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1、哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学院 苏小红,第九章 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,3,动画技术的起源、发展与应用,是计算机图形学和艺术相结合的产物 综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学、生物学和其它相关学科的知识,4,动画技术的起源、发展与应用,1831年，法国人J.A.Plateau发明 传统的图片动画 Phenakistoscope机器 恐龙专家格尔梯 1909年，美国人W.McCay制作 世界第一部卡通动画片 虽然片子时间很短，但McCay却用了大约一万幅画面。,5,动画技术的起源、发展与应用,1
2、913至1917年间，美国卡通系列动画片 以由P.Sullivan制作的小猫菲利斯最为著名。,1928至1938年间，米老鼠和唐老鸭等系列动画片 美国人Walt Disney制作 1928年制作的第一个米老鼠短片 第一部具有同步音响效果的影片,6,动画技术的起源、发展与应用,计算机动画 是二十世纪60年代中期发展起来的 Peter Foldes以他的计算机动画片饥饿 1974年，在法国嘎纳电影节上，获得评委会奖,7,动画技术的起源、发展与应用,二十世纪90年代，计算机动画在好莱坞掀起了一场电影技术的风暴,詹姆斯.卡麦隆导演终结者 创下了全球5.14亿美元的非凡票房收入 追赶主角的穷凶恶极的液态
3、金属机器人可以从一种形状神奇地变化成另外一种形状,8,动画技术的起源、发展与应用,1993年，导演斯皮尔伯格开始制作影片侏罗纪公园 ILM（Industrial Light & Magic）实验室制作的恐龙片断 荣膺该年度的奥斯卡最佳视觉效果奖,9,动画技术的起源、发展与应用,1996年，玩具总动员 世界上第一部完全用计算机动画制作的电影,3000万美元的投资 获得了破记录的3.5亿美元的票房收入 还获得奥斯卡最佳剧本奖的提名 其意义在于：给电影制作开辟了全新道路,10,国内作品里程碑,电影相似 92年，北方工大CAD中心，SGI工作站，用C语言编写 93年北京科教厂优秀电影特别奖 93年广电
4、部科技进步二等奖 儿童寓言电视片咪咪钓鱼 386上，C语言编写，10分钟，5人10个月 浙江大学，中科院计算所，数学所等,11,计算机动画的应用,商业广告制作 建筑装潢设计 随着VR技术的发展，照片式效果图 将会被三维漫游动画录象所替代 电脑游戏制作 影视特技制作 国防军事、工业制造、医 疗卫生、法律（如事故分析）、娱乐、 可视化教学、飞行模拟、生物工程、艺术等,12,计算机动画的未来（1/4）,最令人激动不已的当属影视制作方面 展望1 虚拟演员 美国沃尔特迪斯尼公司就曾预言: 21世纪的明星将是一个听话的计算机程序，它们不再要求成百上千万美元的报酬或头牌位置,13,计算机动画的未来（2/4）
5、,“听话的计算机程序”就是虚拟角色，也称为虚拟演员(Virtual Actor) 广义上它包含两层含义： 用电脑处理手法使已故的著名影星“起死回生” 完全由电脑塑造出来的电影明星 如蚁哥正传中的蚁哥 最终幻想中的艾琪,14,计算机动画的未来（3/4）,展望2 交互式电影(Interactive Movie) VR是实现途径 由观众亲涉其间，控制角色的举动，从而对场景产生互动后果,15,计算机动画的未来（4/4）,展望3 以前 采用程序设计语言编程制作 今后 面向动画师的界面良好的交互式系统 基于人工智能理论的面向用户的动画系统 基于自然语言描述的脚本 用计算机自动产生动画,16,传统动画,什么
6、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,17,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 动画不只是产生运动的效果 还包括变形、变色、变光等,18,每秒24-30帧，18帧 创意：描述故事：故事梗概、脚本、故事版。,制作动画的传统方法（1/2）,传统动
7、画主要是生产二维卡通动画片,19,制作动画的传统方法（2/2）,设计：具体场景及演员动作、音乐、布景，背景图， 音轨:动画制作前录音，对话，音乐与动作保持同步 动画制作 中间帧 静电复制和墨水加描：草图 醋酸纤维胶片 绘制（渲染），着色 检查 拍摄 剪辑,20,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，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，而是利用计算机进行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。,21,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
8、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,22,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，动画形体,具有学习能力，有待于人工智能技术的发展,23,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
9、的关系就像文字处理机与文字作家的关系一样,24,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,25,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、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,26,实时动画和逐帧动画,逐帧
10、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,27,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,28,特殊效果（1/2）,慢动作 高速拍摄、正常播放 快动作 低速拍摄、正常播放,29,运动序列中画面的切换 直接切换 推拉（zoom） 摇移（ pan ） 俯仰（Tilt） 淡入/淡出(fade in/fade o
