第1章 计算机动画概述.doc

第1章 计算机动画概述对于许多人来说，计算机动画基本上等价于那些大银幕上的故事，如星球大战、玩具总动员、泰坦尼克号等。但是并不是所有的，或者说事实上只有一部分计算机动画是在好莱坞这样的地方完成的。对于星期六早晨播放的那些卡通片而言（美国电视频道通常在星期六早晨播放预定的动画节目），它们很有可能完全是使用计算机来生成的。计算机游戏同样受益于各种最先进的计算机图形学技术，并且已经成为计算机动画技术研发的主要驱动力。实时的、性能驱动的计算机动画已经在SIGGRAPH SIGGRAPH是计算机协会（Association for Computing Machinery，ACM）针对计算机图形学组建的一个特别兴趣团体（Special Interest Group）。计算机协会（ACM）是计算机行业科学家的一个主要的专业性组织。上提出，并应用在芝麻街（Sesame Street，一个风靡美国的儿童电视节目）上。台式计算机的动画制作已经可以维持在一个合理的开销水准上，而基于网络的计算机动画设计也有各种规程可循。使用数字模拟技术来完成飞行员、SWAT反恐小组的训练项目，以及核反应堆的模拟也已经不是什么新闻了。这种种应用之间最显著的差别就在于它们的成本、画面要求质量，以及可用的交互行为的种类和数量。在这本书里，我们不会列举某一个应用领域的优势与不足，而是向读者介绍所有这些案例当中，计算机动画的算法实现和相关技术的使用。这里所说的计算机动画，指的是各种基于计算机实现的运算，其目的是产生多幅图像以构成对运动的感知。本书的重点在于三维图形数据的处理算法和相关技术。总的来说，任何可以被改变的数据量都可以被动画化。某个对象的位置和方向显然都是动画的组成元素，而以下这些内容同样可以构成某种形式的动画：物体的形状、着色参数、纹理坐标、光源的参数，以及摄像机的参数等。对于计算机动画的技术而言，通常有3种运动控制的实现方式。l 艺术动画（artistic animation），设计者需要全力负责运动的制作过程。艺术动画的构建基础是插值技术（interpolation）。l 数据驱动的动画（data-driven animation），此时我们需要将各种即时录制的运动过程数字化并且映射为图形对象。l 过程式动画（procedural animation），也就是建立一种计算模型以用于运动的控制。通常来说，这种动画的表现形式是对某种物理事件或行为的模拟，并且需要设置其初始条件。在走进计算机动画的世界之前，我们很有必要先了解一下它的传统、历史，以及一些相关的概念。本章的其余部分将讨论运动的感知、动画技术的变革、动画的生产过程，以及计算机动画业界中一些值得留意的作品。总之，本章将着重介绍计算机动画的基础概念及相关知识。1.1 感 知一幅图像可以迅速地传达大量的信息，这是由于人类的视觉系统是一个精密的信息处理设备。依此类推，运动的多幅图像就有可能在短时间内传递更多的信息。当然，为了生存的需要，人类的视觉系统同样在多变的世界中不断地进化，它同样可以察觉并解译那些运动的信息。一个被普遍认同的事实是，如果一系列图像迅速地依次显示，那么观察者会将其辨认为一幅运动的图像，这种情况的发生需要适当的观察条件和播放速度。此时由于人眼和大脑的组成结构，我们有可能将一个静态图像的序列感知为一个连续的图像。对此，一种通常的看法是这种体验源于人体的视觉暂留，即眼睛可以在图像刺激被移除的一瞬间保留其视觉印记。但是值得争议的是，这样的印记（又被称做独立静物的正视觉后像（positive afterimages），是否真的能填补连续变化的图像之间的感知空隙。对此，Peter Roget于1824年提出了自己的理论，即光照的痕迹可以保留在视网膜之上1。但是视觉的暂留并不等同于运动的感知。一个白色光源的旋转如果能够达到足够的速度，那么我们将感受到一个静止不动的白色环。虽然这种现象可以归因于视觉的暂留，但是其结果却是静止的。而电影院标牌上的一组霓虹灯的连续开关，则可以产生一个循环运动的发光体的效果。在这里我们感知到了运动，但是却不包含任何视觉的暂留，因为我们并没有输出独立的图像。近年来，越来越多的人开始质疑（生理学上的）视觉暂留机制的产生及其结果，而运动的感知也开始被归因于一种（心理学上的）拟动现象（phi phenomenon），即外在的运动最终指向了一种名为-运动（beta motion）的行为234。无论其内部机理是怎样的，我们的结论依然不变，即对于影片和视频而言，如果一个图像序列可以以一种足够快的速度被依次显示的话，我们的眼睛将被愚弄并将它们解析为连续的影像信息。如果我们的器官无法建立起对这种连续影像的感知，那么我们会看到闪烁（flicker）的画面。这个时候，我们的眼睛和大脑事实上把动画识别为了快速的静止图像序列。依据外部条件的不同，如室内光照和观察的距离，我们能够把独立的图像序列感知为连续影像所需的播放速率也不相同。这个速率被称为临界闪烁频率（critical flicker frequency）5。我们已经知道，运动感知的最低限度就是建立对连续影像的感知，那么人眼的感知能力是否也有最高限度呢？答案是肯定的。