜头剧本）美术设计镜头设计稿中期后期用镜头来讲故事25传统动画的制作流程前期剧本故事板（分镜头剧本）美术设计镜头设计稿中期后期26传统动画的制作流程前期剧本故事板（分镜头剧本）美术设计镜头设计稿中期后期造型、场景、道具、服饰等的设计27传统动画的制作流程前期剧本故事板（分镜头剧本）美术设计镜头设计稿中期后期28传统动画的制作流程前期剧本故事板（分镜头剧本）美术设计镜头设计稿中期后期详细和精确的分镜头29传统动画的制作流程前期剧本故事板（分镜头剧本）美术设计镜头设计稿中期后期30前期中期原画摄影表动画（中间画）背景后期传统动画的制作流程也叫动画设计，根据故事板来具体创作、设计动画31前期中期原画摄影表动画（中间画）背景后期传统动画的制作流程32前期中期原画摄影表动画（中间画）背景后期传统动画的制作流程33前期中期后期输入电脑合成编辑输出传统动画的制作流程344.2二维动画的制作过程制作声音对白和背景音乐(2)制作关键画面(3)绘制动画画面(4)复制到胶片上(5)上色(6)核实检查动画画稿(7)拍摄电影胶片(8)后期制作354.3三维动画的制作过程在动画技术当中，最有魅力并应用最广的当然是三维动画。因为我们的世界是立体的，只有三维才让我们感到更真实。二维动画可以看成三维动画的一个分支，它的制作难度及对电脑性能的要求都远远低于三维动画。三维动画之所以被称作计算机生成动画，是因为参加动画的对象不是简单地由外部输入的，而是根据三维数据在计算机内部生成的，运动轨迹和动作的设计也是在三维空间中考虑的。计算机3D动画的制作过程主要有建模、编辑质材、贴图、灯光、动画编辑和渲染几个步骤。36

三维动画的建模

三维动画的贴图

37美国哥伦比亚电影公司联合制作的全计算机动画电影《FinalFantasy：TheSpiritsWithin》。其中的女主人公的面部是用计算机动画技术制作的，其生动的3D面部表情足以乱真

385主要的动画技术39主要的动画技术－关键帧技术实时动画(real-time)：用算法来实现物体的运动逐帧动画(frame-by-frame)逐帧动画的难题：动画片制作中，最大的困难是制作者需要制作大量的帧关键帧与中间帧40关键帧的插值技术可生成中间画面

中间画面的生成

利用电脑对两幅关键帧进行插值计算，自动生成中间画面，这是电脑辅助动画的主要优点之一。这不仅精确、流畅，而且将动画制作人员从烦琐的劳动中解放出来。41关键帧的插值算法所有影响画面图像的参数都可成为关键帧的参数，如位置、旋转角、纹理的参数等。例如通过对运动参数插值，就可以实现对动画的运动控制，如物体的位置、方向、颜色等的变化，也可以对多个运动参数进行组合插值。一般的插值算法有两种方式：线形插值实现平稳的过渡效果非线性插值则可以实现某种特殊的加速度效果42主要的动画技术－运动描述在实时动画中，计算机对输入的数据进行快速处理，并在人眼察觉不到的时间内将结果随时显示出来在实时动画中，如何表示运动呢？这就是运动描述。更复杂的运动一般要通过路径进行描述，这种动画称之为路径动画。用户先设计好物体的运动轨迹，然后指定物体沿该轨迹运动。通常，物体的运动轨迹取三次样条曲线，并且由用户交互给出。为了得到动画序列，必须对样条曲线等间隔采样，以求得物体在每一帧的位置------样条驱动技术43常用的曲线类型Bezier曲线B-splines主要的动画技术－运动描述------样条驱动技术

二维动画中的运动路径设计

44对象运动动画简单示例例：点在(10,10)开始，中间以直线运动，经过10步把它移动(110,110)，则需要画点10次，在x，y方向每次移动10个象素。

for(i=10;i<=110;i=i+10){putpixel(i,i,RED);delay(毫秒);putpixel(i+10,i+10,RED);putpixel(i,i,BLACK);}45主要的动画技术－变形技术将一给定的数字图像或者几何形状以一种自然流畅的、光滑连续的方式渐变为另一数字图像或者几何形状。46主要的动画技术－变形技术基本思想移动顶点，通过顶点改变，达到变形给出物体形变的几个状态物体沿给定的插值路径进行线性或非线性的形变基于特征的图象变形（猫变虎）47主要的动画技术－关节动画技术关节结构由一系列刚体链在关节处连接而成。48主要的动画技术－运动捕获技术真实演员按导演的要求做动作动作被转换为数字信息，通过感应器记录到计算机中计算机搜集这些数据后将信息传递到工作室，然后结果被3D化，在计算机中以线条形式表现出来，形成电影中角色的基础增加皮肤和外壳之后，那些线条就成为虚拟角色49左图显示一个被贴了标示物（白色小球）的演员在场地中跑步，右图是Vicon370系统所采用的特殊红外照相机，只捕捉白色标示物。

