計算機圖形學(xué)-王映輝-第7章 計算機動畫

嘉9章計算機以畫

9」動畫技才的起嫄，危晨與應(yīng)用

9.2

9,3計算機動畫

9.4計算機動畫中常用技術(shù)簡介

9.5常用的動畫軟件

1

技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用

是計算機圖形學(xué)和藝衣相結(jié)合的產(chǎn)物

?綜合利用方嚏物理蕓孟式、豢嘗物理學(xué)、

生物學(xué)和其它相關(guān)學(xué)科的知識

2

技術(shù)的起源、發(fā)展

?1831年，法國人J?A.Plateau發(fā)明

-傳統(tǒng)的圖片動畫

■Phenakistoscope機器

《恐龍專家格爾梯》

-1909年,美國人W?McCay制作

-世界第一部卡通動畫片

■雖然片子時間很短，但McCay卻用了大約一萬幅畫面。

3

動畫技術(shù)的起源、發(fā)展

?1913至1917年間，美國卡通系列動畫片

-以由PSullivan制作的《小貓菲利斯》最為堇是。

?1928至1938年間，《米老鼠和唐老鴨》等系列動

畫片

?美國人WaltDisney制作

?1928年制作的第一個《米老鼠》短片

-第一部具有同步音響效果的影片

4

動畫技術(shù)的起源、發(fā)展

?計算機動畫

■是二十世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來的

?PeterFoldes以他的計算機動畫片《饑餓》

■1974年，在法國嘎納電影節(jié)上，獲得評委會獎

5

技術(shù)的起源、發(fā)展

?二十世紀(jì)90年代，計算機動畫在好萊塢掀起了

，一場電影技術(shù)的風(fēng)暴

?詹姆斯?卡麥隆導(dǎo)演《終結(jié)者n》

■創(chuàng)下了全球5J4億美元的非凡票房收入

-追趕主角的窮兇惡極的液態(tài)金屬機器人可以從一種

形狀神奇地變化成另外一種形狀

6

動畫技術(shù)的起源、發(fā)展

?1993年，導(dǎo)演斯皮爾伯格開始制作影片

《侏羅紀(jì)公園》

■ILM(IndustrialLight&Magic)實驗室制

作的恐龍片斷

-榮膺該年度的奧斯卡最佳視覺效果獎

7

動畫技術(shù)的起源、發(fā)展

?1996年，《玩具總動員》

?世界上演一棟完全用計算機動畫制作的電影

?3000萬美元的投資

?獲得了破記錄的3?5億美元的票房收入

?還獲得奧斯卡最佳劇本獎的提名

?其意義在于：給電影制作開辟了全新道路

8

國內(nèi)作品里程碑

?電影《相似》

■92年，北方工大CAD中心，SGI工作站，用C語言編寫

■93年北京科教廠優(yōu)秀電影特別獎

■93年廣電部科技進步二等獎

?兒童寓言電視片《咪咪釣魚》

■386±,C語言編寫，10分鐘，5人10個月

?浙江大學(xué)，中科院計算所，數(shù)學(xué)所等

9

計算機動畫的應(yīng)用

商業(yè)廣告制作

建筑裝潢設(shè)計

隨著VR技術(shù)的發(fā)展，照片式效果圖

將會被三維漫游動畫錄象所替代

電腦游戲制作

?影視特技制作

防軍事、工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、法

律（如事故分析）、娛樂、可視化教

學(xué)、飛行模擬、生物工程、藝術(shù)等

10

計算機動畫的未來

?最令人激動不已的當(dāng)屬彩瀛倭方面

?展望1

?虛擬演員

-美國沃爾特?迪斯尼公司就曾預(yù)言:

-21世紀(jì)的明星將是一個聽話的計算機程序，它

們不再要求成百上千萬美元的報酬或頭牌位置

11

計算機期畫的未來

?“聽話的計算機程序”就是虛擬角色，也

稱為虛戒演友(VirtualActor)

?廣義上它包含兩層含義：

.用電腦處理手法使已故的著名影星“起死回生”

-完全由電腦塑造出來的電影明星

?如《蟻哥正傳》中的蟻哥

?《最終幻想》中的艾琪

12

計算機動畫的未來

?展望2

?交互式電影(InteractiveMovie)

■VR是實現(xiàn)途徑

■由觀眾親涉其間，控制角色的舉動，從而對場

景產(chǎn)H互動后果

13

計算機動畫的未來

?展望3

以前

-采用期遜蜜烹縊程制作

?今后

■面向動畫師的界面良好的交互式系統(tǒng)

?基于人工智能理論的質(zhì)詫閡戶的動畫系統(tǒng)

■基于自然語言描述的腳本

■用計算機自動產(chǎn)生動畫

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第9章計算機動畫

9.1動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用

2傳統(tǒng)動畫

9.3計算機動畫

9,4計算機動畫中常用技術(shù)簡介

9.5常用的動畫軟件

15

9.2傳統(tǒng)動畫

什么是動畫?