人眼的感觉器官会频繁地对环境中的光照进行采样，而运动感知的极限，在一定程度上，也就取决于这些传感器官的反应时间，以及其他机械运动（例如眨眼和追踪观察）的限制。如果一个物体的运动对于观察者而言非常迅速，那么眼睛的感受器官将无法向大脑发出足够快的响应信号，也就无法轮廓分明地、独立地分辨物体的细节，从而产生模糊的运动效果6。在一个静止图像的序列中，这种运动模糊（motion blur）是由于物体运动的速度和场景采样的时间间隔的共同作用而产生的。对于静止的摄像机来说，如果快门速度相对于物体本身的速度而言足够快的话，那么就算是快速运动的物体也不会产生模糊。在计算机图形学中，如果我们总是可以及时和精确地对场景进行采样的话，就不会出现运动模糊的情形。如果要产生运动模糊，我们需要以大于默认时间间隔的方式对场景进行采样，或者通过手动控制来模拟这种采样的效果78。如果我们没有实现运动模糊的效果，那么快速运动的物体的图像序列将变得脱节，就好像在一些现场演出中使用频闪灯一样。这种效果通常称做频闪（strobing）。在手绘实现的动画里，我们通常需要对快速运动的物体在运动方向上进行拉伸，这样就可以在这个物体的连续各帧图像上产生交叠9，从而减轻频闪的问题。正如上面的讨论所提及的，我们事实上需要关注两种类型的速率。一种是播放或者刷新的速率，即浏览动画时每秒钟显示的图像数目；另一种是采样或者更新速率，即每秒钟出现的不同图像的数目。播放速率与动画的闪烁与否相关，而采样速率决定了运动的平滑程度。举例来说，NTSC制式（national television standards committee）的电视信号要求显示图像的速率为大约30fps 更准确地说，美国广播电视系统的制式是由国家电视标准委员会（NTSC）颁布的，其指定的帧速率为29.97fps48。，但是它是一种交错信 号 交错显示技术将每一帧分为两个场，每个场包含了奇数或者偶数行扫描线。奇数场或偶数场会交替显示在相应的设备之上5。，因此在通常的观察条件下，整个场的播放实质上要达到60fps才能避免闪烁的问题 10。在有些电视节目中（例如一些周六早晨播放的卡通片），每秒钟可能只需要6幅不同的图像，而每幅图像需要重复显示5次。通常来说，与口型同步的动画是隔帧绘制的（每两帧绘制一次），因为如果我们每帧都对其进行绘制的话，其显示可能会变得过于频繁。在电影院播放电影的速率通常是24fps（美国标准），但是为了减轻闪烁的问题，电影的每一帧实际上要被显示两次（double-shuttered），这样有效刷新速率将维持在48fps。另一方面，由于NTSC电视信号是交错的，我们可以在1秒内每60帧采样1次场景，从而产生平滑的运动效果（但是事实上所有帧的播放速率是30fps）5。计算机的显示设备通常采用逐行扫描的形式（非交错式），因此其刷新速率一般大于70fps 10 。1.2 动画的变迁在人们最宽泛的理解中，动画 我们也可以在一些文献中找到动画的更严格的定义，即使用一个静止物的序列来构建可视的运动图像。诸如动画人偶或者皮影戏一类的技术形式，并不能归入这一严格定义的动画范畴。意味着“赋予生命”，包括那些实地表演的木偶戏（例如我们在芝麻街节目中所看到的）、使用各种机电设备操控的运动偶人（动画人偶，animatronics）。人们一直在尝试各种赋予这些事物生命的方法。这一演变过程中集合了神话、欺骗、娱乐、科学以及医学的知识。许多有关动画的历史故事都采用了一种将生命拟人化的形式：从皮格马利翁（Pygmalion，希腊神话人物）到普罗米修斯（Prometheus，希腊神话人物），从瓦格纳的霍尔蒙克斯（Wagners Homunculus，源自歌德的浮士德）到玛丽雪莱的弗兰肯斯坦博士（Dr. Frankenstein）。有些人还试图创造可以模拟某些人类行为的机械设备，例如Jacque Vaucanson在1730年左右创造的机械吹笛手、鼓手和大便鸭（defecating duck），Wolfgang von Kempelen在1769年设计的象棋手，以及Pierre Jaquet-Droz在1774年设计的自动书写机，更不用说如今日趋流行的运用机械电子技术开发的各种人型机器人。早期（18世纪到19世纪）的机械装置设计主要来源于各种类型的科学辩论，而非真正取自人体的机械学原理（例如，Julien Offray de La Mettrie在1747年写就的Lhomme Machine一书，英译为Man a Machine，一直广受争议）。而拟人化的机械装置的设计原动力，则是来自一群天才的魔术师、钟表匠、哲学家、科学家、艺术家、解剖学家、手套制造者以及外科医生（参见Gaby Wood的著作 11 ，这是一部有关机械化生活的有趣的调查资料）。但是在本书中，我们的关注点则是各种使用独立静止图像序列来创建运动图像效果的设备，因为这些设备与传统的手绘动画之间有着更为紧密的联系。1.2.1 早期设备19世纪的人们对于视觉暂留，以及我们将一系列静止物解析为运动图像的能力进行了广泛的研 究12，这之后人们才发明了电影摄像机。对于这一现象的认识和随后的研究成果促使了一系列小玩具的发明1314。