計算機圖形學第十二章計算機動畫技術課件

計算機動畫技術概述二、計算機動畫發(fā)展歷史

計算機動畫技術可以看作計算機圖形學的綜合應用。包括圖形生成（二維、三維）尤其是真實感圖形生成技術。計算機圖形學與計算機動畫不同，計算機動畫屬于四維空間（三維加上時間），而計算機圖形學只限于三維空間。計算機動畫最初產(chǎn)生和發(fā)展與傳統(tǒng)動畫制作有著密切關系。（1）1963年，Bell實驗室，E.Zajac用計算機制作世界上第一部動畫片。1計算機動畫技術概述計算機動畫最初產(chǎn)生和發(fā)展與傳統(tǒng)動畫制作有著（2）60年代期間，美國一些公司、研究機構和大學開發(fā)二維動畫系統(tǒng)，用計算機實現(xiàn)中間畫面制作（關鍵幀）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，隨著計算機圖形學理論發(fā)展，尤其三維物體造型發(fā)展，人們研究計算機三維造型動畫系統(tǒng)。（5）80年代，研究動畫生成一些三維系統(tǒng)，如關鍵參數(shù)插值法、運動學算法和動力學算法等。（6）80年代末進入90年代后，多種不同動畫軟件出現(xiàn)，如3DS，Animator等。2（2）60年代期間，美國一些公司、研究機構和大學開發(fā)二（4）三、傳統(tǒng)動畫與計算機動畫1、傳統(tǒng)動畫生成過程（1）動畫定義動畫意義是“animator”世界著名動畫藝術家，美國人約翰.哈斯指出，“運動是動畫本質(zhì)”，也有人說“動畫是運動藝術”，總之,動畫與運動是分不開的。（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動視覺效果。這種觀察可由視覺殘留（persistentofvision）原理來理解。3三、傳統(tǒng)動畫與計算機動畫（2）動畫原理3（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）設計稿對動畫片中出現(xiàn)多種角色選型、動作、色彩、氣氛等設計，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）關鍵幀動畫處理中關鍵幀（也稱原畫）由經(jīng)驗豐富的動畫設計者完成，通常時一個設計者完成某個角色4（3）傳統(tǒng)動畫片生產(chǎn)過程1）劇本4（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鍵幀之間的畫面，中間畫也叫做動畫。中間畫由輔助動畫設計者及其助手完成。6）測試原動畫初稿通常是鉛筆稿圖，當初步測定造型和動作?？蓪⑦@些圖輸入動畫測試器進行測試，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，或用照相機制板方法印在透明片上，然后描線上墨5（3）傳統(tǒng)動畫片生產(chǎn)過程5）中間畫58）上色給多幅畫面在透明片上涂上顏料9）檢查動畫設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、費時費力，一部10分鐘的美術片，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68）上色（3）傳統(tǒng)動畫片生產(chǎn)過程6（4）計算機動畫技術特點1）可自動在兩張畫（關鍵幀）畫出中間畫，只要輸入兩副原始和終止關鍵幀，可自動生成中間畫2）對每副畫可以按照需要進行補充和修改，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5）真實感強77四、計算機動畫應用1、電影電視動畫片制作2、商品電視廣告3、計算機輔助教學演示4、飛行員模擬訓練5、指揮調(diào)度演習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8四、計算機動畫應用8五、計算機動畫研究內(nèi)容和應用前景研究內(nèi)容：1、關鍵幀動畫2、基于機械學的動畫和工業(yè)過程動畫仿真3、運動和路徑的控制4、動畫語言與語義5、基于智能的動畫，機械人與動畫6、動畫系統(tǒng)用戶界面7、科學可視化計算機動畫表現(xiàn)8、特技效果，合成演員9、語言、音響合成，錄制技術9五、計算機動畫研究內(nèi)容和應用前景9應用前景：1、計算機動畫與多媒體技術2、計算機動畫與虛擬現(xiàn)實技術3、計算機動畫與人工生命1010計算機動畫分類和原理一、計算機動畫分類1、計算機輔助動畫（二維動畫）傳統(tǒng)卡通動畫先畫出兩個關鍵幀，然后在中間插入一系列畫。