計算機(jī)圖形學(xué)第十二章計算機(jī)動畫技術(shù).ppt

1,計算機(jī)動畫技術(shù)概述一、計算機(jī)動畫定義計算機(jī)動畫技術(shù)將圖形、圖案和畫面或者其中一部分顯示在屏幕上，并且照一定規(guī)律或預(yù)定要求在屏幕上移動、變換，從而使計算機(jī)顯示出圖形動態(tài)變化。計算機(jī)動畫是計算機(jī)科學(xué)，尤其是計算機(jī)圖形技術(shù)與傳統(tǒng)動畫藝術(shù)的結(jié)合，所以計算機(jī)動畫技術(shù)是傳統(tǒng)動畫和計算機(jī)圖形學(xué)二者結(jié)合而產(chǎn)生的新東西。,2,計算機(jī)動畫技術(shù)概述二、計算機(jī)動畫發(fā)展歷史計算機(jī)動畫技術(shù)可以看作計算機(jī)圖形學(xué)的綜合應(yīng)用。包括圖形生成（二維、三維）尤其是真實感圖形生成技術(shù)。計算機(jī)圖形學(xué)與計算機(jī)動畫不同，計算機(jī)動畫屬于四維空間（三維加上時間），而計算機(jī)圖形學(xué)只限于三維空間。,計算機(jī)動畫最初產(chǎn)生和發(fā)展與傳統(tǒng)動畫制作有著密切關(guān)系。（1）1963年，Bell實驗室，E.Zajac用計算機(jī)制作世界上第一部動畫片。,3,（2）60年代期間，美國一些公司、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)開發(fā)二維動畫系統(tǒng)，用計算機(jī)實現(xiàn)中間畫面制作（關(guān)鍵幀）和自動著色。（3）在70年代初期，開始研制三維輔助動畫系統(tǒng)，如美國Ohio州立大學(xué)的D.Zelter等人完成可明暗著色的系統(tǒng)。,（4）70年代期間至80年代初，隨著計算機(jī)圖形學(xué)理論發(fā)展，尤其三維物體造型發(fā)展，人們研究計算機(jī)三維造型動畫系統(tǒng)。（5）80年代，研究動畫生成一些三維系統(tǒng)，如關(guān)鍵參數(shù)插值法、運(yùn)動學(xué)算法和動力學(xué)算法等。（6）80年代末進(jìn)入90年代后，多種不同動畫軟件出現(xiàn)，如3DS，Animator等。,4,三、傳統(tǒng)動畫與計算機(jī)動畫1、傳統(tǒng)動畫生成過程（1）動畫定義動畫意義是“animator”世界著名動畫藝術(shù)家，美國人約翰.哈斯指出，“運(yùn)動是動畫本質(zhì)”，也有人說“動畫是運(yùn)動藝術(shù)”，總之,動畫與運(yùn)動是分不開的。,（2）動畫原理例如在電影院看電影或在家里看電視時，畫面上人物動作是流暢、自然和連續(xù)的，但是仔細(xì)看一段電影膠片時，觀察每一畫面并不連續(xù)。只有以一定速率投影在銀幕上才會有運(yùn)動視覺效果。這種觀察可由視覺殘留（persistentofvision）原理來理解。,5,（3）傳統(tǒng)動畫片生產(chǎn)過程,1）劇本不帶畫面的整個故事的詳細(xì)敘述，反映動畫片大致概貌與鏡頭的劇本，如同故事片一樣2）設(shè)計稿對動畫片中出現(xiàn)多種角色選型、動作、色彩、氣氛等設(shè)計，實際上完成手稿圖工作3）聲音節(jié)拍傳動作必須與對話聲音相配合、協(xié)調(diào)一致4）關(guān)鍵幀動畫處理中關(guān)鍵幀（也稱原畫）由經(jīng)驗豐富的動畫設(shè)計者完成，通常時一個設(shè)計者完成某個角色,6,（3）傳統(tǒng)動畫片生產(chǎn)過程,5）中間畫中間畫時那些位于兩個關(guān)鍵幀之間的畫面，中間畫也叫做動畫。中間畫由輔助動畫設(shè)計者及其助手完成。6）測試原動畫初稿通常是鉛筆稿圖，當(dāng)初步測定造型和動作。可將這些圖輸入動畫測試器進(jìn)行測試，這一過程稱鉛筆稿測試7）描線上墨將鉛筆稿圖手描在透明片上，或用照相機(jī)制板方法印在透明片上，然后描線上墨,7,8）上色給多幅畫面在透明片上涂上顏料9）檢查動畫設(shè)計者在拍攝之前再次檢查各鏡頭動作質(zhì)量10）拍攝這一工序在動畫攝制機(jī)上完成。