其中最简单的一种早期玩具可能就是留影盘了，它是一种在两边都绘制了图像的扁平圆盘，通过圆盘边缘的两根弦将它们各自反向连接起来（见图1-1）。通过旋转弦线，我们可以快速地反复翻转圆盘。如果翻转的速度足够快，两侧的图像就好像被叠加在一起一样。一个经典的留影盘会在一侧绘制一只鸟的图案，在另一侧绘制一个鸟笼；那么旋转的圆盘看起来就仿佛把鸟放入了鸟笼之中。另一种与之原理相同的技术是翻书效果，首先在一摞纸上面依次绘制一些独立的图案，当这些纸张快速地翻动时，我们就可以看到一个运动的场景了。图1-1 留影盘（Thaumatrope）在那些久负盛名的早期动画设备中，西洋镜（也称为wheel of life）是一个不得不提的名字。在其对称轴上放置了一个短粗的圆筒；在圆筒的内壁上环绕了一系列图样，每一幅图与邻近的图都稍有不同；在圆筒的每两个相邻图样之间都有一个垂直的长切割槽。这样当圆筒本身绕轴旋转时，我们的眼睛就通过这些槽来观察对面壁面上的图样（见图1-2）。当圆筒绕着对称轴旋转时，这些槽就会依次掠过我们的眼睛，在眼中形成一个图像的序列，从而形成了运动的效果。图1-2 西洋镜（Zoetrope）其他一些类似的小发明也使用了这种旋转的机理向观察者展示一系列静止的画面，如诡盘（Phenakistoscope）和活动视镜（Praxinoscope）。诡盘同样使用一系列旋转的槽来表示图像的序列，其方法是把两个圆盘放在轴上同时转动（一个圆盘上面有切槽，另一个则面向切槽方向绘制了一系列图像）。当沿着旋转的方向观看时，这些切槽会掠过观察者的眼睛，因而另一个圆盘上的图像序列会被依次看到。活动视镜则包括一个较大的绘制了多幅图片的圆筒，内部还呈圆筒状排列了一组面向图像的镜子。这些镜子是有一定角度的，因此可以把图像反射到观察者的眼睛里。就在19世纪和20世纪之交以前，活动图像（moving image）登上了历史的舞台。幻灯机（Magic Lantern，一种使用蜡烛或灯泡作为动力的图像投影机）和皮影偶人成了十分流行的影剧院娱乐项目15。而在教育领域，Etienne-Jules Marey16和Eadweard Muybridge1718对人类和动物的运动进行了深入的研究。Muybridge为了在自己的讲座中表现各种图像，发明了Zoopraxinoscope（一种同样基于旋转的带槽圆盘的投影设备）。之后在1891年，一场变革的种子被埋下了托马斯爱迪生发明了活动影像放映机（Kinetograph），从而促成了一个新兴产业的诞生14。1.2.2 早期的传统动画美国的动画产业在20世纪经历了爆炸性的发展，其主要形式为大量二维手绘图片的摄制（在这里，这同样是一种传统的动画创作形式）。对于早期传统动画的研究本身也很有意思14192021，但是本文的主要目的，则是对早年间动画技术的进步和演化过程作出一些客观的论述。爱迪生的Kinetoscope发明之后，电影技术本身又有了一些迅速的发展。其中最值得关注的，就是法国Lumiere兄弟（Auguste和Louis）发明的运动图像投影仪。1895年12月28日，他们被认证为第一家公共电影放映商。他们将自己的产品称为电影放映机（Cinematograph）。这种设备既可以用来放映，也可以用来制作电影。他们使用这种设备来记录每天的事件，例如火车驶入火车站的镜头。当这些连续的镜头放映给观众时，每个人都情不自禁地四散躲避。此外，这种设备也被用于航空摄影领域（在各种飞行器投入使用的几年之后）。1896年，Georges Mlis最早使用摄像机将没有生命的物体动态地表现出来。Mlis使用一些简单的摄像技法，如多次曝光、单格拍制（stop-motion）等来表达物体的出现、消失和形状改变2223。他拍摄的最有名的技巧电影是1902年的A Trip to the Moon。另一个电影动画的早期先驱者是美国人J. Stuart Blackton，他在1900年实现了场景中的动态“烟雾”特效，并且创造了世界上第一个动画卡通片Humorous Phases of Funny Faces（1906）。他使用了一块黑板，在每次拍摄时都重新擦除和绘制上面的图案，从而完成了这部影片。法国人Emile Cohl制作了一些短片，其中包括Fantasmagorie（1908），它被认为是第一部完全使用动画制作的电影。此外，美国人温瑟马凯（Winsor McCay）成为第一位知名的动画画家，其比较有名的作品包括Little Nemo（1911）和Gertie the Dinosaur（1914）。马凯被很多人认为是第一代流行动画片的缔造者19。 与许多早期动画家类似，马凯也是一位熟练的报纸卡通画家。他使用附在硬纸板上的宣纸完整地重绘了自己的每一幅图画，然后把它们分别制作成电影内容。他还是第一位尝试制作彩色动画的人。在其大量的早期作品中都纳入了一些滑稽的表演，他与屏幕上的动画角色进行了种种“交互”。与之相似，早期的卡通作品经常会把真实场景加入到动画角色当中。如果你不能理解这种十分流行的娱乐方式所带来的影响力，不妨考虑一下当时观众们的亲身感受他们并不知道电影是如何实现的，更不要说手绘动画的创作过程。对他们而言，那就是魔法。动画制作第一次主要的技术进步可以追溯到John Bray的贡献，他是第一个认识到为动画制作申请专利能够带来强大竞争力的人19。