計算機動畫綜述課件

計算機三維動畫技術(shù)計算機科學與工程學院xxx計算機動畫綜述課程說明重點針對三維動畫技術(shù)基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)上附加很多擴展內(nèi)容參考麻省理工學院“開放式課程“。

數(shù)字娛樂、數(shù)字藝術(shù)、數(shù)字媒體

一門新興的藝術(shù)計算機動畫綜述課程說明課程每章都分為基礎(chǔ)部分和提高部分，基礎(chǔ)部分對動畫基礎(chǔ)知識，基本算法進行完整學習，提高部分對三維動畫技術(shù)難點以及研究熱點問題進行分析討論。期望能夠引發(fā)大家討論和新算法研究。計算機動畫綜述參考書目計算機動畫的算法基礎(chǔ)，鮑虎軍等著，浙江大學出版社，2000年“principlesofthree-dimensionalcomputeranimation:modeling,rendering,andanimatingwith3dcomputergraphics,thirdedition”,byMichaelO’Rourke,December,2002,Amazon.計算機動畫綜述參考書目動畫設(shè)計與制作作者韓雪濤中國水利水電出版社?！度S圖形動畫與opengl編程實現(xiàn)》?！禔dvancedAnimationwithDirectX》電子書籍。Siggraph每年的文檔計算機動畫綜述考試方式考核方式：考試加大作業(yè)方式，考試側(cè)重在于算法理解和應(yīng)用，大作業(yè)主要在于設(shè)計和實踐應(yīng)用原則是盡量減少記和背的要求，強調(diào)理解和應(yīng)用?；靖拍睿◤娬{(diào)理解，而不在于記憶）基礎(chǔ)知識（一些基本原理，每章要強調(diào)的重點與期末復習重點）操作應(yīng)用（每章實際操作的案例）創(chuàng)作（應(yīng)用知識發(fā)揮自己的能力）計算機動畫綜述學科知識結(jié)構(gòu)計算機三維動畫技術(shù)計算機動畫綜述圖形學的概念CS351計算機動畫綜述圖形學基本內(nèi)容Computergraphics:generating2Dimagesofa3Dworldrepresentedinacomputer.Maintasks:modeling:(shape)creatingandrepresentingthegeometryofobjectsinthe3Dworldanimation:(movement)describinghowobjectschangeintimerendering:(light,perspective)generating2Dimagesoftheobjects計算機動畫綜述從歷史來認識動畫動畫概念計算機動畫綜述動畫的起源（連環(huán)畫）動畫的歷史其實是很長的。遠古時代各種形式的圖像記錄就已經(jīng)顯示出人類在潛意識中要表現(xiàn)物體動作以及這個動作的時間過程的欲望。法國考古學家普度歐馬（Prudhommeau）在1962年的研究報告中指出，在兩萬五千年前的石器時代，古人類的洞穴上就有野牛奔跑的分析圖，這是人類試圖捕捉凝結(jié)動作的表現(xiàn)。到了16世紀，西方第一次出現(xiàn)了手翻書的雛形，這與動畫的概念也有相通之處。

計算機動畫綜述動畫的起源（魔術(shù)幻燈）動畫的發(fā)源可以追溯到“魔術(shù)幻燈”。“魔術(shù)幻燈”是17世紀的阿塔納斯珂雪（AthanasiusKircher）發(fā)明的，它是指在一個鐵箱里放一盞燈，在箱的一邊開一小洞，并裝上透鏡，然后將一片繪有圖案的玻璃放在透鏡后面，經(jīng)燈光照射后，圖案就會通過玻璃和透鏡投射在墻上。經(jīng)過不斷改良，到了17世紀末，由鐘和斯桑（JohannesZahn）擴大了“魔術(shù)幻燈”的裝置。鐘和斯桑把許多玻璃畫片放在旋轉(zhuǎn)盤上，這樣，出現(xiàn)在墻上的影像可以形成一種運動的幻覺。與“魔術(shù)幻燈”類似的有中國唐朝出現(xiàn)的皮影戲。這是一種由幕后照射光源形成影子來進行表演的方式，它與“魔術(shù)幻燈”從幕前投射光源的方法、技術(shù)雖然不一樣，但反映出了東西方對操縱光影的相同的癡迷。

