《计算机图形学基础》课件第9章

第9章动画技术9.1动画简介

9.2动画开发工具

9.3计算机动画技术

9.4三维动画设计

9.5视频动画的合成

习题9 9.1动画简介

目前三维软件的应用已经比较成熟，一些基础的动画技术如参数关键帧、轨迹驱动技术、变形技术以及角色动画等在创作中发挥了较好的效果。但是要想创建一个被认可的虚拟世界，对三维软件动画师的要求非常高。要使得一些动作真实，例如一个箱子从楼梯上掉下去，弹跳并翻滚着下落，直到最后静止不动，这样的动画效果，单纯靠传统建模然后手动调节动画，是很难实现的。正是有了这样的要求，动画技术研究人员不断地从其他领域借鉴优秀知识来更新动画技术。例如，将物理学知识应用到动画技术中，创建基于物理的动画技术，这对于动作的真实感取得了很好的效果。又如将人工智能引入动画技术中，在群体动画方面取得了突出的成绩，打破了传统靠手工调节的庞大工作量。影片《狮子王》里有一个万马奔腾的场景，采用当时的技术花费了几年的时间才制作出这个场景。而今群体动画大大简化了这样的过程。在影片《恐龙》中，技术导演运用了HOIDS群体动画工具来制作将近1000只恐龙的兽群动画。所以我们可以说高级动画技术的发展正是“借他人之力，助自己发展”。9.1.1国外影视动画发展概况

目前，影视界的巨头当属美国。美国的动画技术快速发展，不断地提升其影片的质量，使得画面越来越精美，越来越逼真。针对制作流程的技术创新及成本控制，使美国影视动画发展出本身的独特技术，如赋予电脑动画人物情感的系统工具EMO、动画事业的生产管理系统NILE；同时向外寻求技术合作，如梦工厂与惠普合作，提供动画所需的伺服器、工作站等。随着三维技术的不断发展，渐渐取代了平面动画。而动画技术并不仅限于动画片的制作，其在电影、电视等多媒体中也得到了广泛的运用，特别是电脑特技的表现更使得电影得到了更多的技术支持，成为现代电影重要的一部分。电影利用电脑动画补充其表现手法，而动画也吸取电影的各方面技术，使得美国的动画与电影在技术上互相渗透成为其动画特色之一，增加了其动画的附加值。美国动漫产业的重中之重就是电影动画，它与其发达的电影业是联系在一起的。在20世纪90年代末，各大制片公司，如SonyPictureEntertainment、Fox、Entertainment

Group、paramountPictures、Lucasfilm、UniversalStudio、MGM/UA等纷纷涉足动画界，使得美国电影动画异彩纷呈，成为了世界动漫产业的主力。9.1.2国内影视动画发展现状

我国动画制作已有70多年的历史，拥有一大批经验丰富的专家和专业人士；高新技术设备也日趋完善，影视动画产量在高速增长。随着计算机技术的更新，软件的运用随之步入了动画这个行业，越来越多的企业开始采用电脑上色加工、线拍等手段来节省人力开支。同时，美国在电脑三维制作上的大胆尝试和成功，使得中国这个加工大国随着计算机技术、网络技术的发展也开始步入了传统手工向电脑加工、二维向三维转换的阶段。MAYA、3Dmax等计算机动画工具软件广泛应用于各个行业，数字动画应运而生，以数字媒体为基础的动画产业成为迅猛发展的朝阳产业。但是，与世界发达国家相比，中国的数字媒体业还处在刚刚起步的阶段，市场的需求量很大。有关机构测定，目前全国对数字媒体人才需求的缺口大约在15万人。尤其是技术和创意相融合的人才的匮乏，更是严重阻碍了中国影视动画产业的发展。 9.2动画开发工具

实现电脑视觉特技是电脑软件和硬件的一大难题，因为这需要非常强大的软件和能提供高超运算能力的硬件平台。所以这项工作可以说是在高科技电影中花费最大也最费时的一项工作。

在电脑影视特技的领域中，SGI可以说是无人不知，其生产的SGI超级图形工作站可算是最好的3D与视觉特技的硬件平台，它给创作人员提供了异常强大的图形工作能力，具

有超级的实时反馈，可以让工作人员以最快的速度进行创作。SoftimageXSI、MAYA、Flint等软件在SGI平台上可以发挥最好的性能。虽然现在随着计算机的发展，PC平台也已入侵视频制作的领域，许多从事图像特技的公司纷纷开始使用价格低廉的PC平台从事设计工作，但是最复杂的部分依然还需要放在SGI的工作站上来制作。

光有超强的硬件平台还不够，电影电视中那些逼真的形象还是得靠各种各样的超级3D图像软件来实现。这些特技软件全世界每年的销售额在20亿美元以上。下面介绍现在国内外流行的几大三维与视觉特技软件——Softimage/3D、Sumatra、MAYA、3DSmax和Lightwave，这些软件都可以运行在PC平台上。9.2.1超强3D动画制作工具AvidSoftimageXSI

Softimage/3D是当今世界上一流的三维制作软件，能够生成胶片级的渲染效果，它的功能和渲染质量在各3D软件当中首屈一指。AVID于1998年并购了SOFTIMAGE以后，于1999年底推出了全新的三维动画软件XSI，由于其非线性动画的特色及大量的技术改进，使业界再次刮目相看。国际著名的影视特技制作公司ILM(IndustrialLightandMagic)作为XSI的用户创作的三部新片《侏罗纪公园Ⅲ》、《木乃伊归来》、《人工智能》受到了业界的关注与好评，也使业界再次聚焦XSI。三维动画的发展经历了简单图形到复杂场景，再到角色动画的三个发展阶段，XSI被业界称为代表未来走向的第三代三维动画软件。不仅因为其强大的非线性动画角色制作能力，也源于它近年来的不断推陈出新，使其在模型、渲染、粒子效果、流体、刚体、柔体动力学效果、毛发、布料仿真等效果上，综合实力优于其他第二代软件。此外，XSI创造性地推出许多前所未有的新概念，有基于Internet的内置网络浏览器NET-VIEW，可快速通过网络与远程交换创作资料；有动画合成一体化的内置合成器，从而解决了多年来困扰制作的多动画特技层精确对位问题以及动画、拍摄色调、光线、景深匹配等问题，被誉为动画影视创作的一次革命。XSI推出的起点较其他软件高，而且开发力度较大，软件呈现良好研发势头。

SoftimageXSI的MentalRay超级渲染器是其最知名的一部分。MentalRay图像渲染软件由于有丰富的算法，图像质量优良，成为业界的主流。而目前只有XSI和MentalRay是无缝集成在一起，而别的软件就算能通过接口模块转换，Preview(预调)所见却不是最终Rendering所得，只有选择XSI作为主平台才能解决此问题。MentalRay渲染器可以着色出具有照片品质的图像，《星际战队》中昆虫异形就是用MentalRay渲染的。许多插件厂商专门为MentalRay设计的各种特殊效果，则大大扩充了MentalRay的功能，能用它制作出各种各样奇妙的效果。

XSI可从多个方面提高用户的创作效率。首先，它直接支持MentalRay跨平台的分布式渲染，通过Cluster自动管理多CPU并行运算，它甚至可以支持多CPU并行运算于Mental

RayV3.0，交互式Preview(预看)；其次，它采用内置的Internet浏览器NET-VIEW，可快速便捷地进行远程数据交流与交换，目前只有XSINET-VIEW与NXN管理软件做到了无缝连接；再次，XSI创立的非线性动画设计一直保持着很强的优势，用XSI的智能化动画混合器来进行动作的合成、加工，大大提高了用户的创作效率。

SoftimageXSI的另一个重要特点就是超强的动画能力，它支持各种制作动画的方法，可以产生非常逼真的运动。它所独有的Functioncurve功能可以轻松地调整动画，而且具有良好的实时反馈能力，使创作人员可以快速地看到将要产生的结果。9.2.2三维非线性动画创作系统Sumatra

