計算機圖形學(xué)課程計算機動畫.的知識

《計算機圖形學(xué)》課程計算機動畫1在過去幾十年里，計算機動畫一直是人們研究的熱點。在全球的圖形學(xué)盛會Siggraph上，幾乎每年都有計算機動畫的論文和專題。隨著計算機圖形學(xué)和硬件技術(shù)的高速發(fā)展，可以用計算機生成高質(zhì)量的圖像，促使計算機動畫技術(shù)飛速地發(fā)展起來。序2計算機動畫當(dāng)前計算機動畫盛行34《美女與野獸》《湯姆和杰瑞》奧斯卡短片獎；5計算機動畫的應(yīng)用領(lǐng)域計算機動畫提供了一個充分展示個人想像力和藝術(shù)才能的新天地；廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域：動畫片制作、電視廣播廣告、電影特技教學(xué)演示訓(xùn)練模擬建筑場景漫游產(chǎn)品模擬試驗電子游戲6計算機動畫的應(yīng)用領(lǐng)域廣電行業(yè)制作欄目的片頭和卡通影片；典型的有中央臺新聞聯(lián)播的片頭動畫；電視虛擬演播人；7計算機動畫的應(yīng)用領(lǐng)域教學(xué)演示：利用三維動畫技術(shù)的形象性，它已被用來解釋復(fù)雜的自然現(xiàn)象：小到簡單的牛頓定律，大到復(fù)雜的狹義相對論；8計算機動畫的應(yīng)用領(lǐng)域飛行訓(xùn)練模擬：計算機動畫可以實時生成具有真實感的周圍環(huán)境圖象，如機場、山脈和云彩等。飛行員駕駛艙的舷艙成為計算機屏幕，飛行員的飛行控制信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號直接輸出到電腦程序，進而模擬飛機的各種飛行特征。飛行員可以模擬駕駛飛機進行起飛、著落、轉(zhuǎn)身等操作。9計算機動畫的應(yīng)用領(lǐng)域

建筑場景漫游：可觀察建筑物的內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)，而且可實現(xiàn)對虛擬建筑場景的漫游；利用合成技術(shù)來實現(xiàn)環(huán)境評估，評價建筑物對周圍環(huán)境的整體影響；10計算機動畫的應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品模擬試驗：計算機輔助設(shè)計；設(shè)計者能夠使虛擬模型運動起來，檢查只有制造過程結(jié)束后才能驗證的模型特征，如運動機構(gòu)的協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性及干涉檢查等；11計算機動畫的應(yīng)用領(lǐng)域電子游戲：計算機動畫技術(shù)逐漸進入三維游戲行業(yè)；使游戲圖象質(zhì)量及動作真實性均有了顯著提高；121什么是動畫？動態(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；運動是動畫的本質(zhì)，動畫是運動的藝術(shù)；132計算機動畫的發(fā)展60年代美國的Bell實驗室和一些研究機構(gòu)開始研究用計算機實現(xiàn)動畫片中間畫面的制作和自動上色。70－80年代三維輔助動畫系統(tǒng)開始研制并投入使用。動畫的對象不是簡單地由外部輸入，而是根據(jù)三維數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)部生成。60年代美國的Bell實驗室和一些研究機構(gòu)開始研究用計算機實現(xiàn)動畫片中間畫面的制作和自動上色。70－80年代三維輔助動畫系統(tǒng)開始研制并投入使用。動畫的對象不是簡單地由外部輸入，而是根據(jù)三維數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)部生成。皮影戲西洋鏡142計算機動畫的發(fā)展90年代一個多種學(xué)科和技術(shù)的綜合領(lǐng)域。計算機動畫以其自身的特點而逐漸成為一門獨立的學(xué)科。計算機圖形學(xué)(實體造型和真實感顯示,如消隱、光照模型、表面質(zhì)感等）圖像處理技術(shù)、運動控制原理、視頻技術(shù)、藝術(shù)、視覺心理學(xué)、生物學(xué)、機器人學(xué)、人工智能等153動畫原理視覺殘留原理反射到人眼的光影要在視覺中保留一段短暫的時間才會消失。視覺殘留實驗：兩盞小燈相距1－2米遠，放置在黑暗的房間內(nèi)兩盞小燈以緩慢的速率交替點亮和熄滅。兩盞小燈以25－40毫秒的時間間隔交替點亮和熄滅。16動畫視覺原理－視覺殘留實驗兩盞小燈以緩慢的速率交替點亮和熄滅以25－40毫秒的時間間隔交替點亮和熄滅Frame1Frame2Frame3Frame4Frame5Frame6Frame717●

