哈爾濱工業(yè)大學(xué)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蘇小紅第九章計(jì)算機(jī)動(dòng)畫1內(nèi)容提要

動(dòng)畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用傳統(tǒng)動(dòng)畫計(jì)算機(jī)動(dòng)畫計(jì)算機(jī)動(dòng)畫中常用技術(shù)簡介常用的動(dòng)畫軟件2動(dòng)畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用 是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和藝術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物綜合利用計(jì)算機(jī)科學(xué)、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和其它相關(guān)學(xué)科的知識(shí)3動(dòng)畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用1831年，法國人J.A.Plateau發(fā)明傳統(tǒng)的圖片動(dòng)畫Phenakistoscope機(jī)器《恐龍專家格爾梯》1909年，美國人W.McCay制作世界第一部卡通動(dòng)畫片雖然片子時(shí)間很短，但McCay卻用了大約一萬幅畫面。4動(dòng)畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用1913至1917年間，美國卡通系列動(dòng)畫片以由P.Sullivan制作的《小貓菲利斯》最為著名。1928至1938年間，《米老鼠和唐老鴨》等系列動(dòng)畫片美國人WaltDisney制作1928年制作的第一個(gè)《米老鼠》短片第一部具有同步音響效果的影片5動(dòng)畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫是二十世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來的PeterFoldes以他的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫片《饑餓》

1974年，在法國嘎納電影節(jié)上，獲得評委會(huì)獎(jiǎng)6動(dòng)畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用二十世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在好萊塢掀起了一場電影技術(shù)的風(fēng)暴詹姆斯.卡麥隆導(dǎo)演《終結(jié)者Ⅱ》創(chuàng)下了全球5.14億美元的非凡票房收入追趕主角的窮兇惡極的液態(tài)金屬機(jī)器人可以從一種形狀神奇地變化成另外一種形狀7動(dòng)畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用1993年，導(dǎo)演斯皮爾伯格開始制作影片《侏羅紀(jì)公園》

ILM（IndustrialLight&Magic）實(shí)驗(yàn)室制作的恐龍片斷榮膺該年度的奧斯卡最佳視覺效果獎(jiǎng)8動(dòng)畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用1996年，《玩具總動(dòng)員》

世界上第一部完全用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作的電影3000萬美元的投資獲得了破記錄的3.5億美元的票房收入還獲得奧斯卡最佳劇本獎(jiǎng)的提名其意義在于：給電影制作開辟了全新道路9國內(nèi)作品里程碑電影《相似》92年，北方工大CAD中心，SGI工作站，用C語言編寫93年北京科教廠優(yōu)秀電影特別獎(jiǎng)93年廣電部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)兒童寓言電視片《咪咪釣魚》386上，C語言編寫，10分鐘，5人10個(gè)月浙江大學(xué)，中科院計(jì)算所，數(shù)學(xué)所等10計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的應(yīng)用商業(yè)廣告制作建筑裝潢設(shè)計(jì)隨著VR技術(shù)的發(fā)展，照片式效果圖將會(huì)被三維漫游動(dòng)畫錄象所替代電腦游戲制作影視特技制作國防軍事、工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、法律（如事故分析）、娛樂、可視化教學(xué)、飛行模擬、生物工程、藝術(shù)等11計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的未來（1/4）最令人激動(dòng)不已的當(dāng)屬影視制作方面展望1虛擬演員美國沃爾特·迪斯尼公司就曾預(yù)言:21世紀(jì)的明星將是一個(gè)聽話的計(jì)算機(jī)程序，它們不再要求成百上千萬美元的報(bào)酬或頭牌位置12計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的未來（2/4）“聽話的計(jì)算機(jī)程序”就是虛擬角色，也稱為虛擬演員(VirtualActor)廣義上它包含兩層含義：用電腦處理手法使已故的著名影星“起死回生”完全由電腦塑造出來的電影明星如《蟻哥正傳》中的蟻哥《最終幻想》中的艾琪13計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的未來（3/4）展望2交互式電影(InteractiveMovie)

