计算机图形学计算机动画.ppt

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1、第10章 计算机动画,2,内容提要,动画技术的起源、发展与应用 传统动画 计算机动画 计算机动画中常用技术简介 常用的动画软件及动画文件格式,3,传统动画,什么是动画？世界著名的动画大师John Halas曾经说过：“动画的本质在于运动”动画是指将一系列静止、独立而又存在一定内在联系的画面（Frame）连续拍摄到电影胶片上再以一定的速度（一般不低于24帧/秒）放映来获得画面上人物运动的视觉效果。动画就是动态的产生一系列景物画面的技术，其中当前画面是对前一幅画面某些部分作的修改,4,计算机动画,随着计算机动画技术的发展，尤其是以实时动画为基础的Vidio game的出现不全面，局限动画不只是产生

2、运动的效果还包括变形、变色、变光等,5,每秒24-30帧，18帧创意：描述故事：故事梗概、剧本、故事版。,制作动画的传统方法,传统动画主要是生产二维卡通动画片,描述故事的大致内容,描述一个完整的故事，但不包括拍片的任何注释,绘制出配有适当解说词以表现剧本大意的一系列主体草图,6,制作动画的传统方法,设计：根据故事版，确定具体场景，设计演员动作，完成布景的绘画，绘制背景的设计草图音轨：动画制作之前完成录音工作，对话、音乐与动作保持同步动画制作：核心是帧的制作，主动画师绘制关键帧（52集动画连续剧西游记绘制了100万张原画、近2万张背景，共耗纸30吨、耗时整整5年）中间（插补）帧制作：助理动画师绘

3、制主要的插补帧，其余由插补员完成,手工绘制 生产过程复杂需要大量人力,7,制作动画的传统方法,6.静电复制和墨水加描：使用特制的静电复制摄像机，将铅笔绘制的草图转移到醋酸纤维胶片上，手工用墨水加描线条7.绘制（渲染），着色8.检查与拍摄9.剪辑：胶片的汇总、分类及拼接10.配音及复制：选择音响效果配合影片中的人物动作，对声音进行复制，将人物对话、音乐、音响混合在一个声道内，记录在胶片或录像带上,8,电影拍摄与电视拍摄,基本原理相同，不同之处主要表现在：存储介质不同 播放速度不同,电影每秒24帧电视：PAL制：每秒25帧NTSC制：每秒30帧,9,特殊效果（1/2）,慢动作高速拍摄、正常播放快动

4、作低速拍摄、正常播放,10,运动序列中画面的切换直接切换淡入(fade in):渐渐从黑暗处显现，变清晰淡出(fade out):渐渐变暗，变模糊推拉（zoom）:变焦，接近或远离摇移（pan）:摄像机水平移动俯仰（Tilt）:摄像机垂直移动软切，溶镜(dissolve):第一个镜头随着时间而融化在第二个镜头中，第一个镜头的最后一格淡出，第二个镜头的第一格淡入划变(split screen)：将后一个场景逐渐滑入到前一个场景中，场景分界线由多种形式,特殊效果（2/2）,11,计算机在动画中所起的作用（1/2）,早期：主要表现在帧的制作上关键帧通过数字化采集方式得到，或者用交互式图形编辑器生成，

5、对于复杂的形体还可以通过编程来生成插补帧不再由助理动画师和插补员来完成，而是利用计算机自动完成插补帧的制作，包括复杂的运动也由计算机直接完成。,12,计算机在动画中所起的作用（2/2）,随着三维造型技术和计算机动画技术的发展 在着色方面，画面图像通过交互式计算机系统由用户选择颜色，指定着色区域，并由计算机完成着色工作在拍摄方面，用计算机控制摄像机的运动，也可用编程的方法形成虚拟摄像机模拟摄像机的运动在后期制作阶段，用计算机完成编辑和声音合成,13,计算机动画系统的分类,根据系统的功能分五级,交互式造型、着色，相当于一个图形编辑器,计算并生成插补帧，代替插补员的工作,模拟虚拟摄像机操作,定义角色

6、，动画形体,具有学习能力，有待于人工智能技术的发展,14,计算机辅助二维动画,设计脚本 绘制关键画面加层控制中间画面实时预演着色渲染生成文件进行编辑输出到录像带,计算机辅助制作动画的系统与动画师的关系就像文字处理机与文字作家的关系一样,15,计算机辅助三维动画（1/2）,二维动画：仍然基于人的手在平面上绘制画面效果在很大程度上取决于人的绘画水平绘画过程只是在平面中表现，表现力受限三维动画：三维动画模拟一个真实的摄影舞台这个舞台上既包括拍摄的主体对象还包括灯光、背景、摄像机等,16,计算机辅助三维动画（2/2）,进行创意，形成动画制作的脚本 建立画面中各种物体的三维线框模型 确定并调整物体的颜色