Sumatra是业界第一个真正具有全新概念的非线性动画系统。Sumatra是Softimage公司研制的下一代三维动画系统，它是业界第一个真正的具有全新概念的非线性动画系统。它能大大提高艺术家的创作力和灵活性，从而带来快速的投资回报。

Sumatra的高级直观的工具包可以进行完美无缺的角色动画、非破坏性的动画混合、高质量交互式的动画生成，它革新了数字艺术家传统制作三维动画的方式，并可应用在视频、电影、广播电视、交互媒介和娱乐方面。

Sumatra的特性包括：

(1)Real-timeContinuousSurfaceManagement(实时连续的表面管理功能)。

(2)Surfacemeshes(表面网格)：一个新的由多个NURBS表面组成的几何形体，用于创建非常完美的、完全动画的人体和物体。

(3)Non-linearAnimationandMixing(非线性的动画和混合)：非线性动画是一个灵活的高直观性的动画创作方式，可将复杂的动画创作变得明朗化，它可以与不同的动画类型进行无缝地交互，如关键帧数据、表达式和约束。

(4)Actions(Mix，blend混合，scale缩放和cycle，不受时间轴timeline的限制)：它是一个高级的不受时间阻碍的管理复杂动画的方式。

(5)GeneralAttributePainting(GAP，通用属性绘制)：使用一个简单直接的绘制方式创建和调整物体的属性，如包皮的重量或变形。

(6)InteractiveRendering(交互式动画生成)：使灯光、纹理、材质和图像生成的属性可以被任意改变，并立即显示最后生成的结果。

(7)RenderPasses(动画生成通道)：是在三维创建和后期合成之间的一个桥梁。将三维物体放入分区中进行高光、阴影、散射、matte或任意其他通道的生成。所有数据都属于一个单一场景，改变时只需一次。

(8)Workflow(UI，用户工作界面)：具有非常直观的用户工作界面和工作流程辅助。它包括一些新的选择方式，如名字和通配符的选择、图像拖拉方式选择以及多种参数编辑方式选择。

(9)Customizability(用户定义功能)：建立用户定义的屏幕显示布局、热键、工具条和菜单。通过将不受限制的物体属性连接到用户定义的参数上就可以很容易地对复杂的模型进行操纵和制作动画。

(10)Scripting(脚本创建)：使用标准的脚本创建语言(如VBScript，JScript)容易地自动重复任务、创建宏macros，定义应用程序、与其他用于脚本创建的应用程序进行通信、记录和回放创建步骤。

(11)Simulation(模拟)：为满足特技专家制作的需要，它提供了一个完整的模拟仿真工具包，包括集成的粒子、衣服、软体动力学、皮毛和三维摄像机匹配。

Sumatra利用非常友好的用户工作界面和高交互的设计工具继续保持了Softimage产品的优势，而且它还提供了一个三维和二维动画集成的通道，解决了以前在三维动画和后期合成之间存在的障碍。9.2.3

Alias/WavefrontMAYA

MAYA是Alias/Wavefront公司在1998年推出的3D软件，是3D软件中的新生儿。它一诞生便让人刮目相看，其强大的功能与顶级软件Softimage/3D难分伯仲，两者并驾齐驱，同属3D高级制作软件。

MAYA的诞生确实是一个新纪元，以往人们更多地使用3DSmax，这个软件也不错，只是它更多的效果制作依赖于外部插件。虽然MAYA制作一个项目要比3DSmax花更多时间和步骤，但在生成图像上要比用3DSmax生成的图像具有更多的细节。打个形象的比喻：如果说3DSmax是一部自动相机的话，MAYA更像是一部手动相机，就像使用相机一样，虽然使用手动相机需要更多的调节，但所摄制的图像是自动相机所无法比拟的，在这当中，手动相机有更多摄影者的参与，也就是说MAYA有更大的可控制性和可操作性。MAYA在建模、渲染、制作数字角色和场景的时候让用户担当了导演、演员、场景设计者和摄影者的角色。

MAYA是当前电脑动画业关注的焦点之一。它是新一代具有全新架构的动画软件。从MAYA这个古老而又神秘的名字就可以看出，这个软件蕴涵着巨大的能量。MAYA具有以下新功能：

(1)采用ObjectorientedC++code整合OpenGL图形工具，提供非常优秀的实时反馈表现能力。这一点可能是每一个动画创作者最需要的，因为任何一个人都不愿意自己做的修改要等很长时间才能看到结果。

(2)具有先进的数据存储结构和强力Scenceobject处理工具Digitalproject。

(3)运用弹性使用界面及流线型工作流程，使创作者可以更好地规划工程。

(4)使用Scripiting&CommandLanguage语言。MAYA的核心引擎是一种称为MEL(MAYAEmbeddedLanguage，马雅嵌入式语言)的加强型Scripiting与Command语言。MEL

是一种全方位符合各种状况的语言，支持所有的MAYA函数命令。

(5)在基本的架构中，MAYA自定undo/redo的排序，同时MAYA也提供改变Procedurestack(程序堆叠)及re-excute(再执行)的能力。

(6)层的概念在许多图形软件中已得到广泛地运用。MAYA也把层的概念引入到动画的创作中，可以在不同的层进行操作，而其他各个层之间不会有影响。当然也可以将

层进行合并或者删除不需要的层。

在MAYA中最具震撼力的新功能是Artisan。它能让我们能随意地雕刻nurbs曲面形状，从而生成各种复杂的形象。如果你有数字化的输入设备，如数字笔，那你更是可以随心所欲地制作各种复杂的模型。9.2.4

3DSmax

3DSmax是当今世界上最普及的3D软件，诞生时间最长，全球用户最多，外挂插件最多，这也许是最能让MAX自豪的地方。3DSmax从1.0版发展到现在的9.0版，经历了一个由不成熟到成熟壮大的过程。这个应用于PC平台的三维动画软件从1996年开始就一直在三维动画领域叱咤风云，它的前身就是3DS。可能是依靠3DS在PC平台中的优势，3DSmax一推出就受到了瞩目。它支持Windows95、WindowsNT，具有优良的多线程运算能力，支持多处理器的并行运算，具有丰富的建模和动画能力以及出色的材质编辑系统，这些优秀的特点一下就吸引了大批三维动画制作者和公司。现在在国内，3DSmax一枝独秀，其使用人数大大超过了其他三维软件。

9.0版的3DSmax已经具有强大的各种专业的建模和动画功能。nurbs、dispacemodify、camertraker、motioncapture这些原来只有在专业软件中才有的功能，现在也被引入到3DSmax中。今天的3DSmax给人的印象绝不是一个运行在PC平台的业余软件了，从电视到电影，都可以找到3DSmax的身影。例如，《迷失太空》这部科幻电影中的绝大多数特技镜头都是由3DSmax来完成的。

3DSmax作为世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件，完全满足制作高质量动画、最新游戏等方面的需要。在3DSmax最新版中，可以帮助设计师与动画师更精准地掌握动画背景与人物结构，同时呈现出每个角色震撼的生命力。

3DSmax的成功在很大的程度上要归功于它的插件。全世界有许多专业技术公司在为3DSmax设计各种插件，它们都有自己的专长，所以各种插件也非常专业。例如增强的粒子系统sandblaster，ourburst，设计火、烟、云的afterburn，制作肌肉的metareyes，制作人面部动画的jetareyes。有了这些插件，可以轻松设计出惊人的效果。9.2.5

Lightwave3D

Lightwave是重量级的三维制作软件，为了合理利用系统资源，该软件分成两个程序包，即Lightwave和Modeler。通常在Modeler中生成模型，然后在Lightwave中渲染它最擅长的灯光效果和子拼块建模。注意：子拼块是Lightwave中的一种建模方式，常用来进行有机建模，比如人头、生物角色等。