VR是實(shí)現(xiàn)途徑由觀眾親涉其間，控制角色的舉動(dòng)，從而對場景產(chǎn)生互動(dòng)后果

14計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的未來（4/4）展望3以前采用程序設(shè)計(jì)語言編程制作今后面向動(dòng)畫師的界面良好的交互式系統(tǒng)

基于人工智能理論的面向用戶的動(dòng)畫系統(tǒng)基于自然語言描述的腳本用計(jì)算機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)畫15

傳統(tǒng)動(dòng)畫

什么是動(dòng)畫？世界著名的動(dòng)畫大師JohnHalas曾經(jīng)說過：“動(dòng)畫的本質(zhì)在于運(yùn)動(dòng)”動(dòng)畫是指將一系列靜止、獨(dú)立而又存在一定內(nèi)在聯(lián)系的畫面（Frame）連續(xù)拍攝到電影膠片上再以一定的速度（一般不低于24幀/秒）放映來獲得畫面上人物運(yùn)動(dòng)的視覺效果。動(dòng)畫就是動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生一系列景物畫面的技術(shù)，其中當(dāng)前畫面是對前一幅畫面某些部分作的修改16

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫

隨著計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展，尤其是以實(shí)時(shí)動(dòng)畫為基礎(chǔ)的Vidiogame的出現(xiàn)不全面，局限動(dòng)畫不只是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的效果還包括變形、變色、變光等17每秒24-30幀，18幀創(chuàng)意：描述故事：故事梗概、腳本、故事版。制作動(dòng)畫的傳統(tǒng)方法（1/2）梗概腳本故事版序列場景1鏡頭n鏡頭1鏡頭1鏡頭m場景1傳統(tǒng)動(dòng)畫主要是生產(chǎn)二維卡通動(dòng)畫片

18制作動(dòng)畫的傳統(tǒng)方法（2/2）設(shè)計(jì)：具體場景及演員動(dòng)作、音樂、布景，背景圖，音軌:動(dòng)畫制作前錄音，對話，音樂與動(dòng)作保持同步動(dòng)畫制作中間幀靜電復(fù)制和墨水加描：草圖醋酸纖維膠片繪制（渲染），著色檢查拍攝剪輯19計(jì)算機(jī)在動(dòng)畫中所起的作用（1/2）

早期：主要表現(xiàn)在幀的制作上關(guān)鍵幀通過數(shù)字化采集方式得到，或者用交互式圖形編輯器生成，對于復(fù)雜的形體還可以通過編程來生成插補(bǔ)幀不再由助理動(dòng)畫師和插補(bǔ)員來完成，而是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)完成插補(bǔ)幀的制作，包括復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)也由計(jì)算機(jī)直接完成。20計(jì)算機(jī)在動(dòng)畫中所起的作用（2/2）

隨著三維造型技術(shù)和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展

在著色方面，畫面圖像通過交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由用戶選擇顏色，指定著色區(qū)域，并由計(jì)算機(jī)完成著色工作在拍攝方面，用計(jì)算機(jī)控制攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，也可用編程的方法形成虛擬攝像機(jī)模擬攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)在后期制作階段，用計(jì)算機(jī)完成編輯和聲音合成21計(jì)算機(jī)動(dòng)畫系統(tǒng)的分類根據(jù)系統(tǒng)的功能分五級(jí)五級(jí)四級(jí)一級(jí)二級(jí) 三級(jí)交互式造型、著色，相當(dāng)于一個(gè)圖形編輯器計(jì)算并生成插補(bǔ)幀，代替插補(bǔ)員的工作模擬虛擬攝像機(jī)操作定義角色，動(dòng)畫形體具有學(xué)習(xí)能力，有待于人工智能技術(shù)的發(fā)展