動畫攝影師把動畫系統(tǒng)通過拍攝依次記錄在膠片上11）后期制作編輯、剪接、對白、配音、剪帶等后期制作工序是必不可少的由上述可見傳統(tǒng)動畫周期長、費(fèi)時費(fèi)力，一部10分鐘的美術(shù)片，大約要4個月左右時間，若是精品要一年時間才可完成。若用計算機(jī)制作動畫可省略許多環(huán)節(jié)。,（3）傳統(tǒng)動畫片生產(chǎn)過程,8,（4）計算機(jī)動畫技術(shù)特點(diǎn)1）可自動在兩張畫（關(guān)鍵幀）畫出中間畫，只要輸入兩副原始和終止關(guān)鍵幀，可自動生成中間畫2）對每副畫可以按照需要進(jìn)行補(bǔ)充和修改，使動作流暢、造型統(tǒng)一3）可自動描線上色4）可直接輸出到錄像機(jī)5）真實感強(qiáng),9,四、計算機(jī)動畫應(yīng)用1、電影電視動畫片制作2、商品電視廣告3、計算機(jī)輔助教學(xué)演示4、飛行員模擬訓(xùn)練5、指揮調(diào)度演習(xí)6、工業(yè)過程實時監(jiān)測仿真7、模擬產(chǎn)品檢驗或?qū)嶒?、醫(yī)療診斷9、游戲軟件,10,五、計算機(jī)動畫研究內(nèi)容和應(yīng)用前景研究內(nèi)容：1、關(guān)鍵幀動畫2、基于機(jī)械學(xué)的動畫和工業(yè)過程動畫仿真3、運(yùn)動和路徑的控制4、動畫語言與語義5、基于智能的動畫，機(jī)械人與動畫6、動畫系統(tǒng)用戶界面7、科學(xué)可視化計算機(jī)動畫表現(xiàn)8、特技效果，合成演員9、語言、音響合成，錄制技術(shù),11,應(yīng)用前景：1、計算機(jī)動畫與多媒體技術(shù)2、計算機(jī)動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)3、計算機(jī)動畫與人工生命,12,計算機(jī)動畫分類和原理一、計算機(jī)動畫分類1、計算機(jī)輔助動畫（二維動畫）傳統(tǒng)卡通動畫先畫出兩個關(guān)鍵幀，然后在中間插入一系列畫。計算機(jī)二維動畫是用計算機(jī)生成中間一系列畫。二維動畫還有缺點(diǎn)，計算機(jī)不可能根據(jù)劇本自動生成關(guān)鍵幀。,13,計算機(jī)動畫分類和原理一、計算機(jī)動畫分類2、計算機(jī)生成動畫（三維動畫）如果說二維動畫對應(yīng)于傳統(tǒng)卡通動畫，那么三維動畫對應(yīng)于木偶動畫。木偶動畫首先制作木偶、道具和景物，三維動畫首先建立角色、實物和景物三維數(shù)據(jù)。這里說的三維物體畫面也是由二維象素點(diǎn)陣組成，只不過看起來象三維，但三維更具有真實性、真實感和立體性。,14,二、計算機(jī)動畫原理1、關(guān)鍵幀動畫是通過一組關(guān)鍵幀或關(guān)鍵參數(shù)值而得到中間動畫幀序列（1）形狀插值：從關(guān)鍵幀本身而得到中間動畫幀（2）關(guān)鍵參數(shù)插值：通過插值物體模型關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值來獲得中間動畫。2、算法動畫算法動畫由算法實現(xiàn)，一般適用于三維情形。,15,（1）運(yùn)動學(xué)算法：由運(yùn)動學(xué)方程確定物體的運(yùn)動軌跡和速率。（2）動力學(xué)算法：由力學(xué)方程確定物體運(yùn)動形式（3）反向運(yùn)動學(xué)算法：已知鏈接物末端位置和狀態(tài)，反求運(yùn)動方程以確定運(yùn)動形式。（4）反向動力學(xué)算法：已知鏈接物末端位置和狀態(tài)，反求動力學(xué)方程以確定運(yùn)動形式。（5）隨機(jī)運(yùn)動算法：在某些場合下加進(jìn)運(yùn)動控制隨機(jī)因素。,2、算法動畫算法動畫由算法實現(xiàn)，一般適用于三維情形。