Lightwave在好莱坞所具有的影响一点也不比Softimage、Alias等差，但它的价格却非常低廉，这也是众多公司选用它的原因之一。但光有低廉的价格还不行，Lightwave3D的品质也非常出色。名扬全球的好莱坞巨片《泰坦尼克号》中的泰坦尼克号模型，就是用Lightwave制作的。据官方统计，现在在电影与电视的三维动画制作领域中，使用Lightwave3D的比例大大高于其他软件，连Softimage3D也甘拜下风。全世界大约有4万人在使用Lightwave3D。DigitalDomain、WillVinton、AmblinGroup、DigitalMuse、Foundation等顶尖制作公司也纷纷采用Lightwave3D来进行创作。

Lightwave3D是全球唯一支持大多数工作平台的3D系统，它在各种平台上都有一致的工作界面，无论你使用高端的工作站系统或使用PC，Lightwave3D都能胜任。除此之外还有一些小型的3D软件，如Poser、Brucy、Cool3D和建模软件Rhino.Autocad，在众多的3D软件中大体可分为三种级别：高级软件Softimage/3D，MAYA；中级软件3DSmax，Lightwave，Sumatra；初级软件Poser，Brucy，Cool3D。

9.3计算机动画技术

计算机动画技术实际上已经围绕在我们周围，如电视里频繁出现的三维广告、家喻户晓的三维动画大片以及火爆的电子游戏。计算机动画是采用计算机技术生成的一系列动态画面。由于人的眼睛具有视觉暂留特性，当屏幕以25帧/秒以上速率播送计算生成的序列画面时，一幅幅离散画面即在人的视网膜上串接成连续的动画。计算机动画将时间变量引入到虚拟的静态景物世界，使得我们不仅能够操作三维景物，而且可以建立起逼真的景物运动。计算机动画技术是计算机图形学的重要发展，它是传统静态图形技术向实时图形技术平滑过渡的桥梁，其研究内容涉及到计算机图形学的各个领域。它主要研究运动控制技术以及与动画有关的造型、绘制、合成等技术，其综合利用了计算机科学、艺术、数学、物理学和其他相关学科的知识，生成绚丽多彩的连续的逼真画面，给人们提供了一个充分展示个人想像力和艺术才能的新天地。

以下将分别介绍关键帧动画技术、基于物理的动画技术、过程动画技术、行为动画技术以及运动捕捉技术这四种目前流行的高级动画技术。9.3.1关键帧动画技术

帧：是动画中最小单位的单幅影像画面，相当于电影胶片上的每一格镜头。在动画软件的时间轴上帧表现为一格或一个标记。

帧速：每秒钟传播的帧数，用于衡量视频信号传输的速度，单位为帧/秒(FPS，FramesPerSecond)。在游戏运行中所见到的动态画面实际上是由一帧帧静止画面连续播放而成的，电脑必须快速生成这些画面并将其显示在屏幕上才能获得连续运动的效果。所生成的画面越复杂，电脑的处理时间就越长，帧速就越低。如果帧速过低，则游戏画面就会产生停顿、跳跃的现象。一般对于电脑游戏来说，每秒30帧是底线，60帧是最理想的境界。不过也不能一概而论，不同类型的游戏所需的帧速各不相同。例如在第一人称射击游戏中，玩家的注视焦点并非落在眼前，而是瞄向远方，因此物体的位移幅度较大，所涵盖的空间范围也很大，对帧速的要求就很高。相比之下，第三人称动作游戏所需的帧速则要低得多。关键帧：相当于二维动画中的原画，指角色或者物体运动或变化中的关键动作所处的那一帧。关键帧与关键帧之间的动画可以由软件来创建，叫做过渡帧或者中间帧。

过渡帧：在两个关键帧之间，电脑自动完成过渡画面的帧叫做过渡帧。

其中，根据其用途又可将关键帧分为普通关键帧(用于处理图形图像和动画)、动作脚本关键帧(用于存放动作脚本，关键帧可以通过动作脚本控制相关影片和其中的影片剪辑)、引导层关键帧(基于引导图层创建的普通关键帧，该种关键帧在播放Flash影片时是不可见的，仅用于注释Flash影片)。当然，每个关键帧都同时可以被赋予几种用途(引导层关键帧除外)，关键帧也可以通过影片图层实现叠加的效果。关键帧的概念来源于传统的卡通片制作。在早期WaltDisney的制作室，熟练的动画师设计卡通片中的关键画面，也即所谓的关键帧，然后由一般的动画师设计中间帧。在

三维计算机动画中，中间帧的生成由计算机来完成，插值代替了设计中间帧的动画师。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。关键帧技术是计算机动画中最基本并且运用最广泛的方法。另外一种动画设置方法是样条驱动动画。在这种方法中，用户采用交互方式指定物体运动的轨迹样条。几乎所有的动画软件如Alias、Softimage、Wavefront、TDI、3DS等都提供这两种基本的动画设置方法。无论是样条驱动动画还是关键帧插值方法，都会碰到这个问题：给定物体运动的轨迹，求物体在某一帧画面中的位置。物体运动的轨迹一般由参数样条来表示。如果直接将参数和帧频联系起来，对参数空间进行等间隔采样，有可能带来运动的不均匀性，为了使物体沿一样条匀速运动，必须建立弧长与样条参数的一一对应关系。Guenter等提出用Gauss

型数值积分方法计算弧长，用Newton-Raphason迭代来确定给定弧长点在曲线上的位置，并采用查找表记录参数点弧长值的方法来加速计算。在动画设计中，动画师经常需调整物体运动的轨迹来观察物体运动的效果，交互的速度是一个很重要的因素。Watt等提出了用向前差分加查找表的方法来提高交互的速度，在精度要求不是很高的情况下，这种方法

非常有效。从原理上讲，关键帧插值问题可归结为参数插值问题，传统的插值方法都可应用到关键帧方法中。但关键帧插值又与纯数学的插值不同，它有其特殊性。一个好的关键帧插值方法必须能够产生逼真的运动效果并能给用户提供方便有效的控制手段。一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的，但从运动学或动画设计来看可能是错误的或者不合适的。

用户必须能够控制运动的运动学特性，即通过调整插值函数来改变运动的速度和加速度。为了很好地解决插值过程中的时间控制问题，Steketee等提出了用双插值的方法来控制运

动参数。其中之一为位置样条，它是位置对关键帧的函数；另一条为运动样条，它是关键帧对时间的函数。Kochanek等提出了一类适合于keyframe系统的三次插值样条，他们把关键帧处的切矢量分成入矢量和出矢量两部分，并引入张量t、连续量c和偏移量b这三个参数对样条进行控制。该方法已在许多动画系统中得到了应用。9.3.2基于物理的动画技术

一个小皮球落在地上弹起来，然后跳呀跳，到最后慢慢停止。如果用三维动画来表现这种运动，有经验的动画师完全可以用手工完成。但是更复杂的运动，比如说在第一人称射击游戏中敌人从一个楼梯上翻滚落下，就不是那么容易用手工完成的。因为要生成真实生动的动画，就要使敌人的落下遵循物理原理，要考虑很多物理因素，比如重力、密度、体积等。同样，在目前火爆的第一人称射击游戏如CS中,选择不同的武器射击敌人或者建筑物时，射击的强度以及产生的效果如果手动调节将非常困难。现实世界看起来很简单,但是要在计算机里实现却很困难。计算机动画始终处在研究的前沿，人们不仅需要形象的真实感，也需要运动的真实感。真实运动的复杂度往往使得人们难以用一些过程表述，这个时候只有借助于真实世界的物理规律才能得以体现。真实的背后就是物理，物理描述了物体如何运动、如何动作以及它们之间如何相互影响。只有去追溯它的物理根源，只有借助其本身比较精确的物理描述才能真实再现其外在的视觉现象。基于物理的计算机动画一方面使得本身体现的现象能充分满足人们对真实的需要，提高整个沉浸感；另一方面减轻了程序开发人员和艺术家的劳动强度，不再需要脚本去控制物体，不再需要单独去管理每一个细小事件，因为所有的事情都会按着它本身的物理规律来完成。这其中包括：物体的材料属性，如密度、表面粗糙度、硬度、弹性等；刚体动力学和碰撞检测，关节和弹簧、流体、粒子系统、布料等各个方面。这些目前不仅在电影特效制作中得到广泛应用，在新一代的电子游戏中也逐渐普及起来。