50主要的动画技术－运动捕获技术51mocap设备性能10Hawk摄像头每秒200帧精度小于0.5mm

52动作数据到3D人物模型的映射照片的版权归相关的公司或者团体所有53过程动画过程动画指的是动画中物体的运动或变形用一个过程来描述。在柔性物体的动画中，物体的形变是任意的，可由动画师任意控制；在过程动画中，物体的变形则基于一定的数学模型或物理规律。最简单的过程动画是用一个数学模型去控制物体的几何形状和运动，如水波的运动；较复杂的如包括物体的变形、弹性理论、动力学、碰撞检测在内的物体的运动。过程动画模拟的水波效果

54粒子动画一些电脑场景的随机景物，如火焰、气流、瀑布等，在对其进行描述时，可采用粒子系统的原理，将随机景物想象成由大量的具有一定属性的粒子构成。每个粒子都有自己的粒子参数，包括初速度、加速度、运动轨迹和生命周期等。这些参数决定了随机景物的变化，使用粒子系统可以产生很逼真的随机景物。粒子动画创作的真实感云层

556OpenGL动画设计概述OpenGL为动画设计提供了很好的支持，一些很著名的3D游戏软件都使用OpenGL作为渲染引擎OpenGL提供了一些函数，支持图像和场景的移动和旋转等操作，并支持图像的快速切换输出。采用动画技术与前面所学的图形学基本知识相互配合，可以使用户很轻易地创建出动画效果56反弹的方块程序首先在窗体中绘制一个正方形，让它在窗口中移动。当正方体碰到窗口的边界就会反弹，沿着另一个方向继续移动57使用双缓冲技术的旋转方块单缓冲模式(GLUT_SINGLE)：时间间隔改小，动画的效果变得很差双缓冲技术(GLUT_DOUBLE)：允许在屏幕之外的缓冲区执行绘图代码，然后使用交换命令把所绘制的图形立即显示在屏幕上

下面用另一个例子再介绍并演示双缓冲技术，产生一个绕中心旋转的正方形

58将上一节程序中的glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB);改为glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE|GLUT_RGB);同时，在RenderHandler函数中，将glFlush()改为glutS()，就可以使用OpenGL的双缓冲功能，产生平滑的动画效果。旋转使用了旋转变换：glRotatef(spin,0.0,0.0,1.0);//旋转变换59双缓冲技术双缓冲技术有两个用途：首先，在绘制复杂图形的时候，图形合成的时间也许很长，可能不想让用户漫长等待。使用双缓冲技术，可以先合成一副图像，在完成以后再显示给用户，这样用户就看不到不完整的图像了。其次，在动画制作的时候也广泛使用双缓冲技术。每个动画帧首先在屏幕之外的缓冲区绘制，完成后快速交换显示在屏幕。这样就大大提高了动画的显示速度

动画的关键在于动，在实时动画中，为了能够恰当地描述物体的运动，必须有某种方法。二维运动的表达相对简单，但三维空间的运动就比较麻烦，可以通过使用矩阵运算的办法表达物体的几何变换。60实现一个旋转的立体圆环这个程序的重点是自定义的变换矩阵函数

voidmkRotationMatrix(floatangle,floatx,floaty,floatz,GLMatrixmMatrix)

