计算机图形学第十二章计算机动画技术.ppt

计算机动画技术概述 一、计算机动画定义 计算机动画技术将图形、图案和画面或者其中一部分显示 在屏幕上，并且照一定规律或预定要求在屏幕上移动、变换 ，从而使计算机显示出图形动态变化。 计算机动画是计算机科学，尤其是计算机图形技术与 传统动画艺术的结合，所以计算机动画技术是传统动画和 计算机图形学二者结合而产生的新东西。 1 计算机动画技术概述 二、计算机动画发展历史 计算机动画技术可以看作计算机图形学的综合应用。 包括图形生成（二维、三维）尤其是真实感图形生成技术。 计算机图形学与计算机动画不同，计算机动画属于四维 空间（三维加上时间），而计算机图形学只限于三维空间。 计算机动画最初产生和发展与传统动画制作有着密切关系。 （1）1963年，Bell实验室，E.Zajac用计算机制作世界上 第一部动画片。 2 （2）60年代期间，美国一些公司、研究机构和大学开发二 维动画系统，用计算机实现中间画面制作（关键帧）和自动 着色。 （3）在70年代初期，开始研制三维辅助动画系统，如美国 Ohio州立大学的D.Zelter等人完成可明暗着色的系统。 （4）70年代期间至80年代初，随着计算机图形学理论发展 ，尤其三维物体造型发展，人们研究计算机三维造型动画 系统。 （5）80年代，研究动画生成一些三维系统，如关键参数插 值法、运动学算法和动力学算法等。 （6）80年代末进入90年代后，多种不同动画软件出现，如 3DS，Animator等。 3 三、传统动画与计算机动画 1、传统动画生成过程 （1）动画定义 动画意义是“animator” 世界著名动画艺术家，美国人约翰.哈斯指出，“运动 是动画本质”，也有人说“动画是运动艺术”，总之,动画 与运动是分不开的。 （2）动画原理 例如在电影院看电影或在家里看电视时，画面上人物 动作是流畅、自然和连续的，但是仔细看一段电影胶片时 ，观察每一画面并不连续。 只有以一定速率投影在银幕上才会有运动视觉效果。 这种观察可由视觉残留（persistent of vision） 原理来理解。 4 （3）传统动画片生产过程 1）剧本 不带画面的整个故事的详细叙述，反映动画片大致概 貌与镜头的剧本，如同故事片一样 2）设计稿 对动画片中出现多种角色选型、动作、色彩、气氛等 设计，实际上完成手稿图工作 3）声音节拍 传动作必须与对话声音相配合、协调一致 4）关键帧 动画处理中关键帧（也称原画）由经验丰富的动画设 计者完成，通常时一个设计者完成某个角色 5 （3）传统动画片生产过程 5）中间画 中间画时那些位于两个关键帧之间的画面，中间画 也叫做动画。中间画由辅助动画设计者及其助手完成。 6）测试 原动画初稿通常是铅笔稿图，当初步测定造型和动 作。可将这些图输入动画测试器进行测试，这一过程称铅 笔稿测试 7）描线上墨 将铅笔稿图手描在透明片上，或用照相机制板方法 印在透明片上，然后描线上墨 6 8）上色 给多幅画面在透明片上涂上颜料 9）检查 动画设计者在拍摄之前再次检查各镜头动作质量 10）拍摄 这一工序在动画摄制机上完成。动画摄影师把动画系 统通过拍摄依次记录在胶片上 11）后期制作 编辑、剪接、对白、配音、剪带等后期制作工序是必 不可少的 由上述可见传统动画周期长、费时费力，一部10分钟 的美术片，大约要4个月左右时间，若是精品要一年时间才 可完成。若用计算机制作动画可省略许多环节。 （3）传统动画片生产过程 7 （4）计算机动画技术特点 1）可自动在两张画（关键帧）画出中间画，只要输入两副 原始和终止关键帧，可自动生成中间画 2）对每副画可以按照需要进行补充和修改，使动作流畅、 造型统一 3）可自动描线上色 4）可直接输出到录像机 5）真实感强 8 四、计算机动画应用 1、电影电视动画片制作 2、商品电视广告 3、计算机辅助教学演示 4、飞行员模拟训练 5、指挥调度演习 6、工业过程实时监测仿真 7、模拟产品检验或实验 8、医疗诊断 9、游戏软件 9 五、计算机动画研究内容和应用前景 研究内容： 1、关键帧动画 2、基于机械学的动画和工业过程动画仿真 3、运动和路径的控制 4、动画语言与语义 5、基于智能的动画，机械人与动画 6、动画系统用户界面 7、科学可视化计算机动画表现 8、特技效果，合成演员 9、语言、音响合成，录制技术 10 应用前景： 1、计算机动画与多媒体技术 2、计算机动画与虚拟现实技术 3、计算机动画与人工生命 11 计算机动画分类和原理 一、计算机动画分类 1、计算机辅助动画（二维动画） 传统卡通动画先画出两个关键帧，然后在中间插入一系列 画。计算机二维动画是用计算机生成中间一系列画。 二维动画还有缺点，计算机不可能根据剧本自动生成关键 帧。 