然而，一方面，这个世界的有些物理规律本身很复杂，对于现象的物理描述并不是很好，这些对应的学科发展也尚不成熟，因此，在计算机图形学领域里也很难建立一个比较完善的物理模型；另一方面，即使存在一个模型可供利用，但与计算机图形学的研究目标不一致，或者由于计算的复杂度，或者与视觉上的效果并无关系，导致直接应用的困难。随着计算机硬件的不断发展，计算能力不断增强，PC机能够完成的算法复杂度不断上升，使得基于物理的计算机动画的迅速发展成为可能。在市场方面，不管是电影特效，还是视频游戏，人们对于基于物理的计算机动画的需求也很强烈。这些因素使得基于物理的计算机动画成为目前的一个研究热点，也成为当前和未来计算机图形学发展的一个重点方向。基于物理模型的动画技术是20世纪80年代后期发展起来的一种新的计算机动画技术，该技术将一些物理规律引入计算机动画行业，它考虑物体在真实世界中的属性，如它具有质量、转动惯矩、弹性、摩擦力等，并采用动力学原理自动产生物体的运动。当场景中的物体受到外力作用时，牛顿力学中的标准动力学方程可用来自动生成物体在各个时间点的位置、方向及其形状。此时，计算机动画设计者不必关心物体运动过程中的细节，而只需确定物体运动所需的一些物理属性及一些约束关系，如质量、外力等，以取得运动的真实性。经过近几年的发展，它已在图形学中成为一种具有潜在优势的三维造型和运动模拟技术。尽管该技术比传统动画技术的计算复杂度要高得多，但它能逼真地模拟各种自然物理现象，这是基于几何的传统动画生成技术所无法比拟的。它能处理诸如重力、风、碰撞检测等在内的复杂动力学模型。

最近几年，已有许多研究者对动力学方程在计算机动画中的应用进行了深入广泛的研究，提出了许多有效的运动生成方法。总体上来说，这些方法大致可分为三类，即刚体运动模拟、塑性物体变形运动以及流体运动模拟。

1．刚体运动模拟

刚体运动模拟的研究重点集中在采用牛顿动力学的各种方程来模拟刚体系统的运动。由于在真实的刚体运动中任意两个刚体不会相互贯穿，因而在运动过程模拟时，必须进行碰撞检测，并对碰撞后的物体运动响应再进行处理。碰撞要考虑参与碰撞的物体各自的速度、质量、弹性等属性，然后根据物理定律计算出物体的变形和反弹速度等结果。碰撞结果则主要是根据物体外形计算是否相互碰撞。碰撞模拟和碰撞检测是非常消耗计算资源的，因此，大多数三维动画软件都会提供折中简化的方法。一种方法是在碰撞检测前判断空间中的其他物体是否为此物体的障碍物，也就是说根据物体的可能运动轨迹，将与该物体不可能碰撞的物体设置为非障碍物，从而在计算中节省计算资源。另一种方法是使用包容立方体来简化物体外形。

2．塑性物体变形运动

在真实物理世界中，许多物体并非完全是刚体，它们在运动过程中会产生一定的形变，即所谓柔性物体。物体的变形一直是计算机图形学的研究热点。由于传统的表面变形均是基于几何的，其形变状态完全人为给定，因而变形过程缺乏真实性。基于物理的柔性物体变形也是目前的重要研究方向，该方法在布料的模拟等方面取得了较好的效果，如图9-1所示。图9-1模拟布料基于物理的建模通过引入质量、力、能量等物理量，将织物各个部分的运动看成各种力的作用下质点运动的结果。Terzopoulosetal把柔性物体的变形描述成柔性物体内部组织抵抗形变产生的弹性力、外界作用力和阻尼力共同作用的结果，为柔性物体提出了弹性形变模型，建立了物理基础。基于物理模型的柔性物体模拟，尽管其表达方式、求解办法有所不同，但都可归结为：根据牛顿运动定律，给出质点间弹簧形变关系(可以用力的形式表示，也可以用能量表示)，得到一个偏微分方程(组)，最终用数值方法求解该方程(组)。

3．流体运动模拟

早期的流体模拟，由于计算能力有限，主要采用参数建模的方法。例如，通过将波浪函数表示成一系列线性波形的组合，更进一步将各个波形简化为波形和相位的组合函数，从而合成浅水表面高度场，能处理波折射问题，并采用粒子系统来模拟当波浪破碎或者碰到障碍物时形成的浪花。但是表示水的粒子或者网格只是在其初始位置附近运动，所以它们都无法表现真正的流动效果，也无法处理边界给水面带来的影响。又如，基于统计的FFT经验模型可以很好地描述波幅较小的海平面。但是对于以上这些模型，人们觉得控制起来很困难，而且不能模拟一些复杂的、细节更为丰富的效果，于是很多研究者转向基于物理的方法。基于物理的流体运动模拟方法主要分为两种：一是从研究流体所占据的空间中各个固定点处的运动着手，分析被运动流体所充满的空间中每一个固定点上的流体的速度、压强、

密度等参数随时间的变化，以及研究由某一空间点转到另一空间点时这些参数的变化，该方法被称为欧拉法，这种方法是一种基于网格的方法；二是从分析流体各个微团的运动着

手，即研究流体中某一指定微团的速度、压强、密度等描述流体运动的参数随时间的变化，以及研究由一个流体微团转到其他流体微团时参数的变化，以此来研究整个流体的运动，被称为拉格朗日法，是一种基于粒子的方法。现在已有许多模拟水流、波浪、瀑布、喷泉、溅水、船迹、气体等流体效果的模型。9.3.3过程动画

在三维动画里大多数采用关键帧动画、路径驱动动画或关节动画来形成运动。但是有一些自然现象很难通过建模来完成，而且运动过程也很难用前面介绍的运动控制方法来描述，例如云彩、水波。对于这些自然现象，可以采用过程描述的方法来实现。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。在过程动画中，物体运动与变形遵循一定自然法则或者内在规律控制。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Fourier合成，用正弦波来合成水波的随风运动。过程动画可以大致分为四种类型：过程纹理、粒子系统、L系统、Fourier合成。这四种技术在本质上都是通过对动画过程的描述来完成运动的，因此，可以把它们看做过程动画。

1.3D纹理映射与过程纹理

尽管二维纹理映射技术在真实感图形生成中获得了极大的成功，可以逼真地模拟景物表面的纹理细节，但是该技术采用固定的图像来描述物体表面细节，无法对纹理细节的动态变化进行描述；同时该技术在生成复杂曲面纹理时存在对曲率变化较大区域映射变形以及对多曲面连接而成的景物进行纹理映射时会出现不连续的问题。针对这样的问题，提出了三维纹理映射方法。这种方法将三维纹理函数直接定义在三维纹理空间，通过空间嵌入直接实现纹理映射。三维纹理映射只需要将景物空间变换到三维纹理空间即可。常用的三维纹理的构建方法有两种：一种是基于离散采样的数字化纹理，但消耗的内存太大；另一种是采用数学模型直接计算生成纹理，称之为过程纹理。过程纹理一般用简单的过程迭代函数来生成。用什么迭代函数来构建纹理一般通过经验取得，所以它们都为经验模型。这类纹理映射在模拟木材、大理石、火焰等自然纹理方面取得了非常好的效果。