計算機動畫綜述動畫技術(shù)成形說到“魔術(shù)幻燈”與動畫發(fā)展的關(guān)系，就必須提到1824年彼得羅杰（PeterRoget）編寫的一本談眼球構(gòu)造的小書——《移動物體的視覺暫留現(xiàn)象》（PersistenceofVisionwithRegardtoMovingObjects）。該書提出這樣一個觀點：形象刺激在最初顯露后，能在視網(wǎng)膜上停留若干時間，當各種分開的形象以一定的速度連續(xù)顯現(xiàn)時，在視網(wǎng)膜上的刺激信號就會重疊起來，從而形象就成為連續(xù)進行的形象了。根據(jù)這一理論，在1831年，法國人JosephAntoinePlateau把畫好的圖片按照順序放在一部機器的圓盤上，這部機器有一個觀察窗，用來觀看活動的圖片效果。在機器的帶動下，圓盤低速旋轉(zhuǎn)，圓盤上的圖片也隨著圓盤旋轉(zhuǎn)。從觀察窗看過去，圖片似乎動了起來，形成了運動的畫面，這就是原始動畫的雛形。計算機動畫綜述最早的動畫1908年，法國人EmileCohl第一次用負片制作了動畫影片。采用負片制作動畫，從概念上解決了影片載體的問題，為以后動畫片的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1909年，美國人WinsorMccay用一萬張圖片表現(xiàn)了一個動畫故事，這是迄今為止世界上公認的第一部像樣的動畫短片。從此以后，動畫片的創(chuàng)作和制作水平日趨成熟。1915年，美國人EerlHurd創(chuàng)造了一種新的動畫制作工藝。他先在塑料膠片上畫動畫片，然后再把畫在塑料膠片上的一幅幅圖片拍攝成動畫電影。直到許多年后，這種動畫制作工藝仍被沿用。1928年，著名的WaltDisney把動畫影片推向了顛峰。他在完善了動畫體系和制作工藝的同時，把動畫片與商業(yè)聯(lián)系了起來，從而被人們譽為商業(yè)動畫之父。直到如今，他創(chuàng)辦的迪斯尼公司還在為全世界的人們創(chuàng)造豐富多彩的動畫片。可以說，迪斯尼公司是20世紀最偉大的動畫公司。計算機動畫綜述動畫原理動畫是基于人的視覺原理創(chuàng)建一系列靜止圖像，然后在一定時間內(nèi)連續(xù)快速地觀看這一系列相關(guān)聯(lián)的靜止畫面時（組成動畫的每個單幅靜止畫面被稱為幀），由于視覺暫留而形成連續(xù)動作的畫面。它的基本原理與電影、電視一樣，都是視覺原理。醫(yī)學已證明，人類具有“視覺暫留”的特性，就是說人的眼睛看到一幅畫或一個物體后，在1/24秒內(nèi)不會消失。利用這一原理，在一幅畫面還沒有消失前播放出下一幅畫，就會給人造成一種流暢的視覺變化效果，如圖1-5所示。電影采用每秒24幅畫面的速度拍攝播放，電視采用每秒25幅（PAL制）/30幅（N制）畫面的速度拍攝播放。如果以每秒低于24幅畫面的速度拍攝播放，畫面就會出現(xiàn)停頓現(xiàn)象。計算機動畫綜述動畫設(shè)計基礎(chǔ)動畫設(shè)計的主要目的是用良好的空間概念及創(chuàng)意思維，合理地處理角色關(guān)系，恰如其分地渲染場景，創(chuàng)作出優(yōu)秀的動畫形象和故事。動畫設(shè)計應(yīng)該保持一個開放的思想，同時為了實現(xiàn)設(shè)計師的構(gòu)思而不斷地探索新的方式，這樣才能使創(chuàng)作出來的動畫有新意，受到觀眾的歡迎。動畫設(shè)計需要付出巨大的努力，作為一種空間和時間的藝術(shù)形式，它表現(xiàn)的是藝術(shù)作品，傳達的是運動和時間，因此，動畫設(shè)計師需要具備可視化設(shè)計和運動理論的知識。計算機動畫綜述動畫的應(yīng)用動畫作用計算機動畫綜述發(fā)動機原理（文字描述）簡單來說就是是通過燃燒氣缸內(nèi)的燃料，產(chǎn)生動能，驅(qū)動發(fā)動機氣缸內(nèi)的活塞往復的運動，由此帶動連在活塞上的連桿和與連桿相連的曲柄，圍繞曲軸中心作往復的圓周運動而輸出動力。