他从1910年开始从事相关的工作，并且为至今依然存在的传统动画产业奠定了基础。Earl Hurd在1914年加入了Bray的团队，并且取得了半透明赛璐珞（translucent cels，用于多层图像的叠加和合并到最终结果） 赛璐珞（cel，或者celluloid）是用于实现半透明动画层的原始材料。如今，我们使用醋酸盐来制造各种赛璐珞。以及灰度图（对应于黑白图）的专利权。Bray和其他人后来又改进了叠加的方案，加入了一个对齐用的记忆组件以及长卷纸上的背景绘制，以便更加方便地实现镜头的平行移动效果（Pan，即平行于背景平面移动摄像机）。除了Bray的团队以外，活跃于这个领域的还有Max Fleischer（Betty Boop）、Paul Terry（Terrytoons）、George Stallings（Tom and Jerry）以及Walter Lantz（Woody Woodpecker）。1915年，Fleischer注册了rotoscoping技术（根据之前记录的实际动作，逐帧贴合地绘制各幅图像）的专利。几年之后的1920年，Bray在当时的短片The Debut of Thomas Cat中试验了彩色技术。在技术不断发展的同时，动画作为一种艺术形式依然在苦苦地挣扎求生。菲力克斯猫（Felix the Cat）是历史上第一个个性鲜明的动画角色，它的创造者为Pat Sullivan工作室的Otto Messmer19。菲力克斯也成为20世纪20年代最为流行和收益最多的成功卡通角色。然而，在20世纪20年代末，新的力量已然崛起了声音技术，以及沃特迪斯尼（Walt Disney）。1.2.3 迪斯尼（Disney）无可置疑，沃特迪斯尼是传统动画历史上一个无法打败的人物。这并不仅仅是因为他的工作室所完成的几项技术变革，还因为迪斯尼比其他任何人都要更为有力地推动了动画作为一种艺术表现形式的发展21。迪斯尼在动画技术上的革新包括对于故事版的使用（故事的审核）以及铅笔绘图的使用（动作的审核）。除此之外，他还是声音和彩色动画（不过他并不是第一个使用彩色技术的人）的先驱者。迪斯尼还研究了如何在电影里使用现场录制的动作来创建更加真实的运动。在电影Steamboat Willie（1928）中，他第一个使用了声音技术，将自己的竞争者们远远地抛开。迪斯尼工作室一个显著的技术革新是发展了多平面摄像机技术（multiplane camera，见图1-3）1920。多平面摄像机包括一个安装在多个平面之上的摄像机，其中每个平面都包括一个动画单元。每个平面都可以在6个方向上运动（右、左、上、下、进、出），摄像机本身可以选择拉近和拉远的动作（见 图1-4）。多平面摄像机动画比我们想象的更加强大，当这些平面在各个方向上运动时，我们可以让摄像机靠近平面来产生更高效的变焦效果。使用不同的速度来移动多个平面则会产生视差现象，即观察者改变自己在场景中的视角时，近处的物体看起来好像更为迅速地穿过他的视野。这种效果可以很有效地模拟深度的现象，因而产生一种三维的体验。如果在移动摄像机的时候始终保持镜头开启，我们还可以实现更多的特效。例如，把图像挤出更高维度的形状；通过模糊的手段把深度信息包含在图像当中，进而产生运动模糊的效果。在动画艺术方面，迪斯尼完美地将独一无二的、惹人喜爱的人物形象赋予了自己的角色，如我们所熟知的米老鼠（Mickey Mouse）、布鲁托（Pluto）、高飞（Goofy）、三只小猪（Three Little Pigs），以及七个小矮人（Seven Dwarfs）2021。他推动了“角色的思想是其行为的驱动力”，以及“逼真的动画设计关键在于对真实生活的分析”这两种理念的发展。同时他还有一些即兴的创作，例如骷髅舞（Skeleton Dance，1929）和幻想曲（Fantasia，1940）。图1-3 迪斯尼的多平面摄像机支持多个二维平面的独立运动，从而产生视差等特殊效果（Disney Enterprises, Inc.）每个平面都可以在6个方向上运动摄像机的运动图1-4 多平面摄像机的运动范围，由此可以选择性地对图像进行组合1.2.4 其他贡献者20世纪30年代是各种动画工作室发展的鼎盛时期，其中知名的包括Fleischer、Iwerks、Van Beuren、Universal Pictures、派拉蒙（Paramount）、米高梅（MGM）以及华纳兄弟（Warner Brothers）。我们在这里讨论的所有技术进步的内容几乎都是在这一时期完成的。这些动画工作室之间的差别，以及他们的主要贡献更多的来自动画艺术的领域，而不是动画制作的技术范畴19。这些工作室里的许多著名的动画人都是师出迪斯尼工作室或者Bray工作室的，其中最为人们所熟知的包括Ub Iwerks、George Stallings、Max Fleischer、Bill Nolan、Chuck Jones、Paul Terry和Walter Lantz。1.2.5 其他动画媒介美国的手绘动画产业为我们留下了如此丰厚的遗产，以至于我们很自然地认为它就是计算机动画（同样牢牢扎根于美国）的先驱者。