2.粒子系统

粒子系统是目前模拟不规则模糊物体最为成功的图形生成算法之一。自然界的许多现象，比如烟雾、火焰等中的个体存在的时间非常短暂，总是不断地进行新旧更新，或者个体较小乃至看不到，只有当个体数量达到足够多后才可见其整体效果，很难用表面建模的方法来实现。使用粒子系统，不需要去构建独立的表面，而是定义粒子系统的各种参数，系统会自动模拟产生效果。在粒子系统中，一个物体由一系列的粒子来表示，根据各自的动画，每个粒子都要经历“出生”、“运动和生长”及“死亡”三个阶段。动画中不仅可控制粒子的位置和速度，还可控制粒子的外形参数如颜色、大小、透明度等。由于粒子系统是一个有“生命”的系统，它充分体现了不规则物体的动态性和随机性，因而可产生一系列运动进化的画面，这使模拟动态的自然景色如火、云、水等成为可能，如图9-2所示。图9-2用粒子系统模拟水泡粒子系统从应用的角度可分为三类：①随机粒子系统，主要通过可控制的随机过程控制粒子属性的变化，可用来生成火、烟、灰尘、爆炸等场景图像；②结构化粒子系统，主要用来模拟具有一定结构的物体或现象，如树、草、云、彩虹等；③方向粒子系统，考虑粒子间的相互影响，粒子除了具有速度和位置等动态属性外，还必须有方向属性，可用来模拟织物、可变形物体和刚体等。粒子系统需要设定很多参数，首先要设定的是粒子系统所模拟的自然现象的类型，比如烟雾、火焰或者云彩等。不同类型的自然现象，有不同的控制参数。对于总体效果的控制，则有个体的数量、密度等参数。最后要设定粒子个体的属性，有颜色、大小、形状、生命周期等。生命周期决定个体存在时间的长短。一般来说，粒子系统的个体是不可见的或者极其简单的，只能通过调整其参数来加以控制，而无法对其个体进行自由修改。

粒子系统造型方法具有较好的适用性，用户可以根据个人爱好和不同需要设计具有个人风格的粒子系统，不必拘泥于一定的模式。

3.基于语法的造型和动画(L系统)

基于语法的造型和动画主要用于树和植物的造型，其基本思想来源于Lindenmay的称之为L系统的平行图语法规则。在L系统中，一棵植物和树的结构可表示为由一些语法规则所定义的语言中的一个语句，其语法则由一个可图示的重写规则集确定，最后基于这些规则将语句转化为图像。实际上，L系统是字符串重写系统。把字符串解释成曲线(或者更准确地称做图形)，于是只要能生成字符串，也就等于生成了图形。L系统是极其有趣的：第一，用这种方法能够生成许多经典的分形；第二，用它可以模拟植物形态，特别是能很好地表达植物的分枝结构。从一个初始串开始，将变换规则多次作用于其上，最后产生一个较长的命令串，用它来绘图。作用一次，称做一级(order)，一般说来选择的级数不宜太高，通常选2～8级，最多15级。目前该技术已经在实际中得以应用。例如植物生成器，利用数学公式自动生成各类植物，只要输入参数，如植物的类型、年龄、茂盛程度等，软件就自动创建出所要求的植物。该工具非常简单实用，在三维动画以及三维游戏中使用广泛，如图9-3所示。图9-3用L系统生成的三维树

4.Fourier合成方法

Fourier合成技术是一种非常有效的过程纹理生成技术。该技术已经成功地用于模拟水波、云彩、山脉和森林等自然景象。它通过将一系列不同频率、相位的正弦波或余弦波叠加到一起产生所需的纹理模式。一般来说，既可以在空间域也可以在频率域中合成所需的纹理。例如水波是动画设计经常要模拟的效果。一个简单而有效的方法是用正弦波，动画效果可通过对诸如振幅、相位等参数来设置。其突出的优点是速度快，可由GPU的并行处理功能来承担建模运算，但缺点是只能模拟小振幅的水波，如图9-4所示。图9-4用Fourier合成方法生成的水波9.3.4群体行为动画

群体动画创作一直是计算机动画界的一个难题。采用传统的关键帧技术创作生动逼真的人群或动物群体动画，动画师需要付出繁重的劳动，因为在群体动画创作过程中，不仅要求群体的运动协调一致，而且要求各角色分别具有独特的运动轨迹。1987年，CraigW.Reynolds提出的行为动画定性地解决了这个问题，其基本原理是，一大群个体的复杂图像能通过每个个体的简单行为和个体间的交互行为来自动生成，其中的每个个体都是一个自治的智能体(Agent)。在行为动画中，既考虑动画的真实感，也强调角色的个性。在对鸟等动物的群体行为模拟中引入了分布控制的方法论，群体行为产生于一系列简单地、独立地应用于群体每个成员的规则。这种运动既有随机性，又有一定的规律性。Reynolds指出，群体的行为包含两个对立的因素，即既要相互靠近又要避免碰撞。他用三条按优先级递减的原则来控制群体的行为：

①碰撞避免原则，即避免与相邻的群体成员相碰；

②速度匹配原则，即尽量匹配相邻群体成员的速度；

③群体合群原则，即群体成员之间尽量靠近。群体成员只对本地信息(如位置、速度、邻近成员的位置及速度等)做出反应。群体动画是对群体行为动画的简称，研究和模拟由简单个体组成的群落与环境以及个体之间的互动行为，也可称做“群智能”，如用boids或floys来模拟鱼群或鸟群的运动。通过为每个个体的行为建模，并模拟这些模型来产生一系列动态的、有目的的复杂图画。这种建模显然不同于传统计算机动画中仅对个体形状和物理属性的建模，已成为计算机动画设计中一种很具吸引力的高层建模方式。群体动画中的自主个体应具有一定的人工智能，能即兴地对其他个体、环境、玩家的化身等做出合理的反应。其发展趋势是：从简单的自主个体(仅仅是追随一些绘画轨迹)，到能敏捷地做出反应的个体，最终走向具有学习、推理、计

划能力的个体。自主个体的运动行为被分为三层：行动选择(策略、目标、计划)、行为控制(路径确定)和动作(关节动画)，如图9-5所示。动作是三层行为等级的底层，可用运动

捕获动画数据来处理。中间层行为控制包括捕捉、逃跑、障碍避让、沿路径行进、分离、结合、列队、领袖追逐等。行动选择主要为个体具备一定的智能，能够根据环境以及其他个体进行行为的策略安排等。图9-5自主个体运动行为目前，我国浙江大学对群体动画的研究和运动捕捉技术相结合，提出了基于多自主智能体的群体动画创作框架，思路如下：首先，利用运动捕获技术建立一个基本运动库;然后引入分布式人工智能体，把各动画角色作为一个独立的行为者，能通过自身的感知系统获取虚拟环境信息，接受动画师的指令，进而产生意图，规划行为，最后通过运动生成系统，从已有的基本运动库中选取合适的运动并对其进行编辑，完成行为实现意图。动画师通过拍摄群体角色的运动就能得到复杂的群体动画。

设置群体中的行为动画程序——Massive动画是StephenRegelous的成果。Massive能创造对他们的环境做出反应的人工智能角色，如图9-6所示。图9-6行为动画程序Massive制作的小精灵动画在影片《魔戒》里，该软件主要用来创建聚集了70000个正在打斗的武士的战斗场景，每个Massive角色都有自己的“大脑”。角色的大脑是用模块(输入/输出节点、控制节点和模糊逻辑节点的网络)来创建的。通常，大脑有6000～8000个这样的节点。角色们能“看见”渲染他们周围的图像的扫描线，“听见”声音的频率，并确定他们所处的位置，然后做出与人类相似的反应。每个角色都有一个特殊的大脑，因此他能做出独特的反应。他们做出反应的速度是24帧/秒。工作人员用Massive来处理影片中数千个武士，一旦从战场上出发，他们就会锁定目标(敌人)，然后开始交战，如图9-7所示。图9-7

Massive的武士开始交战在图9-7中，这些武士输进Massive时发出“嗡嗡”的叫声，这样他们就不会彼此撞击，一旦武士开始交战，他们就用视觉来确定该做出怎样的反应。此软件能“帮助”数字特技替身演员翻越陡峭的楼梯。9.3.5运动捕捉技术