計算機動畫綜述發(fā)動機原理（動畫描述）計算機動畫綜述動畫的優(yōu)勢時間軸信息量大直觀，易于理解計算機動畫綜述影視娛樂計算機動畫綜述計算機動畫技術(shù)應(yīng)用Entertainment:CinemaPixar:Monster’sInc.Square:FinalFantasy計算機動畫綜述計算機動畫技術(shù)應(yīng)用MedicalVisualizationMIT:Image-GuidedSurgeryProjectTheVisibleHumanProject計算機動畫綜述計算機動畫技術(shù)應(yīng)用ScientificVisualization計算機動畫綜述計算機動畫技術(shù)應(yīng)用AirflowaroundaHarrierJet(NASAAmes)計算機動畫綜述動畫制作分類動畫技術(shù)計算機動畫綜述動畫制作分類二維動畫vs三維動畫傳統(tǒng)動畫vs計算機動畫計算機動畫綜述二維動畫在平面空間上，最基本的組件為點，由點組成線，再由線再構(gòu)成平面，這個平面就稱之為二維空間。二維空間中任一點表示為（X，Y）。計算機二維動畫指的是通過計算機制作的類似于卡通動畫的平面動畫。計算機動畫綜述二維動畫二維動畫的技術(shù)基礎(chǔ)是“分層”技術(shù)。動畫設(shè)計師將運動的物體和靜止的背景分別繪制在不同的透明膠片上，然后疊加在一起拍攝。這樣不僅減少了繪制的幀數(shù)，同時還可以實現(xiàn)透明、景深和折射等不同的效果。計算機技術(shù)與傳統(tǒng)動畫設(shè)計結(jié)合，各個層開始在計算機上直接合成。計算機還能繪制出大自然、科幻式奇效等手繪無法完成的畫面。計算機動畫綜述三維動畫從二維空間增加到三維空間，空間里的對象由面而變化為體，比二維圖形多了一個坐標軸，三維空間的點的位置就表示為（X，Y，Z）。由于多了一個坐標軸，因此也就多了深度的差別。但顯示仍然在一個平面上（例如電視機屏幕、計算機顯示器等），因此，如何在平面上顯現(xiàn)出其立體的特性，就需要一個投影過程。例如，平行投影維持物體的相對比例，主要用在建筑設(shè)計圖上；透視投影則讓物體顯示得較為自然，可以顯現(xiàn)遠小近大的效果；隱藏線和隱藏面的消除則可以讓物體更具真實感。三維動畫主要依賴計算機圖像生成技術(shù)（ComputerGraphics，簡稱CG），所以又被稱為計算機動畫。自1995年第一部完全由計算機制作的動畫電影《玩具總動員》問世以來，三維動畫就一直壓制著同時期的二維動畫電影。迪斯尼還算滿意的二維動畫大制作《花木蘭》和《泰山》在《玩具總動員2》和《蟲蟲危機》面前就顯得黯然失色了。計算機動畫綜述計算機圖形與動畫三維動畫依賴的CG技術(shù)通過計算機強大的運算能力來模擬現(xiàn)實，這個過程需要完成建模、動作、渲染等步驟。建模就是以點、線、面的方式建立物體的幾何信息；動作是在建模的基礎(chǔ)上，通過動態(tài)捕捉、力場模擬等方法讓物體按照要求運動；渲染就是給著了色、添加了紋理的物體打上虛擬的燈光進行模擬拍攝。計算機動畫綜述傳統(tǒng)動畫制作流程傳統(tǒng)動畫的制作過程可以分為總體規(guī)劃、設(shè)計制作、具體創(chuàng)作和拍攝制作四個階段，每一階段又有若干個步驟。計算機動畫綜述傳統(tǒng)動畫制作流程總體設(shè)計階段這個階段主要做三件事：劇本、故事板和設(shè)置表。這些工作主要是導演的工作。第一是劇本。任何影片生產(chǎn)的第一步都是創(chuàng)作劇本，但動畫片的劇本與真人表演的故事片劇本有很大不同。一般影片中的對話是表現(xiàn)劇情的重要形式，而在動畫影片中則應(yīng)盡可能避免復雜的對話，而是用畫面表現(xiàn)視覺動作。最好的動畫是通過精彩的動作獲得觀眾的喜愛的，由視覺效果來激發(fā)人們的想象。第二是故事板。根據(jù)劇本，導演要繪制出類似連環(huán)畫的故事草圖（分鏡頭繪圖劇本），將劇本描述的動作表現(xiàn)出來。故事板由若干片段組成，每一片段由一系列場景組成，一個場景一般被限定在某一地點和一組人物內(nèi)，而場景又可以分為一系列被視為圖片單位的鏡頭，由此構(gòu)造出一部動畫片的整體結(jié)構(gòu)。在繪制故事板的各個分鏡頭的同時，作為其內(nèi)容的動作、對白的時間、攝影指示、畫面連接等都要有相應(yīng)的說明。一般來說，30分鐘的動畫劇本，若設(shè)置400個左右的分鏡頭，則需要繪制約800幅圖畫的故事板。第三是攝制表。攝制表是導演編制的整個動畫制作的進度規(guī)劃表，以指導動畫創(chuàng)作集體中各方人員統(tǒng)一協(xié)調(diào)地工作。計算機動畫綜述傳統(tǒng)動畫制作流程設(shè)計制作階段這個階段主要做兩件事情：設(shè)計和音響。第一是設(shè)計。設(shè)計工作是在故事板的基礎(chǔ)上，確定背景、前景及道具的形式和形狀，完成場景環(huán)境和背景圖的設(shè)計、制作。