計算機二維動畫是用計算機生成中間一系列畫。二維動畫還有缺點，計算機不可能根據(jù)劇本自動生成關鍵幀。11計算機動畫分類和原理11計算機動畫分類和原理一、計算機動畫分類2、計算機生成動畫（三維動畫）如果說二維動畫對應于傳統(tǒng)卡通動畫，那么三維動畫對應于木偶動畫。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。12計算機動畫分類和原理12二、計算機動畫原理1、關鍵幀動畫是通過一組關鍵幀或關鍵參數(shù)值而得到中間動畫幀序列（1）形狀插值：從關鍵幀本身而得到中間動畫幀（2）關鍵參數(shù)插值：通過插值物體模型關鍵參數(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。1313（1）運動學算法：由運動學方程確定物體的運動軌跡和速率。（2）動力學算法：由力學方程確定物體運動形式（3）反向運動學算法：已知鏈接物末端位置和狀態(tài)，反求運動方程以確定運動形式。（4）反向動力學算法：已知鏈接物末端位置和狀態(tài)，反求動力學方程以確定運動形式。（5）隨機運動算法：在某些場合下加進運動控制隨機因素。2、算法動畫算法動畫由算法實現(xiàn)，一般適用于三維情形。14（1）運動學算法：由運動學方程確定物體的運動軌跡和速率。2、算法動畫是指按照物理或化學等自然規(guī)律對運動進行控制的方法、針對不同類型物體的運動方式，從簡單的質(zhì)點運動到復雜的渦流、有機分子碰撞等，一般按物體運動的復雜程度分為質(zhì)點、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。用算法控制運動的過程包括：給定環(huán)境描述、環(huán)境中的物體造型、運動規(guī)律、計算機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。15算法動畫是指按照物理或化學等自然規(guī)律對運動進行控制的方法、針一、畫－擦－畫方法二、異或運算法三、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)式動畫技術計算機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)生不斷運動的感覺。這些一幅幅畫面或由藝術家人工畫好，通過圖形輸入設備輸入計算機，或者結合生成。16一、畫－擦－畫方法16一、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：實現(xiàn)簡單缺點：1、復雜圖形畫－擦－畫時間長，效果差 2、在擦除前一幅圖上運動部分圖形時，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17一、畫－擦－畫方法優(yōu)點：實現(xiàn)簡單缺點：1、復雜圖形畫－擦－畫二、異或運算法（也稱XOR動畫法）XOR運算的一個重要特性就是它的“還原”作用。對屏幕進行第一次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運算的“還原”特性可以在屏幕上對一個運動物體連續(xù)作XOR運算，而不必擔心背景圖形的儲存與還原問題。如果將此特性運用到動畫技術上，即在動態(tài)物體的同一顯示位置上連續(xù)進行兩次XOR運算，然后在下一顯示位置作同樣操作，如此反復進行，就使前景運動圖形產(chǎn)生了動畫效果。優(yōu)點是前景動畫圖形的涂抹不影響背景圖形。

18XOR運算的一個重要特性就是它的“還原”作用。對屏幕三、塊動畫法只改變屏幕中前景運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。19三、塊動畫法四、多頁面切換動畫方法19五、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。如果計算機計算速度塊，構成動畫效果較好六、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。20五、圖形變換動畫法六、逐幀動畫法20七、函數(shù)式動畫技術利用數(shù)學函數(shù)和數(shù)學方程式，根據(jù)自變量和因變量關系，讓自變量逐漸增加或減少，進行連續(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、旋轉球體利用圖形旋轉變換，可以讓圓型圖形在三維空間中沿各個方向，繞多種旋轉軸旋轉變化加上球體色彩、條紋、陰暗等，也就可以形成簡單的函數(shù)動畫。