在角色动画中，一般用动力学控制和运动学控制两种技术来生成人体动画，尤其是运动学中的反向运动学在三维动画软件中使用广泛。这两种控制技术都试图利用人体运动的物理规律来生成人体动画，但是由于人体运动规律的复杂性很高，特别是人体运动协调机制的模拟非常困难，因此生成的动画并不逼真，而且缺乏实际人体运动中丰富的细节信息近年来兴起的运动捕捉技术则克服了以上两种运动控制技术的缺点，成为人体动画中最具有前途的技术之一。运动捕捉技术综合运用计算机图形学、电子、机械、光学、计算机视觉、计算机动画等技术，在运动物体的关键部位设置跟踪器，捕捉跟踪器的位置，再经过计算机处理后，提供给用户可以在动画制作中应用的数据。当数据被计算机识别后，动画师即可用数据驱动三维模型，生成动画，然后很方便地在计算机产生的镜头中调整、控制运动的物体。运动捕捉后的数据可以直接调入三维动画中驱动三维模型，也可以通过第三方软件作为“中间人”进行编辑，将模型和数据在软件中进行匹配，结果直观。到目前为止，常用的运动捕捉技术从原理上可分为机械式、声学式、电磁式和光学式。同时，不依赖于专用传感器，而直接识别人体特征的运动捕捉技术也将很快走向实用。不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价：定位精度、实时性、使用方便程度、可捕捉运动范围大小、成本、抗干扰性、多目标捕捉能力。机械式运动捕捉依靠机械装置来跟踪和测量运动，典型系统由多个关节和刚性连杆组成。在可转动的关节中装有角度传感器，可以测得关节转动角度的变化情况。装置运动时，根据角度传感器所测得的角度变化和连杆的长度，可以得出杆件末端点在空间中的位置和运动轨迹。实际上，装置上任何一点的运动轨迹都可以求出，刚性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆，用位移传感器测量其长度的变化，如图9-8所示。这种方法的优点是成本低，精度也较高，可以做到实时测量，还可容许多个角色同时表演。但其缺点也非常明显，主要是使用起来非常不方便，机械结构对表演者的动作阻碍和限制很大。该技术主要用于静态造型捕捉和关键帧的确定。图9-8机械式运动捕捉设备声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。发送器是一个固定的超声波发生器，接收器一般由呈三角形排列的三个超声探头组成。通过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差，系统可以计算并确定接收器的位置和方向。Logitech、SAC等公司都生产超声波运动捕捉设备。这类装置成本较低，但对运动的捕捉有较大延迟和滞后，实时性较差，精度一般不很高，声源和接收器间不能有大的遮挡物体，受噪声和多次反射等干扰较大。由于空气中声波的速度与气压、湿度、温度有关，所以还必须在算法中做出相应的补偿。电磁式运动捕捉技术使用电磁场传感技术，发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场，在表演者身体的关键位置安置接收传感器，传感器通过电缆与数据处理单元相连。

表演者在电磁场内表演时，接收传感器也随着运动，并将接收到的信号通过电缆传送给处理单元，根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向，如图9-9所示。图9-9电磁式运动捕捉设备该技术相对机械式而言设备简单，可以完成翻滚等动作，但是它的缺点在于对环境要求严格，在表演场地附近不能有金属物品，否则会造成电磁场畸变，影响精度。系统的允许表演范围比光学式要小，特别是电缆对表演者的活动限制比较大，对于比较剧烈的运动和表演则不适用。光学式运动捕捉是目前的热门技术，在三维广告以及三维动画中使用广泛。该技术通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。通常要求表演者在身体的关键

部位贴上一些特制的标志或发光点，称为“Marker”，视觉系统识别和处理这些标志，如图9-10所示。系统定标后，相机连续拍摄表演者的动作，并将图像序列保存下来，然后再进行分析和处理，识别其中的标志点，并计算其在每一瞬间的空间位置，进而得到其运动轨迹。该技术带来的最大突破就是对表演者的限制最低，去除了机械式中机械装备以及电磁式中电缆的限制，同时可扩展性较强，但是存在的最大问题就是价格昂贵且标志点容易产生混淆，需要人工干预。图9-10光学运动捕捉设备目前对运动捕捉技术的研究非常多。运动捕捉技术能够捕捉真实的人体运动，但是就其技术本身而言是运动的复制，所获取的数据只能在特定的环境下应用，对场景改变或用户需求改变的适应能力较弱。为了提高运动捕捉数据的利用率，使之能够应用在新的场景中，满足新的用户需求，需要对运动捕捉数据进行处理。对单个运动捕捉序列进行编辑

可以合成新的运动；将两个或者多个指定的运动捕捉进行融合可以得到一些有趣的合成效果。所以运动数据的编辑和合成是现在的热门研究课题。同时，浙江大学也开始进行对如何将运动捕捉与人工智能相结合的研究工作，在群体行为动画中取得了一定的成果。在动画领域里，运动捕捉卡通动画的技术是新的热门话题。早期的二维动画曾经创造了大量优秀的动画片。运动捕捉卡通技术就是其中一种较好的方法。它可以将二维动画片中卡通动画动作捕捉下来然后重新定位给新创建的角色。该技术主要分为两部分，一部分为卡通捕捉，也就是将数字化的卡通动画转化为卡通动作；第二部分为卡通的重定向，也就是将抽取的卡通动作应用到不同的输出媒体，可以是新创建的二维角色，也可以是三维角色等。也就是说应用运动捕捉技术我们可以处理传统动画。如图9-11所示，大家可以看到取得的成果。图9-11运动捕捉卡通动画应用于三维角色目前，计算机动画领域正在不断地借用其他学科的知识。例如，与物理学的结合创建的基于物理的动画技术以及行为动画中人工智能的使用，还有过程动画中使用的L系统用来模拟树的造型。其实L系统的本质在其他学科早有应用，但是拿到动画领域给动画技术带来了新的突破。

9.4三维动画设计

三维动画的处理对象大致可分为规则对象、非规则群体对象及人物角色。针对不同的处理对象，应采用不同的动画处理技术。

9.4.1三维动画的制作过程

根据实际制作流程，一个完整的影视类三维动画的制作总体上可分为前期制作、动画片段制作与后期合成三个部分。

1．前期制作

三维动画的前期制作是指在使用计算机制作前，对动画片进行的规划与设计，主要包括：文学剧本创作、分镜头剧本创作、造型设计、场景设计。文学剧本是动画片的基础，要求将文字表述视觉化，即剧本所描述的内容可以用画面来表现，不具备视觉特点的描述(如抽象的心理描述等)是禁止的。动画片的文学剧本形式多样，如神话、科幻、民间故事等，要求内容健康、积极向上、思路清晰、逻辑合理。

分镜头剧本是把文字进一步视觉化的重要一步，是导演根据文学剧本进行的再创作，可体现导演的创作设想和艺术风格。分镜头剧本的结构是图画+文字，表达的内容包括镜头的类别和运动、构图和光影、运动方式和时间、音乐与音效等。其中每个图画代表一个镜头，文字用于说明镜头长度、人物台词及动作等内容。造型设计包括人物造型、动物造型、器物造型等，设计内容包括角色的外型设计与动作设计。造型设计的要求比较严格，包括标准造型、转面图、结构图、比例图、道具服装分解图等，通过角色的典型动作设计(如几幅带有情绪的角色动作体现角色的性格和典型动作)，并且附以文字说明来实现。造型可适当夸张、要突出角色特征，运动合乎规律。