7、、材质、纹理等属性 调整灯光，确定背景、环境 模拟虚拟摄像机的运动，让目标运动起来 对动画进行预演 加工处理 将存储在计算机中的图像序列录制到录像带,17,实时动画和逐帧动画,逐帧动画：制作一帧需要几分钟甚至更长的时间，这些帧录制好后，以每秒24帧的速度放映实时动画：动画的生成是直接的，用户可以用交互式的方式让画面中的形体快速移动用户现场选择的时刻就是实现的时刻，结果直接反映到计算机屏幕上,18,主要的动画技术,参数关键帧技术样条驱动技术变形技术过程动画技术关节动画与人体动画技术基于物理模型的动画技术行为动画技术运动捕获技术,19,主要的动画技术（1/21）,1.参数keyframe给出两幅关

8、键帧，计算机生成中间画面刚体运动模拟早期仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状后来对运动参数插值，实现对动画的运动控制,20,主要的动画技术（2/21）,可归结为关键参数的插值问题位置、色彩、纹理9个运动参数决定位置参数：Tx,Ty,Tz,方向参数：Rx,Ry,Rz,比例参数：Sx,Sy,Sz,21,主要的动画技术（3/21）,与纯数学插值问题不同：一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的但从运动学或动画设计角度看，则可能是错误的关键帧插值要求：能产生逼真的运动效果用户能方便有效地控制运动的运动学特性例如，通过调整插值函数改变运动的速度和加速度,22,例一：匀速运动的模拟 假定需在时间段t1与t2

9、之间插入n(n=5)帧 终始关键帧之间的时间段被分为n+1个子段 其时间间隔为:t=(t2 t1)/(n+1)则任一插值帧的时刻为:tfj=t1+j t,j=1,2,n,主要的动画技术（4/21）,23,例二：加速运动的模拟 为使帧间的时间间隔增加 可使用下列三角加速函数来得到增加的间隔：1-cos,0/2 对于插值帧来说，第j个插值帧的时刻可由下式得到:tfj=t1+t 1 cos(j/(2(n+1)j=1,2,n,主要的动画技术（5/21）,24,例三：减速运动的模拟 使用下列三角减速函数来得到减少的间隔：sin,0/2,则第j个插值帧的时间位置被定义成：tfj=t1+t sin(j/(2

10、(n+1)j=1,2,n,主要的动画技术（6/21）,25,例四：混合增减速度的模拟 先增加插值时间间间隔后减少时间间隔所使用的时间变化函数是:1/2(1 cos)0 得到第j个插值帧的时刻为:tfj=t1+t 1/2 1 cos(j/(n+1)j=1,2,n,主要的动画技术（7/21）,26,主要的动画技术（8/21）,关键帧动画存在的主要问题 交互响应慢 轻微地修改动画剧本，都需要将整幅动画重新制作 物体运动的物理正确性和自然真实性难以保证关键帧插值不考虑物体的物理属性和力学特性物体运动的物理正确性和自然真实性只能依赖动画师的技巧,27,主要的动画技术（9/21）,2.样条驱动技术基于运动

11、学描述用户事先指定一条物体运动的轨迹通常用三次参数样条表示指定物体沿该轨迹运动 也称运动轨迹法所要解决的基本问题通过对样条曲线等间隔采样求出物体在某一帧的位置从而生成整个动画序列,28,主要的动画技术（10/21）,如果直接对参数空间进行等间隔采样，势必带来运动的不均匀性匀速运动时，需要对样条进行弧长参数化,29,主要的动画技术（11/21）,为解决插值的时间控制问题Steketee提出用双插值方法位置样条空间轨迹曲线 物体位置对关键帧的函数运动样条速度曲线 关键帧对时间的函数,从速度曲线上找到给定时刻对应的弧长（即关键帧）,使物体沿空间轨迹曲线运动该弧长距离,为了求得某一时刻物体在空间轨迹曲

12、线上的位置,30,主要的动画技术（12/21）,3.变形技术 柔性物体（soft object）动画技术许多商用动画软件都提供变形工具Softimage、Alias、Maya、3DS MAX,31,主要的动画技术（13/21）,Morphing技术指将一个给定的数字图像或者几何形状S以一种自然流畅的、光滑连续的方式渐变为另一个数字图像或者几何形状T。,基于物体表示的变形技术适用于物体拓扑结构不发生变化的变形操作,32,主要的动画技术（14/21）,基本思想：移动顶点，通过顶点改变，达到变形给出物体形变的几个状态如两个物体或两幅画面之间特征的对应关系以及相应的时间控制关系物体沿给定的插值路径进行

13、线性或非线性的形变,33,主要的动画技术（15/21）,多边形的变形男人变女人,34,主要的动画技术（16/21）,自由变形技术（FFD）Free Form DeformationSederberg和Parry1986年提出基本思想不对物体直接进行变形而是对物体所嵌入的空间进行变形引入一种基于三变量B样条体的变形工具lattice,35,主要的动画技术（17/21）,优点：最实用，适用面最广间接的与物体表示无关的变形方法物体的变形是任意的，可由动画师任意控制对变形的可控性更强缺点：缺乏对变形的细微控制，如人脸表情,36,主要的动画技术（18/21）,4.过程动画技术Procedural Ani