然而，计算机动画与其他一些动画技术之间也有着密不可分的联系。我们可以对计算机动画和其他定格动画技术，例如泥人动画和木偶动画，进行一些深入的比较。通常来说，三维的计算机动画设计过程中，第一步通常是物体建模的过程。之后我们通过对模型的操控来创建三维的场景，并将其渲染到动画图像序列上。与之相似的是，泥人和木偶动画这类定格方式的动画也需要制作和使用各种三维的角色，然后在独立的、精心设计的舞台上操纵它们13。当这些三维的实体角色被创建之后，我们会用它们来布置一个三维的环境。拉下来，我们将放置一台摄像机来观察这个环境并记录一幅图像。然后我们会调整一个或者多个这样的角色，并且可能会重新布置摄像机的位置。之后摄像机会拍下第二幅场景的图像。我们再次调整角色，再次进行拍摄，重复这一过程直到动画序列的完成。Willis OBrien（以拍摄金刚（King Kong）而闻名）被认为是这种定格动画的鼻祖。他的继任者，先后创作了巨猩乔扬（Mighty Joe Young），杰逊王子战群妖（Jason and the Argonauts）等作品的Ray Harryhausen，继续凭借自己的才能创作了很多令人印象深刻的作品。其他一些年代较近的知名作品还包括Nick Park的超级无敌掌门狗（Wallace and Gromit）系列，以及Tim Burton的圣诞夜惊魂（The Nightmare Before Christmas）、飞天巨桃历险记（James and the Giant Peach）和僵尸新娘（Corpse Bride）。由于计算机动画与录影技术之间也有着紧密的联系，它同样与录影艺术领域密切相关，后者大量依赖于视频信号的模拟控制来产生彩色化（colorization）和翘曲化（warping）等效果24。因为录影艺术本身是一个二维的过程，它与计算机动画的关系主要体现在动画内容的后处理技术上。不过这种关联正在逐渐减淡，因为现在我们越来越多地使用数字信号来记录计算机动画，而模拟信号的处理方法已经被逐渐取代了。1.2.6 动画的原理在开始学习各种计算机动画的技术和算法之前，我们有必要先来了解一下它们与手绘动画中的动画原理之间的关系。在Lasseter撰写的一篇文章中，一些来自迪斯尼的动画人21将动画的原理明确地与计算机动画的一些通用技术关联起来。这些原理可归纳为：挤压和拉伸（squash and stretch）、时间安排（timing）、附属动作（secondary action）、渐进与渐出（slow in and slow out）、运动弧线（arcs）、动作跟随与重叠（follow through/overlapping action）、夸张（exaggeration）、吸引力（appeal）、预备动作（anticipation）、场景布置（staging）、扎实的绘画（solid drawing）、连续动作法和重点动作法（straight ahead and pose to pose）。Lasseter是一个受传统观念影响很深的动画人，他曾先后在迪斯尼和皮克斯（Pixar）工作。在皮克斯工作室时，他负责制作了很多知名的计算机动画作品。比如1989年的锡玩具（Tin Toy），这是第一部获得奥斯卡金像奖的计算机动画作品。Lasseter是从计算机动画技术实现的角度论述了上述每一种动画原理，而我们这里将按照运动的品质和显著程度来划分动画原理的类型。因此，上述的有些原理会对应于不同的题目，而有的原理则会在多个标题下出现。1.2.6.1 物理模拟挤压和拉伸、时间安排、附属动作、渐进与渐出，以及运动弧线共同构成了场景对象的物理基础。一个给定的对象拥有一定的牢固度，以及一定的重量。这反映在它在运动中的形状变化（挤压和拉伸），尤其是碰撞当中。在一段动画中，必须贯穿始终地支持给定对象的这些属性。时间安排则用于动作的分隔，其依据是对象或者角色的权重、大小，以及个性。除此之外，还部分地取决于运动的物理特性和动画的艺术风格。附属动作是主动作的辅助者，比如它可能是对一个刚刚发生的动作的自然性反射。渐进与渐出、运动弧线的属性与物体穿过空间的方式有关。物体可以以某个姿势渐进与渐出（如果讨论的是物体的运动，那么也可以说成是渐快和渐慢（ease in and ease out）。这些速度的变化形成了惯性、摩擦和黏性。由于自然界的一些物理法则，如重力的影响，物体通常不会以直线的方式行进，而是采取某种弧线的方式。1.2.6.2 设计美观的动作夸张、吸引力、扎实的绘画、动作跟随与重叠这几种动画原理昭示了美观的动作或动作序列的设计理念。通常来说，动画师需要对动作进行夸张，以免它被观众忽视掉，或者用来强调某事（传统动画大师Tex Avery即以精于此道而闻名）。为了吸引观众的注意力，动画师需要使这些动作变得引人入胜（吸引力）。此外，一个动作必须流畅地转变成另一个（动作跟随与重叠），这样整个故事过程才会是连贯发展而非断续的运动。扎实的绘画意味着让角色看起来顺畅，而不是僵硬和呆板的形态。挤压和拉伸的原理可以用于动作夸张和创建流畅的动作。附属动作和时间安排在动作设计中也占据了一席之地。1.2.6.3 高效地呈现动作预备动作和场景布置的原理与动画动作向观众呈现的过程息息相关。