22計(jì)算機(jī)輔助二維動(dòng)畫設(shè)計(jì)腳本繪制關(guān)鍵畫面加層控制中間畫面實(shí)時(shí)預(yù)演著色渲染生成文件進(jìn)行編輯輸出到錄像帶計(jì)算機(jī)輔助制作動(dòng)畫的系統(tǒng)與動(dòng)畫師的關(guān)系就像文字處理機(jī)與文字作家的關(guān)系一樣23計(jì)算機(jī)輔助三維動(dòng)畫（1/2）二維動(dòng)畫：仍然基于人的手在平面上繪制畫面效果在很大程度上取決于人的繪畫水平繪畫過程只是在平面中表現(xiàn)，表現(xiàn)力受限三維動(dòng)畫：三維動(dòng)畫模擬一個(gè)真實(shí)的攝影舞臺(tái)這個(gè)舞臺(tái)上既包括拍攝的主體對象還包括燈光、背景、攝像機(jī)等24計(jì)算機(jī)輔助三維動(dòng)畫（2/2）進(jìn)行創(chuàng)意，形成動(dòng)畫制作的腳本建立畫面中各種物體的三維線框模型確定并調(diào)整物體的顏色、材質(zhì)、紋理等屬性調(diào)整燈光，確定背景、環(huán)境模擬虛擬攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，讓目標(biāo)運(yùn)動(dòng)起來對動(dòng)畫進(jìn)行預(yù)演加工處理將存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的圖像序列錄制到錄像帶

25實(shí)時(shí)動(dòng)畫和逐幀動(dòng)畫逐幀動(dòng)畫：制作一幀需要幾分鐘甚至更長的時(shí)間，這些幀錄制好后，以每秒24幀的速度放映實(shí)時(shí)動(dòng)畫：動(dòng)畫的生成是直接的，用戶可以用交互式的方式讓畫面中的形體快速移動(dòng)用戶現(xiàn)場選擇的時(shí)刻就是實(shí)現(xiàn)的時(shí)刻，結(jié)果直接反映到計(jì)算機(jī)屏幕上26電影拍攝與電視拍攝基本原理相同，不同之處主要表現(xiàn)在：存儲(chǔ)介質(zhì)不同

播放速度不同

電影每秒24幀電視：PAL制：每秒25幀NTSC制：每秒30幀

27特殊效果（1/2）慢動(dòng)作高速拍攝、正常播放快動(dòng)作低速拍攝、正常播放28運(yùn)動(dòng)序列中畫面的切換直接切換推拉（zoom）搖移（pan）俯仰（Tilt）淡入/淡出(fadein/fadeout)軟切，也稱溶鏡（Dissolve）

交叉淡化

滑入，也稱抹擦（Wipe）

特殊效果（2/2）場景n+1場景n場景n+1場景n場景n+1場景n場景n場景n+129主要的動(dòng)畫技術(shù)（1/24）參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)樣條驅(qū)動(dòng)技術(shù)變形技術(shù)過程動(dòng)畫技術(shù)關(guān)節(jié)動(dòng)畫與人體動(dòng)畫技術(shù)基于物理模型的動(dòng)畫技術(shù)行為動(dòng)畫技術(shù)運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)30主要的動(dòng)畫技術(shù)（2/24）1.參數(shù)keyframe給出兩幅關(guān)鍵幀，計(jì)算機(jī)生成中間畫面剛體運(yùn)動(dòng)模擬早期僅僅用來插值幀與幀之間卡通畫的形狀后來對運(yùn)動(dòng)參數(shù)插值，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)畫的運(yùn)動(dòng)控制31主要的動(dòng)畫技術(shù)（3/24）可歸結(jié)為關(guān)鍵參數(shù)的插值問題位置、色彩、紋理9個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)決定位置參數(shù)：Tx,Ty,Tz,方向參數(shù)：Rx,Ry,Rz,比例參數(shù)：Sx,Sy,Sz32主要的動(dòng)畫技術(shù)（4/24）與純數(shù)學(xué)插值問題不同：一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)從空間軌跡來看可能是正確的但從運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)畫設(shè)計(jì)角度看，則可能是錯(cuò)誤的關(guān)鍵幀插值要求：能產(chǎn)生逼真的運(yùn)動(dòng)效果用戶能方便有效地控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性例如，通過調(diào)整插值函數(shù)改變運(yùn)動(dòng)的速度和加速度33勻速運(yùn)動(dòng)的模擬假定需在時(shí)間段t1與t2之間插入n(n=5)幀終始關(guān)鍵幀之間的時(shí)間段被分為n+1個(gè)子段其時(shí)間間隔為:

△t=(t2–t1)/(n+1)則任一插值幀的時(shí)刻為: j=1,2,…,n

主要的動(dòng)畫技術(shù)（5/24）△tt1t234加速運(yùn)動(dòng)的模擬為使幀間的時(shí)間間隔增加可使用下列三角加速函數(shù)來得到增加的間隔：

1-cosθ,0<θ<π/2對于插值幀來說，第j個(gè)插值幀的時(shí)刻可由下式得到:

j=1,2,…,n

主要的動(dòng)畫技術(shù)（6/24）1-cosθcosθt1t235減速運(yùn)動(dòng)的模擬使用下列三角減速函數(shù)來得到減少的間隔：

sinθ,0<θ<π/2,則第j個(gè)插值幀的時(shí)間位置被定義成：j=1,2,…,n

主要的動(dòng)畫技術(shù)（7/24）sinθt1t236混合增減速度的模擬先增加插值時(shí)間間間隔后減少時(shí)間間隔所使用的時(shí)間變化函數(shù)是:

1/2

(1–cosθ) 0<θ<π得到第j個(gè)插值幀的時(shí)刻為:

j=1,2,…,n

主要的動(dòng)畫技術(shù)（8/24）(1-cos)/2θcosθt1t237主要的動(dòng)畫技術(shù)（9/24）關(guān)鍵幀動(dòng)畫存在的主要問題

交互響應(yīng)慢物體運(yùn)動(dòng)的物理正確性和自然真實(shí)性難以保證38主要的動(dòng)畫技術(shù)（10/24）2.樣條驅(qū)動(dòng)技術(shù)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)描述用戶事先指定一條物體運(yùn)動(dòng)的軌跡通常用三次參數(shù)樣條表示指定物體沿該軌跡運(yùn)動(dòng)

也稱運(yùn)動(dòng)軌跡法所要解決的基本問題通過對樣條曲線等間隔采樣求出物體在某一幀的位置從而生成整個(gè)動(dòng)畫序列

39主要的動(dòng)畫技術(shù)（11/24）如果直接對參數(shù)空間進(jìn)行等間隔采樣，勢必帶來運(yùn)動(dòng)的不均勻性勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要對樣條進(jìn)行弧長參數(shù)化40主要的動(dòng)畫技術(shù)（12/24）為解決插值的時(shí)間控制問題Steketee提出用雙插值方法位置樣條空間軌跡曲線