對動畫角色進行造型設(shè)計，并繪制出每個造型的幾個不同角度的標準，以供其他動畫人員參考。第二是音響。在動畫制作時，因為動作必須與音樂匹配，所以音響錄音要在動畫制作之前進行。錄音完成后，編輯人員還要把記錄的聲音精確地分解到每一幅畫面位置上，即第幾秒（或第幾幅畫面）開始說話，說話持續(xù)多久等。最后要把全部音響歷程（或稱音軌）分解到每一幅畫面位置與聲音對應(yīng)的條表，供動畫人員參考。計算機動畫綜述傳統(tǒng)動畫制作流程具體創(chuàng)作階段這個階段主要有四件事情要做：原畫創(chuàng)作、中間插畫創(chuàng)作、譽清和描線以及著色，這些工作主要是動畫設(shè)計師和制作者的工作。第一是原畫創(chuàng)作。原畫創(chuàng)作是由動畫設(shè)計師繪制出動畫的一些關(guān)鍵畫面。通常是一個設(shè)計師只負責一個固定的人物或其他角色。第二是中間插畫制作。中間插畫是指兩個重要位置或框架圖之間的圖畫，一般就是兩張原畫之間的一幅畫。助理動畫師制作一幅中間畫，其余美術(shù)人員繪制角色動作的連接畫。在各原畫之間追加的內(nèi)插的連續(xù)動作的畫，要符合指定的動作時間，使之能表現(xiàn)得接近自然動作。第三是譽清和描線。前兩步所完成的動畫設(shè)計均是鉛筆繪制的草圖。草圖完成后，使用特制的靜電復印機將草圖譽印到醋酸膠片上，然后再用手工給譽印在膠片上的畫面的線條進行描墨。第四是著色。由于動畫片通常都是彩色的，這一步是對描線后的膠片進行著色（或稱上色）。計算機動畫綜述傳統(tǒng)動畫制作流程拍攝制作階段這個階段主要有四件事情：檢查創(chuàng)作好的動畫畫面、拍攝、編輯及錄音。這些工作要求所有的動畫制作人員都要參與。第一是檢查。檢查是拍攝階段的第一步。在每一個鏡頭的每一幅畫面全部著色完成之后，拍攝之前，動畫設(shè)計師需要對每一場景中的各個動作進行詳細的檢查。第二是拍攝。動畫片的拍攝，使用中間有幾層玻璃層、頂部有一部攝像機的專用攝制臺。拍攝時將背景放在最下一層，中間各層放置不同的角色或前景等。拍攝中可以移動各層產(chǎn)生動畫效果，還可以利用攝像機的移動、變焦、旋轉(zhuǎn)、變化和淡入等特技上的功能，生成多種動畫特技效果。第三是編輯。編輯是后期制作的一部分。編輯過程主要完成動畫各片段的連接、排序、剪輯等。第四是錄音。編輯完成之后，編輯人員和導演開始選擇音響效果配合動畫的動作。在所有音響效果選定并能很好地與動作同步之后，編輯和導演一起對音樂進行復制，再把聲音、對話、音樂、音響都混合到一個聲道上，最后記錄在膠片或錄像帶上。計算機動畫綜述計算機動畫制作流程計算機動畫又可以分為計算機輔助動畫和造型動畫兩種。計算機輔助動畫屬于二維動畫，其主要用途是輔助動畫師制作傳統(tǒng)動畫，而造型動畫則屬于三維動畫。二維計算機動畫制作同樣要經(jīng)過傳統(tǒng)動畫制作的四個一般步驟，只是由于計算機的使用大大簡化了工作程序，方便快捷，提高了效率。計算機動畫綜述計算機動畫制作流程關(guān)鍵幀的產(chǎn)生關(guān)鍵幀以及背景畫面可以用攝像機、掃描儀、數(shù)字化儀器進行數(shù)字化輸入?？梢杂脪呙鑳x輸入鉛筆原畫，再用計算機生產(chǎn)流水線后期制作，也可以用相應(yīng)軟件直接繪制。動畫軟件都會提供各種工具，以方便我們的繪圖。這大大改進了傳統(tǒng)動畫畫面的制作過程，可以隨時存儲、檢索、修改和刪除任意畫面。傳統(tǒng)動畫制作中的角色設(shè)計及原畫創(chuàng)作等幾個步驟，在計算機中一步就完成了。 計算機動畫綜述計算機動畫制作流程中間畫面的生成利用計算機對兩幅關(guān)鍵幀進行插值計算，自動生成中間畫面，這是計算機輔助動畫的主要優(yōu)點之一。利用計算機自動生成中間畫面不僅精確、流暢，而且還將動畫制作人員從繁瑣的勞動中解放出來了。計算機動畫綜述計算機動畫制作流程分層制作合成傳統(tǒng)動畫的一幀畫面，是由多層透明膠片上的圖畫疊加合成的，這是保證質(zhì)量、提高效率的一種方法，但制作中需要精確對位，而且受透光率的影響，所以透明膠片最多不超過4張。在動畫軟件中，也同樣使用了分層的方法，但對位非常簡單，層數(shù)從理論上說沒有限制，對層的各種控制如移動、旋轉(zhuǎn)等，也非常容易。