11、ut) 软切，也称溶镜（Dissolve） 交叉淡化 滑入，也称抹擦（Wipe）,特殊效果（2/2）,30,主要的动画技术（1/24）,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,31,主要的动画技术（2/24）,1. 参数keyframe 给出两幅关键帧，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,32,主要的动画技术（3/24）,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
12、：Rx,Ry,Rz, 比例参数：Sx,Sy,Sz,33,主要的动画技术（4/24）,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,34,匀速运动的模拟 假定需在时间段t1与t2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: j = 1, 2, ,n,主要的动画技术（5/24）,35,加速运动的模拟 为使帧间的时间间
13、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: j = 1,2,n,主要的动画技术（6/24）,36,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： j = 1,2,n,主要的动画技术（7/24）,37,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: j = 1, 2, n,主要的动画技术（8/24）,38,主要的动画技术（9/24）,关键帧动画存在的主要问
14、题 交互响应慢 物体运动的物理正确性和自然真实性难以保证,39,主要的动画技术（10/24）,2. 样条驱动技术 基于运动学描述 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,40,主要的动画技术（11/24）,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,41,主要的动画技术（12/24）,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
15、 速度曲线 关键帧对时间的函数,42,主要的动画技术（13/24）,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,43,主要的动画技术（14/24）,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。,44,主要的动画技术（15/24）,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线性或非线性的形变 基于
16、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,45,主要的动画技术（16/24）,自由变形技术（FFD） Free Form Deformation Sederberg和Parry 1986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,46,主要的动画技术（17/24）,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,47,主要的动画技术（18/24）,4. 过程动画技术 Procedura
17、l Animation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 水波运动，三维森林、草叶随风飘动，火光、烟雾等特殊光效,48,主要的动画技术（19/24）,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,49,主要的动画技术（20/24）,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 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,50,主要的动画技术（21/24）,7. 行为动画 Behavio
18、ral Animation 要求实时性、VR 处于初级阶段，文章少,51,主要的动画技术（22/24）,8.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 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,52,主要的动画技术（23/24）,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
19、,53,主要的动画技术（24/24）,应用： 电影特效 医学康复动作分析 运动员的动作训练 商业广告 电子游戏娱乐事业,54,微机上的二维动画软件,Macromedia公司出品的Flash 采用流式播放技术 被广泛用于制作网页动画 Animator Studio COOL 3D Firework等,55,常用的三维动画软件（1/4）,3D Studio与3DS MAX 美国Autodesk公司,56,常用的三维动画软件（2/4）,Softimage 3D Microsoft收购加拿大Softimage后，将工作站上的Softimage移植到了Windows NT下,57,常用的三维动画软件（3
20、/4）,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 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,58,常用的三维动画软件（4/4）,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,59,动画的后期处理,动画的后期处理 影视片段剪辑与特技处理 包括抠像、合成、图像Morphing、特殊光效等 软件主要有： Discreet Logic公司的Flint Softimage公司的Eddie Alias公司的Composer Adobe公司的After Effects、Premier,