?世界著名的動畫大師JohnHalas曾經(jīng)說過：“動畫

的本質(zhì)在于運動'

一、M7HLJH、■■—■■■一，41「JZVX^/4XVZI—I，N、

定的速度（一般不低于24幀/秒）放映來獲得畫面上

人物運動的視覺效果。

?動畫就是動態(tài)的產(chǎn)生二系列景物畫面的技術(shù)，其中

當(dāng)前畫面是對前一幅畫面某些部分作的修改

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?隨著計算機動畫技術(shù)的發(fā)展，尤其是以實

時動畫為基礎(chǔ)的Vidiogame的出現(xiàn)，動畫

不只是產(chǎn)生運動的效果,還包括變形、變色、

變光等。

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U作動畫的傳統(tǒng)方法

?傳統(tǒng)動畫主要是生產(chǎn)二維卡通動畫片

?每秒24-30幀，18幀

E創(chuàng)意（描述故事：故事梗概、腳本、故事版）

鏡頭］

/場景1

梗概一腳本一故事版一序列鏡頭n

鏡頭1

場景2

鏡頭m18

2.設(shè)計：具體場景及演員動作、音樂、布景，背景圖,

3.音軌:動畫制作前錄音，對話，音樂與動作保持同步

4.動畫制作

5.中間幀

6.靜電復(fù)制和墨水加描：草圖轉(zhuǎn)移到醋酸纖維膠片上

7；繪制（渲染），著色

8.檢查

10.剪輯

第9章計算機動畫

9.1動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用

9.2傳統(tǒng)動畫

9.3計算機動畫

9,4計算機動畫中常用技術(shù)簡介

9.5常用的動畫軟件

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［機在動畫中所起的作用

?早期:

■主要表現(xiàn)在幀的制作上

■宏健嫄a過數(shù)字化采集方式得到，或者用交

互式圖形編輯器生成，對于復(fù)雜的形體還可

以通過編程來生成

■窟先我不再由助理動畫師和插補員來完成,

而是利用計算機進行自動完成插補幀的制

作，包括復(fù)雜的運動也由計算機直接完成。

21

ff

?隨著三維造型技術(shù)和計算機動畫技術(shù)的發(fā)展

-在愛色方面，畫面圖像通過交互式計算機系統(tǒng)由用戶選

擇顏色，指定著色區(qū)域，并由計算機完成著色工作

-在南蔻方面，用計算機控制攝像機的運動，也可用編程

的方法形成虛擬攝像機模擬攝像機的運動

-在后期制作掰段,用計算機完成編輯和聲音合成

22

算機動畫系統(tǒng)的分類

.:不二:?S<fSS^g/'rV'西,---、繪!"：去點？.?>；?-t/KVJtlvr->-->￡、-<,、：：'?：?---

根據(jù)系統(tǒng)的功能分五級交互式造型、著色，相

當(dāng)于一個圖形編輯器

一級

二級計算并生成插補幀，代

三級替插補員的工作

模擬虛擬攝像機操作

定義角色，動畫形體

具有學(xué)習(xí)能力，有待于

人工智能技術(shù)的發(fā)展

23

算機輔助匚維動畫

I一.'wr

?計算機輔助制作動畫的系統(tǒng)與動畫師的關(guān)系

就像文字處理機與文字作家的關(guān)系一樣

設(shè)計腳本

繪制關(guān)鍵畫面

5加層控制

中間畫面實時預(yù)演

著色渲染

生成文件進行編輯

輸出到錄像帶

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?二維動畫：

-仍然基于人的手在平面上繪制

-畫面效果在很大程度上取決于人的繪畫水平

.繪畫過程只是在平面中表現(xiàn)，表現(xiàn)力受限

?三維動畫:

-三維動畫模擬一個真實的攝影舞臺

-這個舞臺上既包括拍攝的主體對象

■還包括燈光、背景、攝像機等

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E機輔助三維動畫

進行創(chuàng)意，形成動畫制作的腳本

2建立畫面中各種物體的三維線框模型

確定并調(diào)整物體的顏色、材質(zhì)、紋理等屬性

4調(diào)整燈光，確定背景、環(huán)境

模擬虛擬攝像機的運動，讓目標(biāo)運動起來

”對動畫進行預(yù)演

加工處理

8.將存儲在計算機中的圖像序列錄制到錄像帶

26

畫和逐幀動畫

?逐幀動畫、

-制作一幀需要幾分鐘甚至更長的時間，這些

幀錄制好后，以每秒24幀的速度放映

?實時動畫:「

-動畫的生成是直接的，用戶可以用交互式的

方式讓畫面中的形體快速移動

-用戶現(xiàn)場選擇的時刻就是實現(xiàn)的時刻，結(jié)果

直接反映到計算機屏幕上

27

-影拍攝與電視拍攝

IHMiOlBHir-

基本原理相同，不同之處主要表現(xiàn)在:

存儲介質(zhì)不同

■播放速度不同

?電影

■每秒24幀

?電視：

.PAL制:'每秒25幀

.NTSC制：每秒30幀

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特殊效果

?慢動作

.高速拍攝、正常播放

?快動作

.低速拍攝、正常播放

29

特殊效果

?運動序列中畫面的切換

■直接切換

■推拉(zoom)

■搖移(pan)

■俯仰(Tilt)

■淡入/淡出(fadein/fadeout)

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E計算機動畫

9.，動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用

9.2傳統(tǒng)動畫

9.3計算機動畫

9.5常用的動畫軟件

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主K9要的動畫技術(shù)

?參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)

?樣條驅(qū)動技術(shù)

?變形技術(shù)

?過程動畫技術(shù)

*關(guān)節(jié)動畫與人體動畫技術(shù)

?基于物理模型的動畫技術(shù)

?行為動畫技術(shù)

?運動捕獲技術(shù)

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參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)

-給出兩幅關(guān)鍵幀，計算機生成中間畫面

-適合剛體運動模擬

?早期

-僅僅用來插值幀與幀之間卡通畫的形狀

?后來

-對運動參數(shù)插值，實現(xiàn)對動畫的運動控制

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參鍵幀技術(shù)

?可歸結(jié)為關(guān)鍵參教的插值問題

-拉置、方向、大小

?9個運動參數(shù)決定

■位置參數(shù)：Tx,Ty,Tz,

■方向參數(shù)：Rx,Ry,Rz,

.比例參數(shù):Sx,Sy,Sz

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參圖鍵幀技術(shù)

-與純數(shù)學(xué)插值問題不同：

-一個特定的運動從空間軌跡來看可能是正確的

-但從運動學(xué)或動畫設(shè)計角度看，則可能是錯誤的

?關(guān)鍵幀插值要求：

-能產(chǎn)生逼真的運動效果

.用戶能方便有效地控制運動的運動學(xué)特性

-例如，通過調(diào)整插值函數(shù)改變運動的速度和加速度

35

假定需在時間段11與t2之間插入n(n=5)幀

終始關(guān)鍵幀之間的時間段被分為n+1個子段

其時間間隔為：

△t=(t2-tl)/(n+1)

則任一插值幀的時刻為：

參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)

加速運動的模擬

為使幀間的時間間隔增加

可使用下列三角加速函數(shù)來得到增加的間隔:

1-cos9,0<9</2

對于插值幀來說，第j個插值幀的時刻可由下式得到:

tfj+A^(l-cos(j^/(2(n+1))))

j=12???,n

I’237

參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)

減速運動的模擬

使用下列三角減速函數(shù)來得到減少的間隔:

sin0,0v。v冗/2,

則第j個插值幀的時間位置被定義成:

38

參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)

混合增減速度的模擬

先增加插值時間間間隔后減少時間間隔

所使用的時間變化函數(shù)是:

1/2(1-COS0)0<0<7T

得到第j個插值幀的時刻為:

tfJ=乙+A，(l-cos(j〃/(〃+l)))

j=L2,???，n

-0.8

3一

39

參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)

?關(guān)鍵幀動畫存在的主要問題

■交互響應(yīng)慢

-物體運動的物理正確性和自然真實性難以保證

40

樣條驅(qū)動技術(shù)