計算機動畫綜述計算機動畫制作流程著色動畫著色是非常重要的一個環(huán)節(jié)。計算機動畫輔助著色可以代替乏味、昂貴的手工著色。計算機動畫綜述計算機三維動畫技術(shù)動畫技術(shù)計算機動畫綜述動畫控制分類藝術(shù)創(chuàng)作動畫（artisticanimation)數(shù)據(jù)驅(qū)動動畫(data-drivenanimation)過程動畫(proceduralanimation)計算機動畫綜述計算機動畫技術(shù)計算機應(yīng)用在動畫處理方面的相關(guān)技術(shù)KinematicsPhysics(a.k.a.dynamics,simulation,mechanics)CharacteranimationArtificialintelligenceMotioncapture/datadrivenanimation后面幻燈側(cè)重了解這些技術(shù)的整體概貌計算機動畫綜述CharacterAnimationKeyframeAnimationMotionCaptureInverseKinematicsLocomotionProceduralAnimationArtificialIntelligence計算機動畫綜述CharacterAnimation計算機動畫綜述PhysicsSimulationParticlesRigidbodiesCollisions,contact,stacking,rolling,slidingArticulatedbodiesHinges,constraintsDeformablebodies(solidmechanics)Elasticity,plasticity,viscosityFractureClothFluiddynamicsFluidflow(liquids&gasses)Combustion(fire,smoke,explosions…)Phasechanges(melting,freezing,boiling…)VehicledynamicsCars,boats,airplanes,helicopters,motorcycles…CharacterdynamicsBodymotion,skin&muscle,hair,clothing計算機動畫綜述PhysicsSimulation計算機動畫綜述其他相關(guān)內(nèi)容動畫技術(shù)計算機動畫綜述AnimationToolsMaya3DStudioLightwaveFilmboxBlenderManymore…計算機動畫綜述三維電影制作計算機三維技術(shù)的終極應(yīng)用，在動作逼真，圖像逼真方面都已經(jīng)取得了很大的進步。另一方面也為電腦技術(shù)創(chuàng)作開辟了新的技術(shù)支持。計算機動畫綜述電影渲染服務(wù)架構(gòu)3DDigitalContentsRendering9NewGrowthEngineHighProfileStrategicIndustryGlobalIndusty

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Requiredby3of9NewGrowthEngineRequiresBcNEasytobecomeGlobalBusinessAnimationGameMovie/CF計算機動畫綜述InputData(RawData)OutputData(Rendered)(RenderFarmNetwork)GlobalCustomersusingRenMan/GridSecuredInternetAnimationClientsGameClientsCommercialClientsMovieClients一個渲染過程計算機動畫綜述三維動畫電影制作流程ConceptualDesignProductionDesignModelingMaterials&ShadersRiggingBlockingAnimationLightingEffectsRenderingPost-Production計算機動畫綜述Resolution&FrameRatesVideo:NTSC:720x480@30Hz(interlaced)PAL:720x576@25Hz(interlaced)HDTV:720p:1280x720@60Hz1080i:1920x1080@30Hz(interlaced)1080p:1920x1080@60HzFilm:35mm:~2000x~1500@24Hz70mm:~4000x~2000@24