场景设计是整个动画片中景物和环境的来源。比较严谨的场景设计包括平面图、结构分解图、色彩气氛图等，通常用一幅图来表达。

2．动画片段制作

根据前期设计，在计算机中通过相关制作软件制作出动画片段，制作流程为建模、材质、灯光、动画、摄影机控制、渲染等，这是三维动画的制作特色。

建模是动画师根据前期的造型设计，通过三维建模软件在计算机中绘制出角色模型。这是三维动画中很繁重的一项工作，需要出场的角色和场景中出现的物体都要建模。建模

的灵魂是创意，核心是构思，源泉是美术素养。通常使用的软件有3DSmax、AutoCAD、MAYA等。建模常见方式有：①多边形建模，它把复杂的模型用一个个小三角面或四边形组接在一起表示；②样条曲线建模，它是用几条样条曲线共同定义一个光滑的曲面，特性是平滑过渡性，不会产生陡边或皱纹，因此非常适合有机物体或角色的建模和动画；③细分建模，它是结合多边形建模与样条曲线建模的优点进行开发的建模方式。动画建模的特点不在于精确性，而在于艺术性，如影片《侏罗纪公园》中的恐龙模型。材质贴图中的材质即材料的质地，就是把模型赋予生动的表面特性，具体体现在物体的颜色、透明度、反光度、反光强度、自发光及粗糙程度等特性上。贴图是指把二维图片通过软件的计算贴到三维模型上，形成表面细节和结构。对具体的图片要贴到特定的位置，三维软件使用了贴图坐标的概念。一般有平面、柱体和球体等贴图方式，分别对应于不同的需求。模型的材质与贴图要与现实生活中的对象属性相一致。灯光的目的是最大限度地模拟自然界的光线类型和人工光线类型。三维软件中的灯光一般有泛光灯(如太阳、蜡烛等四面发射光线的光源)和方向灯(如探照灯、电筒等有照明方向的光源)。灯光起着照明场景、投射阴影及增添氛围的作用。通常采用三光源设置法，即一个主灯、一个补灯和一个背灯。主灯是基本光源，其亮度最高，它决定光线的方向。角色的阴影主要由主灯产生，通常放在正面的3/4处即角色正面左边或右面45°处。补灯的作用是柔和主灯产生的阴影，特别是面部区域，常放置在靠近摄影机的位置。背灯的作用是加强主体角色及显现其轮廓，使主体角色从背景中突显出来。背灯通常放置在背面的3/4处。摄影机控制是依照摄影原理在三维动画软件中使用摄影机工具，实现分镜头剧本设计的镜头效果。画面的稳定、流畅是使用摄影机的第一要素。摄影机功能只有情节需要才使用，不是任何时候都使用。摄影机的位置变化也能使画面产生动态效果。

动画是根据分镜头剧本与动作设计，运用已设计的造型在三维动画制作软件中制作出一个个动画片段。动作与画面的变化通过关键帧来实现，设定动画的主要画面为关键帧，关键帧之间的过渡由计算机来完成。三维软件大都将动画信息以动画曲线来表示。动画曲线的横轴是时间(帧)，竖轴是动画值，可以从动画曲线上看出动画设置的快慢急缓、上下跳跃。如3DSmax的动画曲线编辑器就可以通过调整曲线来设置运动的不同状态。三维动画的动是一门技术，其中人物说话的口型变化、喜怒哀乐的表情、走路动作等都要符合自然规律，制作要尽可能细腻、逼真，因此，动画师要专门研究各种事物的运动规律。如果需要，可参考声音的变化来制作动画，如根据讲话的声音制作讲话的口型变化，使动作与声音协调。对于人的动作变化，系统提供了骨骼工具，通过蒙皮技术，将模型与骨骼绑定，易产生合乎人的运动规律的动作。渲染是指根据场景的设置、赋予物体的材质和贴图、灯光等，由程序绘出一幅完整的画面或一段动画。三维动画必须渲染才能输出，造型的最终目的是得到静态或动画效果图，而这些都需要渲染才能完成。渲染由渲染器完成，渲染器有线扫描方式(Line-scan)、光线跟踪方式(Ray-tracing)以及辐射度渲染方式(Radiosity，如Lightscape渲染软件)等，其渲染质量依次递增，但所需时间也相应增加。较好的渲染器有Softimage公司的MetalRay和Pixal公司的RenderMan(MAYA软件也支持RenderMan渲染输出)。通常输出为AVI类的视频文件。动画制作是3DSmax中最难掌握的环节，由于所有的设置都要经过长时间的计算才能成功(例如，一张画面的渲染需要20s，则短短30s的动画成品，等待渲染计算的时间就长达300s)。动画摄制完成后，如果不需要进行进一步的特效制作，便可将设置的效果直接通过渲染程序输出为动画。

常用的动画特效技术包括：

·关键帧管理：包括关键帧精简、功能曲线、松驰和乘子曲线、超出范围的循环、声音调和、匀速、文字注释、时间标记、对象选择、列表过滤器、基于时间的编辑和关键帧随机化。

·表达式：表达式将动态参考动画轨迹作为变量以建立对象参数间的动态关系。

·反向运动学关节约束：包括放松、优先和6自由度的阻尼控制，交互的实时IK解决方案支持层级、固定对象、跟随对象、封闭环求解和约束。

·刚体动力学：刚体动力学对象有弹力、静摩擦和动摩擦属性，可以在重力、风力、马达力和推力的作用下进行碰撞和滑动。

3．后期合成

影视类三维动画的后期合成，主要是将之前所做的动画片段、声音等素材，按照分镜头剧本的设计，通过非线性编辑软件的编辑，最终生成动画影视文件。三维动画的制作是以多媒体计算机为工具，综合文学、美工美学、动力学、电影艺术等多学科的产物。实际操作中要求多人合作，大胆创新、不断完善，紧密结合社会现实，反映人们的需求，倡导正义与和谐。9.4.2动画实例

例9-1江苏科技大学宣传片片头动画设计(丝带舞动动画)。要求以明珠为背景，两条写着文字的金属色丝带围绕明珠舞动。

【设计过程】

江苏科技大学宣传片片头动画设计采用的是关键帧技术。主要步骤包括：创建丝带舞动的路径；丝带与文字的创建；丝带舞动动画的制作；材质的贴图；丝带舞动场景动画。

1．前期设计

江苏科技大学宣传片的片头脚本设计思想：开场主要以火红的颜色来表现校庆的热烈场面，并能够突出江苏科技大学的校名，给人震撼、华丽的视觉感受。根据上述脚本思想，在场景中设计了两个写有“江苏科技大学”文字的红色丝带，这样来突出江苏科技大学的校名，在场景中央设置一个红色的明珠，象征着学校像一颗明珠一样冉冉升起。使用两条红色丝带在明珠前舞动，来表现欢庆的场面。

丝带制作中为了映衬明珠的光感，要体现出一定的透明度，并且丝带在自身扭转时还要体现出一定的金属质感。同时，为了让它在明珠前舞动，要给它设定一个路径。

2．动画片段制作

(1)舞动丝带的制作。创建丝带舞动的路径：在制作丝带舞动片头动画之前，要在草图上简要绘制想要达到的动画效果，即丝带舞动的路径，然后再开始创建。由于丝带的舞动轨迹是光滑且可以任意变化的，因此，其造型方法采用NURBSCurves(非均匀的有理B样条)曲线类型，这种样条曲线的突出特点是便于进行局部细节的修改。

在平面图形层级，设置丝带舞动的路径，然后在交互界面中对其运动轨迹进行调整，使之产生立体效果，如图9-12所示。图9-12丝带舞动的路径

(2)丝带与文字的创建。由于在图形动画系统中，图形对象与文字对象需要分别进行处理，因此，本动画的丝带与文字不可能在同一个层中，需要分别在不同层级进行创建。然后通过调整它们在各个视图窗口中的位置，使它们尽量靠在一起。

丝带是在扩展几何体层级中进行创建，方法是创建一个切角方体，并设置相应参数。文字是在平面图形层级的Splines层级中进行创建，添加文本“江苏科技大学”，并设置字体参数，使其可渲染，这样制作的线框文字就可以正常渲染了。然后在LEFT视图中将文字移动到切角方体的上方，并尽量靠近，如图9-13所示。图9-13丝带与文字的创建

(3)丝带舞动动画的制作。因为丝带在舞动的过程中会自身扭转，所以在制作的时候，舞动的同时还要调整丝带自

身的扭转角度。

制作方法是，首先选择丝带模型，设置其路径变形，然后将绘制的路径曲线赋给丝带模型，这时丝带就添加到路径的起点上了，调整其参数使其能够自旋转并自扭曲。接着，采用自动关键帧技术设计丝带的舞动动画，先设置关键帧的第0帧及丝带的百分比初值，再设置关键帧的最后一帧，并设置其丝带的终值百分比，让自动关键帧记录下刚才设置好的动画参数，按下播放按钮,丝带就已经舞动起来了。为了使文字与丝带保持同样的舞动效果，将丝带的路径变形也同样赋给文字,使它们产生同步的变换效果。观看效果，如图9-14所示。图9-14丝带舞动动画