预备动作意味着有一个新的动作即将开始，并且观众已经对其（或者其他的什么）有所准备。场景布置更详细地体现了动作呈现的全貌，这样观众就不会错过那些精彩的镜头。时间的安排也是高效呈现的组成部分，一个动作需要适当的时间过程才能达到吸引观众的效果。附属动作和夸张同样可以用于高效地完成一个动作的呈现过程。1.2.6.4 产生动作的技术连续动作法和重点动作法对应于动作的创建方式。连续动作法指的是从起始点开始，持续地沿路线执行动作。以物理为基础的动画就可以认为是这样一种形式的动画。重点动作法则是传统动画的一种典型方法，即首先选定一些关键帧，然后再插值产生各个过渡帧。1.2.7 电影制作的原理我们有必要回顾一下电影制作的基本原理，从而领会那些构建影像序列的有效方法。下文中列出了部分基本的动画原理，不过对此有兴趣的读者有必要深入地查阅一些完整的资料26。下文中的一些条目属于必须遵守的准则，而其他条目则属于动作呈现的一些备选方法。1.2.7.1 三点式光照法我们通常使用标准的3盏灯光设置法来实现场景中央物体的照明。3盏灯光分别为主光（key light）、补光（fill light）和边缘光（rim light）。主光通常位于摄像机一侧，直接射向中央的物体。这样观察者的注意力就会被集中到重要的对象之上。边缘光放置在中央物体的背面，用于提供物体边缘的高光效果（即照亮物体的边界，加强它与背景的对比效果）。补光通常采用泛光照明的方式，放置于摄像机之下，使用柔和的光照来填充物体表面的更多细节。如图1-5所示是一个有关这3种光照的例子。（a）主光：在帧右上方45的位置放置一个独立的聚光灯。这盏灯的强度最高，它同时负责投射物体的阴影（b）补光：从物体的右前方给出一个蓝色的补光，从而照亮主光产生的阴影区域。这盏灯的强度较弱，并且不能用来投射物体的阴影或者高光图1-5 三点式光照法的例子（c）边缘光：在主光的反方向放置了多盏灯光，用来照亮物体的边界，而不同于阴影。这些高光可以用来将物体与背景以及其他场景中的重叠物体区分开来（d）所有光照：最终的光照状态，即主光、补光和边缘光的组合。场景的渲染采取了光线跟踪的方式，并有选择地在部分表面上产生了反射效果（图像由Sucheta Bhatawadekar，ACCAD免费提供）图1-5 三点式光照法的例子（续）1.2.7.2 180规则当拍摄一条直线上的连贯动作（例如两个角色之间的转换过程）时，我们通常会在这段动作中独立地显示每个角色。摄像机被放置在一个角色的面前，稍稍偏向其侧面。180规则在这里意味着，当我们一个接一个地显示两个独立的角色时，摄像机应该放置在运动直线的同一侧。因此，摄像机的方向应该保持在180以内，也就是保持在两个角色的连线的同一侧。1.2.7.3 三分法则三分法则是指：在一幅画面中放置物体的最佳位置是画面的水平或垂直（或者两者皆有）方向的三分之一位置。特别要注意的是，不要在画面的中心放置主题，也不要在画面的边缘放置它们。1.2.7.4 拍摄的手段摄像机拍摄的手段可以按照摄像机与主题的距离或者拍摄的角度来划分。基于距离的拍摄包括极端远景、远景、中距、近景、特写、极端特写。拍摄手法的选择依赖于可见细节的总数和位置，以及拍摄时包含的环境上下文内容。低角度拍摄意味着摄像机从低处向上拍摄主题，从而赋予这个主题一种力量或者压迫感。与之相反，高角度拍摄是从高处向下拍摄主题，从而表达出该主题是次要的或者无关紧要的含义。1.2.7.5 倾斜（tilt）倾斜摄像机（将摄像机绕着它的观察方向旋转）的拍摄方式可以表达出一种紧急、奇异或者恐惧的场面。1.2.7.6 取景（framing）取景指的是在图像中预留足够的空间来捕捉动作。在一个相对静止的视野中，我们需要为主题预留足够的空间以免它充满整个画面（除非我们必须这么做）。我们也需要为动作预留足够空间。如果主题是运动的，则需要为动作取景以便在主题的前方留出空余，这样主题才不会走出画面之外。1.2.7.7 吸引观众的注意力我们应该将观众的注意力吸引到图像的重要位置之上。可以使用颜色、光照、运动、聚焦等手段来指引观众的注意力，让他们看到你布置好的主题。例如，人眼会主动地注意到收拢的直线、画面中人物的眼神、从暗到亮或者从亮到暗的变化过程，以及画面中一条可以辨认的路线等。1.3 动画的生产虽然这本书的主题并不是最终动画的生产步骤，但是生产过程本身还是值得我们进行一些讨论的，以便建立起动画运作的整体思路来。对于动画技术人员来说，了解动画制作中的一集的多少部分组成，以及这一集动画最终是如何完成的，是非常有意义的。本节的大部分内容直接取自传统动画的制作流程，但是也适用于其他类型的动画生产。一集动画通常可以用4个层次来描述。当然，对于某个层次的命名可能各有不同 真实拍摄的电影可能需要5个层次：影片（film）、序列、场景（scene）、镜头和帧49。在此列出的术语在一些长篇计算机动画里面也经常用到。在这里，全部动画过程，也就是整个工程项目，被称为一个“产品”（production）。通常来说，产品可以被划分为一些主要的组成元件，也就是“序列”（sequence）。一个序列可以是一个主要的章节，通常与一个舞台区域相关联并以之为标志；而一个产品通常包括一个或多个序列。