■基于運動學(xué)描述

.用戶事先指定一條物體運動的軌跡

-通常用三次參數(shù)樣條表示

-指定物體沿該軌跡運動

.地海運動軌跡法

?所要解決的基本問題

-通過對樣條曲線等間隔采樣

■求出物體在某一幀的位置

-從而生成整個動畫序列

41

樣條驅(qū)動技術(shù)

?如果直接對參數(shù)空間進行等間隔采樣，勢

必帶來運動的不均勻性

?勻速運動時，需要對樣條進行弧長參數(shù)化

42

樣條驅(qū)動技術(shù)

?為解決插值的時間控制問題

-Steketee提出用雙插值方法

?位置樣條

■空間軌跡曲線

■物體位置對關(guān)鍵幀的函數(shù)

?運動樣條

■關(guān)鍵幀對時間的函數(shù)

43

變形技術(shù)

■柔性物體(softobject)動畫技術(shù)

■許多商用動畫軟件都提供變形工具

?Softimage、Alias、Maya、3DSMAX

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變形技術(shù)

?Morphing技術(shù)

-指將一個給定的數(shù)字圖像或者幾何形狀s以一種自然

流暢的、光滑連續(xù)的方式漸變?yōu)榱硪粋€數(shù)字圖像或者

幾何形狀兀

45

變形技術(shù)

?基本思想:

-移動頂點，通過頂點改變，達到變形

.給出物體形變的幾個狀態(tài)

?如兩個物體或兩幅畫面之間

?特征的對應(yīng)關(guān)系以及相應(yīng)的時間控制關(guān)系

-物體沿給定的插值路徑進行線性或非線性的形變

?基于物體表示的變形技術(shù)

?適用于物體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的變形操作

46

變形技術(shù)

?自由變形技術(shù)(FFD)

■FreeFormDeformation

■Sederberg和Parry

.1986年提出

?基本思想

-不對物體直接進行變形

-而是對物體所嵌入的空間進行變形

■引入一種基于三變量B樣條體的變形工具

lattice

47

變形技術(shù)

?優(yōu)點??

.最實用，適用面最廣

■間接的與物體表示無關(guān)的變形方法

.物體的變形是任意的,可由動畫師任意控制

-對變形的可控性更強

?缺點:'L

■缺乏對變形的細(xì)微控制，如人臉表情

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過程動畫技術(shù)

■ProceduralAnimation或RandomAnimation

■物體的運動和變形可由1個過程來控制

■物體的變形不是任意的

?遵循宜定的數(shù)學(xué)模型或物理規(guī)律

■水波運動，三維森林、草葉隨風(fēng)飄動，火光、煙

霧等特殊光效

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關(guān)節(jié)動畫與人體動畫技術(shù)

.運動學(xué)、動力學(xué)方法

-用球體作為基本體素來構(gòu)造人體

50

基于物理模型的動畫技術(shù)

-考慮了物體在真實世界中的屬性

-基于動力學(xué)原理來自動產(chǎn)生物體的運動

?特別適合于對自然物理現(xiàn)象的模擬

如剛體運動模擬、塑性物體變形運動以及流體

運動模擬等

51

行為動畫

■BehavioralAnimation

-要求實時性、VR

?處于初級階段，文章少

52

運動捕獲技術(shù)

?MotionCapture

?運動捕獲的過程：「‘

■真實演員按導(dǎo)演的要求做動作

.動作被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，通過感應(yīng)器記錄到計算機中

■計算機搜集這些數(shù)據(jù)后將信息傳遞到工作室，然后結(jié)

果被3D化，在計算機中以線條形式表現(xiàn)出來，形成電

影中角色的基礎(chǔ)

-增加皮膚和外殼之后，那些線條就成為了虛擬角色

運動捕獲技術(shù)

?好萊塢的CG人體動作三般都會采用

昂貴的動作捕獲系統(tǒng)錄制完成

?1998年獲奧斯卡視覺效果成就獎的

《泰坦尼克》

-沉船時乘客落水的鏡頭

?全三維CG影片《最終幻想》

■人類面部表情

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運動捕獲技術(shù)

?應(yīng)用：

■電影特效

■醫(yī)學(xué)康復(fù)動作分析

.運動員的動作訓(xùn)練

-商業(yè)廣告k

.電子游戲娛樂事業(yè)

55

第9章計算機動畫

?9.1動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用

?9.2傳統(tǒng)動畫

?9.3計算機動畫

?91韭訐算機動畫中常用技術(shù)簡介