,16,算法動畫是指按照物理或化學(xué)等自然規(guī)律對運(yùn)動進(jìn)行控制的方法、針對不同類型物體的運(yùn)動方式，從簡單的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動到復(fù)雜的渦流、有機(jī)分子碰撞等，一般按物體運(yùn)動的復(fù)雜程度分為質(zhì)點(diǎn)、剛體、可變軟組織、鏈接物、變化物等類型、也可以按解析式定義物體。用算法控制運(yùn)動的過程包括：給定環(huán)境描述、環(huán)境中的物體造型、運(yùn)動規(guī)律、計算機(jī)通過算法生成動畫幀。目前針對剛體和鏈接物已開發(fā)了不少較成熟算法，對軟組織和群體運(yùn)動控制方面也做了不少工作。,2、算法動畫算法動畫由算法實現(xiàn)，一般適用于三維情形。,17,一、畫擦畫方法二、異或運(yùn)算法三、塊動畫法四、多頁面切換動畫方法五、圖形變換動畫法六、逐幀動畫法七、函數(shù)式動畫技術(shù),計算機(jī)動畫生成方法動畫片中每一序列實際上是一幅幅完全靜止的畫面在快速展示時，使人產(chǎn)生不斷運(yùn)動的感覺。這些一幅幅畫面或由藝術(shù)家人工畫好，通過圖形輸入設(shè)備輸入計算機(jī)，或者結(jié)合生成。,18,一、畫擦畫方法原理：先畫某一瞬間的圖形擦去該圖形再畫下一個瞬間圖形再擦去這樣，畫擦畫使得圖形動起來,優(yōu)點(diǎn)：實現(xiàn)簡單,缺點(diǎn)：1、復(fù)雜圖形畫擦畫時間長，效果差2、在擦除前一幅圖上運(yùn)動部分圖形時，往往會蔣重疊在其上的不動的那一部分圖形也擦去，影響動畫效果,19,二、異或運(yùn)算法（也稱XOR動畫法）,XOR運(yùn)算的一個重要特性就是它的“還原”作用。對屏幕進(jìn)行第一次XOR操作可以使像素值發(fā)生改變，顯示一幅圖像；再一次XOR操作可以清除前一幅圖像，把像素值還原回來。利用XOR運(yùn)算的“還原”特性可以在屏幕上對一個運(yùn)動物體連續(xù)作XOR運(yùn)算，而不必?fù)?dān)心背景圖形的儲存與還原問題。如果將此特性運(yùn)用到動畫技術(shù)上，即在動態(tài)物體的同一顯示位置上連續(xù)進(jìn)行兩次XOR運(yùn)算，然后在下一顯示位置作同樣操作，如此反復(fù)進(jìn)行，就使前景運(yùn)動圖形產(chǎn)生了動畫效果。,優(yōu)點(diǎn)是前景動畫圖形的涂抹不影響背景圖形。,20,三、塊動畫法只改變屏幕中前景運(yùn)動物體在畫面中位置，而其背景及動畫物體形狀不變?nèi)纾喝嗽煨l(wèi)星繞地球運(yùn)動,四、多頁面切換動畫方法對于某些顯示方法，其顯示模式允許1個以上顯示頁面一頁：是主顯示頁，顯示圖形另一頁：是工作頁，準(zhǔn)備顯示圖形工作原理：開始一幅圖先顯示，多幅圖在工作頁上。第一次工作頁變顯示頁，顯示圖，另一顯示頁又變工作頁，放另一圖形。這樣來回地擦，可以顯示動畫圖形。,21,五、圖形變換動畫法利用圖形變換功能，例：二維變?nèi)S，三維立方體變?nèi)S棱錐體，通過變換過程顯示動畫功能，如將一個立方體逐漸拉開并壓制成一個三棱錐的動畫過程。如果計算機(jī)計算速度塊，構(gòu)成動畫效果較好,六、逐幀動畫法逐幀動畫基本原理類似于幻燈片制作與播放過程將屏幕上顯示一幅幅圖象存放在一個文件中，然后按順序不斷讀取和播放這些畫面，產(chǎn)生動畫效果。,22,七、函數(shù)式動畫技術(shù)利用數(shù)學(xué)函數(shù)和數(shù)學(xué)方程式，根據(jù)自變量和因變量關(guān)系，讓自變量逐漸增加或減少，進(jìn)行連續(xù)變化，從而獲得圖形連續(xù)變化。,例如：利用圓繪制方程可以得到以下幾種不同動畫效果1、水波和電波發(fā)射固定圓心讓半徑以一定特定步長增值。2、旋轉(zhuǎn)球體利用圖形旋轉(zhuǎn)變換，可以讓圓型圖形在三維空間中沿各個方向，繞多種旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)變化加上球體色彩、條紋、陰暗等，也就可以形成簡單的函數(shù)動畫。,23,3、氣球和氣泡,利用圓的方程構(gòu)成球體。加上明暗效果和透明體光照效果，就可以形成氣球和氣泡