一个序列被分解为一个或多个“镜头”（shot），每个镜头都负责记录单一视图下的场景动作。一个镜头又可以被分解成独立的电影“帧”（frame），一帧也就是一幅录制的图像。示例结构如图1-6所示。 帧n镜头1镜头1镜头4序列2序列1产品帧2 帧1镜头3镜头2镜头2图1-6 一个简单的动画生产示例结构要策划和实现一个成功的动画产品的一集，有些步骤是不可或缺的1320。动画是一个反复试验、不断摸索的过程，它需要在一个步骤中对之前的步骤进行反馈，并且通常需要在不同的时间迭代多个步骤。即便如此，动画的生产通常还是有标准模式可循的。首先，它需要一个初步的故事情节（preliminary story），包括其脚本（script）。它还需要设立一个故事板（storyboard）来开展各个动作场景，草拟一些关键的动画帧。这些动画帧一般都是通过文字来记述的，它们设定了动作发生的情景。这一过程可以用来呈现、回顾和检讨一个动作的设计，并且可以用来检验角色的实现过程。我们还需要设计一个模型表（model sheet，由记录每个角色的不同姿势的多幅图样组成）来确认每个角色的形象是否在动画的重复绘制过程中保持一致。信息指示表（exposure sheet）的作用是记录每帧的信息，如音轨信号、摄像机的移动，以及各种构成元素；而流程表（route sheet）用于记录每个场景的统计信息和人员职别。草稿动画（animatic，或者story reel）可以在记录故事板的动画帧的时候生产。它与最终成品的序列是一样长的，因此它实质上是对动画时间的一种粗略的检验。一般来说，临时音轨（scratch track，或者rough sound track）也会在故事板设定的同时建立，并纳入到草稿动画当中。一旦故事板被确立下来（见图1-7），我们就需要开始制作详细的故事（detailed story），以便更具体地确立各种动作。之后我们需要确定各个关键帧（keyframe，也称extreme），并由主动画师负责将它们制作出来，从而辅助确立整个时间线、角色的实现，以及图像质量。副动画师和助理动画师的责任是完成关键帧之间的各个帧，也就是过渡帧（inbetweening）。测试镜头（test shots）是一种全彩色渲染的简短动画序列，主要用来测试渲染和运动的效果。如果要完整地测试一个运动，我们需要拍摄一个铅笔稿试拍（pencil test）。这是一种包含完整动作的较长序列，使用低质量的图像（如铅笔打的草稿）渲染而成。如果在测试镜头和铅笔稿试拍中发现了问题，可能需要对关键帧、详细故事甚至故事板本身进行重新设计和实现。（a）设置镜头：背景的概述，介绍动作发生的地点图1-7 故事板中的一个示例页面（b）尽量拉近：展示动作的细节，帮助观看者了解主要的角色和物件（c）放低角度：摄像机的位置以及在摄像机方向上发生的动作增强了场景的戏剧性效果（d）视点（point of view，POV）：向观看者展示当前出现的角色，这样可以更好地帮助了解这一动作的相关事件图1-7 故事板中的一个示例页面（续）（e）远景：展现整个动作，让观看者能够立即全方位地了解事件的动机、动作本身，以及事件的结果（f）越肩拍摄（over the shoulder，OTS）：摄像机从一个角色的背后越过其肩膀观察另一个角色或动作，这样观看者会感到自己置身于动作当中（图像由Beth Albright和Iuri Lioi免费提供）图1-7 故事板中的一个示例页面（续）将铅笔绘制的动画帧转绘到赛璐珞上的过程叫做描线（inking），而向赛璐珞板上着色的过程叫做涂绘（opaquing或painting）。声音在几乎所有类型的动画（无论手绘、计算机还是单格拍制的）中，声音都是最基本的一个组成部 分1319。上溯到20世纪20年代，早期剧院中放映的“无声电影”也需要用一些现场的情景音乐作为伴奏。这种做法后来演变成了电影（以及后来的视频）制作中的录音技术。从活动图像第一次被录制为电影的时候开始，音频录制技术的发展已经经历了大约30年的光阴；而音轨与录制动作的同步播放技术的发展也有足足30年之久。从那以后，人们设计发展了各种不同的影片声音格式，其中大部分都是使用与视频录制相同的媒介来保存音频的。以电影中用到的多种格式为例，音频被记录在图像数据的同侧或者中导孔之间，占据16个轨道。早期的音频格式主要是使用光学或者电磁的模拟轨道来记录声音，而如今更多新的格式则采取数字输出的方式来记录影片的音轨。使用与影片相同的位置来记录声音时，因为记录技术的架构设计所致，影像和音频的时间在物理上是强制统一的。对于有些格式而言，也可以使用独立的媒介（如CD）来保存声音数据。这样我们就可以记录更多的声音信息，但是需要在播放时创建一个同步接口。对于这种形式的视频来说，音频轨道通常被独立记录在视频信号轨道的旁边。在早期的电影和视频格式中，声音使用一种低带宽的模拟信号来记录，因此音频质量很低。如今的电影和视频技术更加强调声音的重要性，提供了多通道的、高质量的数字音轨。声音的制作有4种方式：语音（voice）、肢体声音（body sound）、特效（special effect）以及背景音乐（background music）。