12 计算机动画分类和原理 一、计算机动画分类 2、计算机生成动画（三维动画） 如果说二维动画对应于传统卡通动画，那么三维动画 对应于木偶动画。 木偶动画首先制作木偶、道具和景物，三维动画首先 建立角色、实物和景物三维数据。 这里说的三维物体画面也是由二维象素点阵组成，只 不过看起来象三维，但三维更具有真实性、真实感和立体 性。 13 二、计算机动画原理 1、关键帧动画是通过一组关键帧或关键参数值而得到中间 动画帧序列 （1）形状插值：从关键帧本身而得到中间动画帧 （2）关键参数插值：通过插值物体模型关键参数数值来 获得中间动画。 2、算法动画 算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。 14 （1）运动学算法：由运动学方程确定物体的运动轨迹 和速率。 （2）动力学算法：由力学方程确定物体运动形式 （3）反向运动学算法：已知链接物末端位置和状态， 反求运动方程以确定运动形式。 （4）反向动力学算法：已知链接物末端位置和状态， 反求动力学方程以确定运动形式。 （5）随机运动算法：在某些场合下加进运动控制随机 因素。 2、算法动画 算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。 15 算法动画是指按照物理或化学等自然规律对运动进行 控制的方法、针对不同类型物体的运动方式，从简单 的质点运动到复杂的涡流、有机分子碰撞等，一般按 物体运动的复杂程度分为质点、刚体、可变软组织、 链接物、变化物等类型、也可以按解析式定义物体。 用算法控制运动的过程包括：给定环境描述、环境中 的物体造型、运动规律、计算机通过算法生成动画帧 。 目前针对刚体和链接物已开发了不少较成熟算法，对 软组织和群体运动控制方面也做了不少工作。 2、算法动画 算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。 16 一、画擦画方法 二、异或运算法 三、块动画法 四、多页面切换动画方法 五、图形变换动画法 六、逐帧动画法 七、函数式动画技术 计算机动画生成方法 动画片中每一序列实际上是一幅幅完全静止的画面 在快速展示时，使人产生不断运动的感觉。这些一幅幅 画面或由艺术家人工画好，通过图形输入设备输入计算 机，或者结合生成。 17 一、画擦画方法 原理： 先画某一瞬间的图形擦去该图形再画下一个瞬 间图形再擦去 这样，画擦画使得图形动起来 优点：实现简单 缺点：1、复杂图形画擦画时间长，效果差 2、在擦除前一幅图上运动部分图形时，往往会蒋重 叠在其上的不动的那一部分图形也擦去，影响动画效果 18 二、异或运算法（也称XOR动画法） XOR运算的一个重要特性就是它的“还原”作用。对屏 幕进行第一次XOR操作可以使像素值发生改变，显示一幅图 像；再一次XOR操作可以清除前一幅图像，把像素值还原回 来。 利用XOR运算的“还原”特性可以在屏幕上对一个运动 物体连续作XOR运算，而不必担心背景图形的储存与还原问 题。 如果将此特性运用到动画技术上，即在动态物体的同 一显示位置上连续进行两次XOR运算，然后在下一显示位置 作同样操作，如此反复进行，就使前景运动图形产生了动 画效果。 优点是前景动画图形的涂抹不影响背景图形。 19 三、块动画法 只改变屏幕中前景运动物体在画面中位置，而其背景 及动画物体形状不变 如：人造卫星绕地球运动 四、多页面切换动画方法 对于某些显示方法，其显示模式允许1个以上显示页面 一页：是主显示页，显示图形 另一页：是工作页，准备显示图形 工作原理： 开始一幅图先显示，多幅图在工作页上。 第一次工作页变显示页，显示图，另一显示页又变工作页， 放另一图形。这样来回地擦，可以显示动画图形。 20 五、图形变换动画法 利用图形变换功能，例：二维变三维，三维立方体变 三维棱锥体，通过变换过程显示动画功能，如将一个立方 体逐渐拉开并压制成一个三棱锥的动画过程。 如果计算机计算速度块，构成动画效果较好 六、逐帧动画法 逐帧动画基本原理类似于幻灯片制作与播放过程 将屏幕上显示一幅幅图象存放在一个文件中，然后按顺序 不断读取和播放这些画面，产生动画效果。 21 七、函数式动画技术 利用数学函数和数学方程式，根据自变量和因变量关 系，让自变量逐渐增加或减少，进行连续变化，从而获得 图形连续变化。 例如：利用圆绘制方程可以得到以下几种不同动画效果 1、水波和电波发射 固定圆心让半径以一定特定步长增值。 2、旋转球体 利用图形旋转变换，可以让圆型图形在三维空间中沿 各个方向，绕多种旋转轴旋转变化加上球体色彩、条纹、 阴暗等，也就可以形成简单的函数动画。 22 3、气球和气泡 利用圆的方程构成球体。加上明暗效果和透明体光照效 果，就可以形成气球和气