该函数负责创建一个产生旋转变换的4x4矩阵

函数RenderHandler中使用创建的旋转变换阵，每次产生一个新的旋转变换阵，加上平移分量后，使绘制的线框圆环产生旋转的效果61交互式动画在许多时候，要根据用户的反馈决定下一步动画的生成，这就是交互式动画用户通过操纵键盘、鼠标、游戏杆等输入设备，控制游戏主角下一步的走向和动作，游戏程序必须根据这些输入，决定下一步输出的图像本节仍然继续上节的例子，介绍如何根据用户的键盘信息绘制不同的场景62为了丰富画面，为上节的程序新加入两个小球，它们分别沿着自己的轨道运动。中间的圆环绕自身转动。当用户按下上、下、左、右的光标键，就可以控制场景的移动，离近离远，或者左右旋转63具体实现方法voidSpecialKeys(intkey,intx,inty)//根据键盘动作响应用户请求{ if(key==GLUT_KEY_UP) MoveFrameForward(0.1f); if(key==GLUT_KEY_DOWN) MoveFrameBack(0.1f); if(key==GLUT_KEY_LEFT) RotateFrameLeft(0.3); if(key==GLUT_KEY_RIGHT) RotateFrameRight(0.3); glutPostRedisplay();//刷新窗口64通过读取键盘码，对应控制场景的移动和旋转：voidMoveFrameForward(GLfloatfStep)//场景向前移动{ zMove+=fStep;}voidMoveFrameBack(GLfloatfStep)//场景向后移动{ zMove-=fStep;}voidRotateFrameRight(GLfloatfAngle)//场景向右旋转{ ySpin+=fAngle;}voidRotateFrameLeft(GLfloatfAngle)//场景向左旋转{ ySpin-=fAngle;}657二维动画软件AnimatorStudioFlashUleadGifAnimator66AnimationStand二维卡通软件AnimationStand是一个流行的非常二维卡通软件，全球最大卡通动画公司如沃尔特、华纳兄弟、迪斯尼和Nckelodeon，皆曾采用AnimationStand作为二维卡通动画软件，用于生产最原本的图样、独创的和完全动画化的系列片，为娱乐业的商业应用。67Flash现在，我们在浏览网页时，经常会看到引人入胜的动画效果，制作这种效果的工具就是Flash。在二维动画的软件中，Flash可以说是后起之秀，它已无可争议地成为最优秀交互动画的制作工具，并迅速流行起来。Flash的动画效果不再是单纯的反复运动，而是可以在画面里进行菜单选择和操作以及播放声音文件。Flash的出现，立即受到用户的欢迎，并迅速被应用到网络与多媒体课件设计中去。68Flash支持动画、声音以及交互功能，具有强大的多媒体编辑能力，并可直接生成主页代码。Flash通过妙巧的设计也可制作出色的三维动画。由于Flash本身没有三维建模功能，为了做出更好的三维效果，可在AdobeDimensions软件中创建三维动画，再将其导入Flash中合成。69UleadGifAnimator是一个简单、快速、灵活，功能强大的GIF动画编辑软件，同时，也是网页设计辅助工具，还可以作为Photoshop的插件使用，丰富而强大的内制动画选项，让我们更方便地制作符合要求的GIF动画。UleadGIFAnimator5.0功能很强大。使用它可作出真彩色环境下的GIF动画，得到色彩斑斓的动画；功能更强的工具和更为灵活的工作环境，也使我们的动画制作愈显轻松。70在中国，最主流的就是Max和Maya，XSI在部分游戏公司里也有用，如KOEI。71目前，除了3DMAX有中文的帮助文档外，其他的软件包都没有中文的使用手册。72三维动画软件3DS

3DStudio（简称3DS）是美国Autodesk公司在20世纪90年代开发的基于普通微机的三维动画软件系统。也曾是在ＰＣ机上应用最为广泛、影响力最大的三维动画软件。由于其功能强，且对硬件要求低，因此在国内得到了广泛应用。许多电视节目中的三维动画，都是由3DS软件制作的。3DS的主要功能特点建立三维实体模型，对模型及其所在场景进行设计及调整，包括设置场景中的光源和观察场景所用的摄像机。编辑制作模型所需的各种表面材质、纹理质感和表面贴图。对动画过程的关键帧进行编辑，完成动画制作。73MayaMaya是Alias/Wavefront公司在1998年推出的三维动画制作软件,虽然相对于其他3DS等经典的三维制作软件来说，Maya的历史并不长，但Maya凭借其强大的功能，友好的用户界面和丰富的视觉效果，一经推出就引起了动画和影视界的广泛关注。目前Maya成为世界上最为优秀的三维动画的制作软件之一。Maya是为影视创作应用而开发的，推出不久就在《精灵鼠小弟》、《恐龙》等这些动画影片中一展身手。除了影视方面的应用外，Maya在三维动画制作、影视广告设计、多媒体制作甚至游戏制作领域都有很出色的表现。74《变形金刚》就是用Maya做的，可中国人要做出自己的《变形金刚》需要的不是一个特效公司，而是好莱坞一整套的工业体系。当你决定选择哪款软件的时候，试着考虑清楚这些问题，相信你的答案自然迎刃而解。网上某个人告诉你应该去学Maya因为某个牛x的片子就是用她做的，这并不意味着你适应这款软件并且能做出同样的效果来。

75传统绘画能帮你掌握光和色彩。好的画家在色彩混合和运用的意识上是非常强悍的。绘画训练培养出较强的造型能力对建模是有极大的帮助的。76三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》

77AnimatorPro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