实地拍摄的影片中，出于正确计时的考虑，语音是随着动作拍摄的；而其他大部分声音都可以在后期处理的过程中加入。在动画中，语音则是提前被录制的，之后动画制作者再尝试与它实现同步。此外，如果能够在录制音频的同时将配音者的形象可视化的话，那么对于动画师制作与之配合的面部表情和身体语言也是很有指导意义的。演员也可能发出非语言类的声音，如衣服的摩擦声、脚步声、处置物体时的声音，这些统称为肢体声音。为了艺术上的表达目的，这些录制好的肢体声音通常会被另一种合成的声音（又称foley）所替代。这类合成声音必须与演员的行动同步，而专职负责创建这种声音的人就称做声音合成师（foley artist）。特效（如砸门声、汽车引擎的转动声等）也必须与动作同步，但是不需要语音和合成音那么高的准确性。背景和心情音乐的录制可以在事后进行，通常也不需要对动作进行精确的计时。这类声音与语音不同，它们是在真人电影或者动画的拍摄完成之后才添加的。1.4 计算机动画的生产计算机动画的生产过程参考了传统动画生产的大部分思想，包括故事板、测试镜头和铅笔稿试拍的使用。故事板这个名词被直接用于计算机动画生产中，不过它现在也可以直接在线完成。它依然需要在动画过程中记录一些功能性位置，并且是动画策划过程中的一个重要组成部分。关键帧以及过渡帧插值方法的使用，则成为计算机动画一个基础的技术范畴。虽然计算机动画继承了传统动画的不少生产手段，但是这两者在创建独立的一个动画帧的时候依然有着显著的区别。计算机动画通常需要严格地区分这几种概念：创建模型，创建一个模型层（包括摄像机的位置和光照），指定模型、光照和摄像机的运动，执行模型的渲染过程。这样我们就可以有效地复用这些模型和光照的设置。在传统动画中，上述步骤一般是在每次开始绘图时同步进行的。假如使用多层绘制的方法，我们可以复用的基本上只有一些背景信息而已。传统动画中的两个主要评估工具，即测试镜头和铅笔稿试拍，在计算机动画中也有类似的实现。在创建计算机动画的一帧时，我们需要多次进行速度和质量的权衡模型的构建、光照、运动控制以及渲染。在其中12个步骤中使用一些高质量的技术，就可以立即检验最终成果的相应方面是否能够符合经济划算的标准。计算机动画的测试镜头，即是使用高质量的渲染方式来绘制一个十分精细的模型，其时间可以是单独的一帧、最终成品中一个短暂的帧序列，或者成品中一个长序列的每n帧采样。而铅笔稿试拍的替代方法则是简化模型的复杂度，使用一些低质量或者低分辨率的渲染方法，只开启最重要的光照，或者只实现一些简化的运动方式。通常来说，我们很有必要创建一个模型的多个细节层次，从而表现出这个模型的不同细节度的形态。例如，我们可以绘制一些占位立方体（placeholder cube）来表达空间中刚体物体的粗略运动，以及各个物体之间的空间关系和实时状态。“旋转体”（Solids of revolution，这类物体是使用边界轮廓线绕着一个轴旋转一定数值后，使用平面来填充旋转得到的轮廓线截面之间的空隙得到的）本身则很适合制作多个细节层次，因为我们可以直接指定给定模型的旋转距离和截面数。在最终渲染之前，我们也可以暂时关闭纹理贴图和位移贴图的功能。要简化角色的运动，我们可以只保留环境中的关节动画角色 关节动画角色也就是包含了树状结构刚体零件的连接关系的模型。这里的连接关系也就是转动或者移动的关节，它们可以帮助一个零件参照其连接部件的坐标系进行旋转或移动。的关键姿态，这样可以避免更多的动作插值和反向运动学的运算。如果当前序列的效果不是位于场景中央的话，我们也可以选择性地关闭对它的碰撞检测和响应。诸如烟雾和水面这类复杂的效果也可以在测试阶段删除，或者用简单的几何形状来代替。渲染过程的很多特性都可以选择性地打开或关闭，并不需要花费完整的计算量去渲染成品，从而为动画师了解和检验最终成品的质量提供了巨大的灵活性。通常我们可以很高效地用一些运动测试的方法来实时地计算动画的结果，而不用渲染一个完整的、平滑的、透明的和贴附了纹理的场景。线框渲染的物体有时候也可以用在测试过程中。阴影、平滑着色、纹理贴图、环境贴图、镜面反射，以及实体纹理映射，这些特性对于动画师来说都是可以在渲染程序中选择运行的。就算是在商业动画的制作中，我们也经常会在不影响最终产品质量的前提下寻找一些计算的捷径。例如，动画师会选择相关物体并将其投射阴影到其他场景物体之上。此外，作为一种动画合成上的因素，有选择地投射阴影，也会比计算场景中每个物体在其他物体上投射的阴影要节省时间。对于动画而言，我们通常会使用环境贴图来代替光线跟踪的方法，而照片级别的渲染通常是不需要的。计算机动画很好地实现了测试镜头和铅笔稿试拍手段的替代方案。事实上，由于计算机动画中某个场景的质量是可以独立控制的，有人甚至认为这些演化后的技术在这里所起到的作用比传统动画中要更为重要。1.4.1 计算机动画的生产任务运动的控制是本书的一个主要内容，因此我们有必要在这里注明，运动控制是计算机动画生产时唯一要重点关注的方面。当然，其他的工序（以及其他的开发者）也是构成最终产品的重要一环，不应当予以忽视。如前文中所提到的，生产一部高质量的动画是一个不断尝试、不断进步的迭代过程，因此在执行其中的某一个工序时，我们有必要同时考虑之前