14、mation或Random Animation物体的运动和变形可由一个过程来控制物体的变形不是任意的遵循一定的数学模型或物理规律用数学模型控制物体的几何形状和运动如水波随风的运动复杂的变形，基于弹性理论、动力学、碰撞检测,37,主要的动画技术（19/21）,另一类过程动画是粒子系统动画（Particle system）Reeve提出，1983年 三维森林、草叶随风飘动，闪电，火光、烟雾等特殊光效已成功地应用于著名动画软件Alias|Wavefront、Softimage中 一个主要的优点是数据库放大的功能Reeves声称用三个基本的描述便可生成由百万个粒子构成的森林景色,38,主要的动画技术（

15、20/21）,5.关节动画与人体动画技术运动学、动力学方法用球体作为基本体素来构造人体主要难题：肌肉变形人体具有200个以上的自由度人的形状不规则人的肌肉随着人体的运动而变形人的个性、表情等千变万化 常规的数学和几何模型不适合表现人体的各种形态与动作 运动协调性人类对自身的运动非常熟悉不协调的运动很容易被观察者所察觉,39,主要的动画技术（21/21）,6.基于物理模型的动画技术考虑了物体在真实世界中的属性如它具有质量、转动惯矩、弹性、摩擦力等基于动力学原理来自动产生物体的运动特别适合于对自然物理现象的模拟如刚体运动模拟、塑性物体变形运动以及流体运动模拟等小球自由落体、不变形弹起、变形破裂,4

16、0,运动捕获技术,Motion Capture运动捕获的过程：真实演员按导演的要求做动作他的动作被转换为数字信息，通过感应器记录到计算机中计算机搜集这些数据后将信息传递到工作室，然后结果被3D化，在计算机中以线条形式表现出来，形成电影中角色的基础增加皮肤和外壳之后，那些线条就成为了虚拟角色,41,运动捕获技术,好莱坞的CG人体动作一般都会采用昂贵的动作捕获系统录制完成 1998年获奥斯卡视觉效果成就奖的泰坦尼克沉船时乘客落水的镜头全三维CG影片最终幻想人类面部表情,42,微机上的二维动画软件,Macromedia公司出品的Flash 被广泛用于制作网页动画 Animator StudioCOO

17、L 3DFirework等,43,微机上的二维动画软件,FLASH的优势,由于是矢量动画，所以不管放大多少倍依然清晰,容易上手，易学，易用,生成的动画文件很小，利于网上传播,采用流式播放技术，使得动画可以边下载边演示，克服了目前网络传输速度慢的缺点,44,微机上的二维动画软件,Flash是基于Windows的软件操作界面类似于Photoshop的窗体结构采用图层结构，可通过编辑各个图层来实现动画效果,45,微机上的二维动画软件,bmp、jpg、png、gif等图片显示格式在放大后会产生影响观看效果的色块，但FLASH不会。FLASH动画为什么能随意放大而不会对画面质量造成丝毫的损失呢？矢量动画

18、,46,微机上的二维动画软件,什么是矢量动画？以图片中心为原点，用点和线的相对坐标来表示图形的方式。与bmp、jpg等逐点描绘和区域色彩描绘方式不同例如，要做一条直线，只需要知道起始点和终点的坐标即可。如果是曲线，则可以通过添加曲率表示FLASH图形就是由一些点和联接它们的直线或是曲线构成的。,47,常用的三维动画软件,3D Studio与3DS MAX美国Autodesk公司擅长多边形建模最早出现在PC平台上的3D软件 用户数量较多,48,常用的三维动画软件,Softimage 3D Microsoft收购加拿大Softimage后，将工作站上的Softimage移植到了Windows NT

19、下侏罗纪公园里身手敏捷的速龙闪电悍将里闪电侠那飘荡的斗篷 狮子王中的角马 注重于影视包装方面的三维特效制作,49,常用的三维动画软件,Maya 3D 美国的Wavefront公司兼并法国的TDI公司，美国的SGI公司兼并加拿大的Alias公司，其后是Alias兼并Wavefront改名成为SGI属下的加拿大Alias/Wavefront公司 1998年推出超强级三维动画软件Maya 一家之鼠、101斑点狗、泰坦尼克号主要应用于角色表现方面的应用，其角色动画方面的表现力更符合三维艺术家的发挥 优点：交互方便图形绘制效率高引进了许多新的动画工具，如FFD技术等 强大的粒子系统 其发展大有超过Softimage 3D之势,50,常用的三维动画软件,LIGHTWAVE 3D 价格低廉，品质出色全球唯一支持大多数工作平台的3D系统在Intel(Windows NT/95/98)、SGI、Sun MicroSystem、PowerMac、DEC Alpha等各种平台上都有一致的操作界面影视制作的首选软件使用比例大大高于其它软件连Softimage 3D也甘拜下风 泰坦尼克号中的泰坦尼克号模型,