21七、函數(shù)式動畫技術例如：利用圓繪制方程可以得到以下幾種不同動3、氣球和氣泡利用圓的方程構成球體。加上明暗效果和透明體光照效果，就可以形成氣球和氣泡的動作，可以隨機地在任何位置，以任意點作起始圓心，以一個隨機值（或者給定值）作為半徑，繪制出一個個的透明或者不透明的球體，然后每個球體根據(jù)自身大?。ò霃街荡笮。Q定其上升速度，球體本身也逐漸增大其半徑，到上升的球體接觸到屏幕頂部或半徑增大到一定程度，該球體消失（爆裂），形成球體混合碰撞動畫效果。在實際應用中，經(jīng)常將各種動畫方法組合起來使用。組合動畫將產(chǎn)生比單一技術動畫更為滿意的效果。

223、氣球和氣泡利用圓的方程構成球體。加上明暗效果和透明體光照計算機動畫技術概述二、計算機動畫發(fā)展歷史

計算機動畫技術可以看作計算機圖形學的綜合應用。包括圖形生成（二維、三維）尤其是真實感圖形生成技術。計算機圖形學與計算機動畫不同，計算機動畫屬于四維空間（三維加上時間），而計算機圖形學只限于三維空間。計算機動畫最初產(chǎn)生和發(fā)展與傳統(tǒng)動畫制作有著密切關系。（1）1963年，Bell實驗室，E.Zajac用計算機制作世界上第一部動畫片。23計算機動畫技術概述計算機動畫最初產(chǎn)生和發(fā)展與傳統(tǒng)動畫制作有著（2）60年代期間，美國一些公司、研究機構和大學開發(fā)二維動畫系統(tǒng)，用計算機實現(xiàn)中間畫面制作（關鍵幀）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，隨著計算機圖形學理論發(fā)展，尤其三維物體造型發(fā)展，人們研究計算機三維造型動畫系統(tǒng)。（5）80年代，研究動畫生成一些三維系統(tǒng)，如關鍵參數(shù)插值法、運動學算法和動力學算法等。（6）80年代末進入90年代后，多種不同動畫軟件出現(xiàn)，如3DS，Animator等。24（2）60年代期間，美國一些公司、研究機構和大學開發(fā)二（4）三、傳統(tǒng)動畫與計算機動畫1、傳統(tǒng)動畫生成過程（1）動畫定義動畫意義是“animator”世界著名動畫藝術家，美國人約翰.哈斯指出，“運動是動畫本質(zhì)”，也有人說“動畫是運動藝術”，總之,動畫與運動是分不開的。（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動視覺效果。這種觀察可由視覺殘留（persistentofvision）原理來理解。25三、傳統(tǒng)動畫與計算機動畫（2）動畫原理3（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）設計稿對動畫片中出現(xiàn)多種角色選型、動作、色彩、氣氛等設計，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）關鍵幀動畫處理中關鍵幀（也稱原畫）由經(jīng)驗豐富的動畫設計者完成，通常時一個設計者完成某個角色26（3）傳統(tǒng)動畫片生產(chǎn)過程1）劇本4（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鍵幀之間的畫面，中間畫也叫做動畫。中間畫由輔助動畫設計者及其助手完成。6）測試原動畫初稿通常是鉛筆稿圖，當初步測定造型和動作。可將這些圖輸入動畫測試器進行測試，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，或用照相機制板方法印在透明片上，然后描線上墨27（3）傳統(tǒng)動畫片生產(chǎn)過程5）中間畫58）上色給多幅畫面在透明片上涂上顏料9）檢查動畫設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、費時費力，一部10分鐘的美術片，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288）上色（3）傳統(tǒng)動畫片生產(chǎn)過程6（4）計算機動畫技術特點1）可自動在兩張畫（關鍵幀）畫出中間畫，只要輸入兩副原始和終止關鍵幀，可自動生成中間畫2）對每副畫可以按照需要進行補充和修改，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5）真實感強297四、計算機動畫應用1、電影電視動畫片制作2、商品電視廣告3、計算機輔助教學演