(4)材质的贴图。为了使绘制的丝带有真实布料的感觉，需采用材质贴图技术。材质贴图就是利用一些相关的图片将其贴在丝带的表面。材质贴图的方法是利用镜像复制文字和丝带，与原来的成YZ轴对称，再截取一张黄色绸带图片的部分，将它添加到材质库中，并将该材质赋予丝带，同时调整丝带的内发光效果。设置完成的丝带和文字的材质效果如图9-15所示。图9-15截取图片部分设置材质

(5)丝带舞动场景动画的实现。丝带舞动动画中主要采用的是关键帧控制特效。通过对起始点关键帧上所对应丝带位置的调整，设置动画自动生成播放，由于丝带已经绑定在路径上，所以丝带就沿着路径自动扭转舞动起来了。最后在渲染的时候设置它的渲染帧数为120，导出格式为AVI格式，于是这个动画就生成了120张连续的图片在相应的时间里快速播放，形成了视频动画效果。具体操作方法如下：

在自动关键帧中打开动画记录，将滑块拖动到起始帧，在命令面板上设置其百分比参数。然后再拖动滑块到第100帧，设置终值百分比参数，关闭动画记录，进行动画播放，丝带的舞动动画就表现出来了。将丝带的WSM拖动到文字上，即将丝带的路径变形也同样赋给文字，使它们产生同样的变形。拖动动画滑块观看效果。最后选择一幅位图“红色明珠”作为背景并进行渲染。最终效果如图9-16所示。图9-16丝带舞动动画效果图

例9-2会议场景巡览动画。要求当片头动画结束后，进入座谈会议室，并可以对会议室进行多角度巡览。

【设计过程】

主要利用三维与镜头相结合的方式，使得宣传片的效果更引人入胜。会议场景巡览主要包括以下几个步骤：创建摄影机；调整摄影机的注视视角；设置摄影机的移动轨迹；镜

头移动动画的实现。

1．前期设计

会议场景是与前面丝带舞动动画相结合的，它的设计主要是以镜头的视角来观看会议室里的场景。通过镜头跟随的方式，由近及远，然后逐渐绕场一周，完成观看场景全局的效果。其中玻璃幕墙材质、会议室挂图、灯光等效果都要细化。

2．动画片段制作

(1)创建摄影机。在已经建好模的基础上，为了达到以一个固定点来观看的效果，需要创建摄影机。首先要设计好一个适当的位置来安放摄影机。制作好会议室场景模型，在前视图上创建自由摄影机，然后将刚才创建的摄影机转换为视图摄影机，如图9-17所示。图9-17创建摄影机

(2)调整摄影机的注视视角。为了使摄影机始终保持直对屏幕，要给摄影机指定注视约束控制器。在进行注视约束

控制前，为了便于快速生成浏览对象，需要先取消透视图的材质贴图。然后，设置注视约束目标，方法是在顶视图中选择屏幕对象，给摄影机添加注视目标对象，同时调整摄影机的注视轴，这样摄影机的镜头就始终对着屏幕了，如图9-18所示。图9-18添加注视约束目标

(3)设置摄影机的移动轨迹。为了让摄影机绕着会议桌旋转着观看屏幕，首先要绘制一条路径，然后让摄影机围绕

着这条路径移动。本系统采用在顶视图中绘制一条绕着椅子后方旋转的曲线。在线的起点添加一个虚拟对象，设置路径约束，选择曲线为约束对象，使虚拟对象沿着这条曲线运动。观看虚拟对象的运动情况。选定摄影机，使它对齐虚拟对象，设置对齐方式为x、y轴中心点对齐，然后将摄影机与虚拟对象链接，拖动时间轴可以看到它按照刚才虚拟对象的运动轨迹开始运动，如图9-19所示。图9-19设置摄影机的运动轨迹接着，通过层次面板适当调节摄影机的高度等，最后进行渲染。

(4)镜头移动动画的实现。在会议室巡览动画中主要采用的也是关键帧控制特效。但与丝带舞动不同的是，它的路径是通过指定给虚拟对象而实现的，通过对虚拟对象关键帧上位置的调整，以达到让它沿路径运动的效果。最后将摄影机绑定在虚拟对象上就可以让摄影机随对象一起运动了。这时的虚拟对象就像是载着摄影机的人在轨道上行走，让本来不会动的摄影机也可以运动自如了。最后在渲染的时候设置它的渲染帧数为200，导出格式为AVI格式。具体操作方法如下：

在顶视图中创建一条绕着椅子后方旋转的曲线。在线的起点添加一个虚拟对象，选择曲线为约束对象，使虚拟对象沿着这条曲线运动。点击时间轴，观看虚拟对象的运动情况。选定摄影机，点击对齐虚拟对象，设置对齐方式为x、y轴中心点对齐，然后将摄影机与虚拟对象链接，拖动时间轴可以看到它按照刚才虚拟对象的运动轨迹开始运动。观看效果，如图9-20所示。图9-20会议室巡览动画效果图

例9-3群体蝙蝠飞舞动画场景。要求模拟电影《蝙蝠侠》中一群蝙蝠在城堡边飞翔盘旋的场景。

【设计过程】

蝙蝠飞舞主要是利用粒子系统来实现的非规则群体运动。主要包括以下几个步骤：添加摄影机、创建蝙蝠群、蝙蝠群飞舞动画的实现。

在影视片中，拍摄过程中有时达不到场景中所需的那么奇异、宏伟的效果，且采用摄像机拍摄的人力、财力成本很高。这时就需要利用3D不规则的群体动画来制作一些特效添加到场景中，以弥补场景的不足。采用传统的关键帧技术生成人群或动物群体动画的难度是非常大的，因为在群体动画创作过程中，不仅要求群体的运动协调一致，而且要求各角色分别具有独特的运动轨迹。

1．前期设计

在影片《蝙蝠侠》中，夜空中一群蝙蝠在城堡边飞翔盘旋，这样的场景不是摄影机随时可以拍到的，为了满足影片的需求，就需要制作一个群体蝙蝠飞舞的动画特效。蝙蝠飞舞场景动画的脚本首先要设计一个孤立的城堡和一群蝙蝠，并设定这群蝙蝠的运动协调及各自的运动轨迹，然后设置它们在空中一定范围内时聚时散地盘旋。对于动画中的蝙蝠不要求看得非常清晰，但数量必须比较多，并且在盘旋飞舞的过程中要有一个相对的位移变化。

2．动画片段制作

(1)添加摄影机。为了使蝙蝠在城堡旁飞翔，需要选择好一个固定的视角，而视角的设定就是添加摄影机。导入制作好的场景图片城堡，放置好摄影机，使得镜头拍到的是城堡的一部分，而主要的方向是天空，如图9-21所示。图9-21为场景图片添加摄影机

(2)创建蝙蝠群。由于蝙蝠是一个非规则的群体，所以其制作主要采用粒子系统来创建。同时为了使它们在一个界定的范围内飞行，还需要通过设置一个球形体来控制它们。

在场景中创建粒子系统，并选择对象类型为PFSource，设计一个粒子矩形，然后分别调整这个矩形所在立面中的位置。在修改器中再创建一个球体，并调整球体的大小，使其将刚才所创建的粒子群包含在内，这样就给蝙蝠设定了一个飞行范围。然后在粒子视图中分别改变粒子的参数，来设定蝙蝠飞行的姿态和飞行距离。最后为粒子添加蝙蝠图形和材质，如图9-22所示。 图9-22创建蝙蝠粒子群

(3)蝙蝠群飞舞动画的实现。蝙蝠盘旋动画效果主要是利用粒子系统来实现的非规则群体运动。除了在时间轴上设置时间让动画在规定时间内播放外，主要还是依靠在粒子系统设置的缩放参数来调整蝙蝠盘旋时的聚拢和分散的效果，同时，蝙蝠自身还有一定的飞行姿态，这就使得动画的效果更加逼真生动。制作完成后渲染时设置帧数为