物體位置對關(guān)鍵幀的函數(shù)運(yùn)動(dòng)樣條速度曲線

關(guān)鍵幀對時(shí)間的函數(shù)41主要的動(dòng)畫技術(shù)（13/24）3.變形技術(shù)柔性物體（softobject）動(dòng)畫技術(shù)許多商用動(dòng)畫軟件都提供變形工具Softimage、Alias、Maya、3DSMAX42主要的動(dòng)畫技術(shù)（14/24）Morphing技術(shù)指將一個(gè)給定的數(shù)字圖像或者幾何形狀S以一種自然流暢的、光滑連續(xù)的方式漸變?yōu)榱硪粋€(gè)數(shù)字圖像或者幾何形狀T。43主要的動(dòng)畫技術(shù)（15/24）基本思想：移動(dòng)頂點(diǎn)，通過頂點(diǎn)改變，達(dá)到變形給出物體形變的幾個(gè)狀態(tài)如兩個(gè)物體或兩幅畫面之間特征的對應(yīng)關(guān)系以及相應(yīng)的時(shí)間控制關(guān)系物體沿給定的插值路徑進(jìn)行線性或非線性的形變基于物體表示的變形技術(shù)適用于物體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的變形操作44主要的動(dòng)畫技術(shù)（16/24）自由變形技術(shù)（FFD）FreeFormDeformationSederberg和Parry1986年提出基本思想不對物體直接進(jìn)行變形而是對物體所嵌入的空間進(jìn)行變形引入一種基于三變量B樣條體的變形工具lattice45主要的動(dòng)畫技術(shù)（17/24）優(yōu)點(diǎn)：最實(shí)用，適用面最廣間接的與物體表示無關(guān)的變形方法物體的變形是任意的，可由動(dòng)畫師任意控制對變形的可控性更強(qiáng)缺點(diǎn)：缺乏對變形的細(xì)微控制，如人臉表情46主要的動(dòng)畫技術(shù)（18/24）4.過程動(dòng)畫技術(shù)ProceduralAnimation或RandomAnimation物體的運(yùn)動(dòng)和變形可由一個(gè)過程來控制物體的變形不是任意的遵循一定的數(shù)學(xué)模型或物理規(guī)律水波運(yùn)動(dòng)，三維森林、草葉隨風(fēng)飄動(dòng)，火光、煙霧等特殊光效

47主要的動(dòng)畫技術(shù)（19/24）5.關(guān)節(jié)動(dòng)畫與人體動(dòng)畫技術(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方法用球體作為基本體素來構(gòu)造人體48主要的動(dòng)畫技術(shù)（20/24）6.基于物理模型的動(dòng)畫技術(shù)考慮了物體在真實(shí)世界中的屬性基于動(dòng)力學(xué)原理來自動(dòng)產(chǎn)生物體的運(yùn)動(dòng)特別適合于對自然物理現(xiàn)象的模擬如剛體運(yùn)動(dòng)模擬、塑性物體變形運(yùn)動(dòng)以及流體運(yùn)動(dòng)模擬等49主要的動(dòng)畫技術(shù)（21/24）7.行為動(dòng)畫BehavioralAnimation要求實(shí)時(shí)性、VR處于初級(jí)階段，文章少50主要的動(dòng)畫技術(shù)（22/24）8.運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)MotionCapture運(yùn)動(dòng)捕獲的過程：真實(shí)演員按導(dǎo)演的要求做動(dòng)作動(dòng)作被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，通過感應(yīng)器記錄到計(jì)算機(jī)中計(jì)算機(jī)搜集這些數(shù)據(jù)后將信息傳遞到工作室，然后結(jié)果被3D化，在計(jì)算機(jī)中以線條形式表現(xiàn)出來，形成電影中角色的基礎(chǔ)增加皮膚和外殼之后，那些線條就成為了虛擬角色51主要的動(dòng)畫技術(shù)（23/24）好萊塢的CG人體動(dòng)作一般都會(huì)采用昂貴的動(dòng)作捕獲系統(tǒng)錄制完成1998年獲奧斯卡視覺效果成就獎(jiǎng)的《泰坦尼克》沉船時(shí)乘客落水的鏡頭全三維CG影片《最終幻想》人類面部表情

52主要的動(dòng)畫技術(shù)（24/24）應(yīng)用：電影特效醫(yī)學(xué)康復(fù)動(dòng)作分析運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作訓(xùn)練商業(yè)廣告電子游戲娛樂事業(yè)53微機(jī)上的二維動(dòng)畫軟件Macromedia公司出品的Flash采用流式播放技術(shù)被廣泛用于制作網(wǎng)頁動(dòng)畫AnimatorStudioCOOL3DFirework等54常用的三維動(dòng)畫軟件（1/4）3DStudio與3DSMAX美國Auto