示4、飛行員模擬訓練5、指揮調(diào)度演習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30四、計算機動畫應用8五、計算機動畫研究內(nèi)容和應用前景研究內(nèi)容：1、關鍵幀動畫2、基于機械學的動畫和工業(yè)過程動畫仿真3、運動和路徑的控制4、動畫語言與語義5、基于智能的動畫，機械人與動畫6、動畫系統(tǒng)用戶界面7、科學可視化計算機動畫表現(xiàn)8、特技效果，合成演員9、語言、音響合成，錄制技術31五、計算機動畫研究內(nèi)容和應用前景9應用前景：1、計算機動畫與多媒體技術2、計算機動畫與虛擬現(xiàn)實技術3、計算機動畫與人工生命3210計算機動畫分類和原理一、計算機動畫分類1、計算機輔助動畫（二維動畫）傳統(tǒng)卡通動畫先畫出兩個關鍵幀，然后在中間插入一系列畫。計算機二維動畫是用計算機生成中間一系列畫。二維動畫還有缺點，計算機不可能根據(jù)劇本自動生成關鍵幀。33計算機動畫分類和原理11計算機動畫分類和原理一、計算機動畫分類2、計算機生成動畫（三維動畫）如果說二維動畫對應于傳統(tǒng)卡通動畫，那么三維動畫對應于木偶動畫。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。34計算機動畫分類和原理12二、計算機動畫原理1、關鍵幀動畫是通過一組關鍵幀或關鍵參數(shù)值而得到中間動畫幀序列（1）形狀插值：從關鍵幀本身而得到中間動畫幀（2）關鍵參數(shù)插值：通過插值物體模型關鍵參數(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。3513（1）運動學算法：由運動學方程確定物體的運動軌跡和速率。（2）動力學算法：由力學方程確定物體運動形式（3）反向運動學算法：已知鏈接物末端位置和狀態(tài)，反求運動方程以確定運動形式。（4）反向動力學算法：已知鏈接物末端位置和狀態(tài)，反求動力學方程以確定運動形式。（5）隨機運動算法：在某些場合下加進運動控制隨機因素。2、算法動畫算法動畫由算法實現(xiàn)，一般適用于三維情形。36（1）運動學算法：由運動學方程確定物體的運動軌跡和速率。2、算法動畫是指按照物理或化學等自然規(guī)律對運動進行控制的方法、針對不同類型物體的運動方式，從簡單的質(zhì)點運動到復雜的渦流、有機分子碰撞等，一般按物體運動的復雜程度分為質(zhì)點、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。用算法控制運動的過程包括：給定環(huán)境描述、環(huán)境中的物體造型、運動規(guī)律、計算機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。37算法動畫是指按照物理或化學等自然規(guī)律對運動進行控制的方法、針一、畫－擦－畫方法二、異或運算法三、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)式動畫技術計算機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)生不斷運動的感覺。這些一幅幅畫面或由藝術家人工畫好，通過圖形輸入設備輸入計算機，或者結合生成。38一、畫－擦－畫方法16一、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：實現(xiàn)簡單缺點：1、復雜圖形畫－擦－畫時間長，效果差 2、在擦除前一幅圖上運動部分圖形時，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39一、畫－擦－畫方法優(yōu)點：實現(xiàn)簡單缺點：1、復雜圖形畫－擦－畫二、異或運算法（也稱XOR動畫法）XOR運算的一個重要特性就是它的“還原”作用。對屏幕進行第一次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運算的“還原”特性可以在屏幕上對一個運動物體連續(xù)作XOR運算，而不必擔心背景圖形的儲存與還原問題。如果將此特性運用到動畫技術上，即在動態(tài)物體的同一顯示位置上連續(xù)進行兩次XOR運算，然后在下一顯示位置作同樣操作，如此反復進行，就使前景運動圖形產(chǎn)生了動畫效果。優(yōu)點是前景動畫圖形的涂抹不影響背景圖形。

40XOR運算的一個重要特性就是它的“還原”作用。對屏幕三、塊動畫法只改變屏幕中前景運動物體在畫面中位置，而其背景及動畫物