早期的動畫動畫原理觀看動畫的機器-1906●

視覺效果教學(xué)進程18動畫的視覺原理實驗證明畫面刷新率為每秒24幀（畫面停留40毫秒)左右，則人眼看到的是連續(xù)的運動效果。電影放映的標準：每秒24幀的速率,能最有效地使運動的畫面連續(xù)流暢。

24幀的速率畫面還有閃爍，要消除畫面的閃爍感，刷新率還要提高一倍。19動畫原理

心理活動心理似動現(xiàn)象；心理活動對事務(wù)認知的影響；204動畫的制作流程214.1傳統(tǒng)動畫的制作流程前期劇本故事板（分鏡頭劇本）美術(shù)設(shè)計鏡頭設(shè)計稿中期后期22傳統(tǒng)動畫的制作流程前期劇本故事板（分鏡頭劇本）美術(shù)設(shè)計鏡頭設(shè)計稿中期后期23傳統(tǒng)動畫的制作流程前期劇本故事板（分鏡頭劇本）美術(shù)設(shè)計鏡頭設(shè)計稿中期后期劇本范例日。繁華的馬路邊上的一家花店內(nèi)。老閻推門進來，面無表情。店主在柜臺后熱情地問道：“歡迎光臨！您需要什么花？老閻：“九十九朵玫瑰?！钡曛鳎骸昂?！您稍等?！钡曛鬓D(zhuǎn)向去選花。老閻站在那里，點著一根煙，等待。店主把選好的玫瑰精心地包裝起來，放在柜臺上，對老閻說：“九十九朵玫瑰，一共是二百元?！崩祥惏褵熎?，把手伸進自己的口袋去掏錢。他呆了一下，又忙去其他口袋里摸錢，居然錢包不見了。24傳統(tǒng)動畫的制作流程前期劇本故事板（分鏡頭劇本）美術(shù)設(shè)計鏡頭設(shè)計稿中期后期用鏡頭來講故事25傳統(tǒng)動畫的制作流程前期劇本故事板（分鏡頭劇本）美術(shù)設(shè)計鏡頭設(shè)計稿中期后期26傳統(tǒng)動畫的制作流程前期劇本故事板（分鏡頭劇本）美術(shù)設(shè)計鏡頭設(shè)計稿中期后期造型、場景、道具、服飾等的設(shè)計27傳統(tǒng)動畫的制作流程前期劇本故事板（分鏡頭劇本）美術(shù)設(shè)計鏡頭設(shè)計稿中期后期28傳統(tǒng)動畫的制作流程前期劇本故事板（分鏡頭劇本）美術(shù)設(shè)計鏡頭設(shè)計稿中期后期詳細和精確的分鏡頭29傳統(tǒng)動畫的制作流程前期劇本故事板（分鏡頭劇本）美術(shù)設(shè)計鏡頭設(shè)計稿中期后期30前期中期原畫攝影表動畫（中間畫）背景后期傳統(tǒng)動畫的制作流程也叫動畫設(shè)計，根據(jù)故事板來具體創(chuàng)作、設(shè)計動畫31前期中期原畫攝影表動畫（中間畫）背景后期傳統(tǒng)動畫的制作流程32前期中期原畫攝影表動畫（中間畫）背景后期傳統(tǒng)動畫的制作流程33前期中期后期輸入電腦合成編輯輸出傳統(tǒng)動畫的制作流程344.2二維動畫的制作過程制作聲音對白和背景音樂(2)制作關(guān)鍵畫面(3)繪制動畫畫面(4)復(fù)制到膠片上(5)上色(6)核實檢查動畫畫稿(7)拍攝電影膠片(8)后期制作354.3三維動畫的制作過程在動畫技術(shù)當(dāng)中，最有魅力并應(yīng)用最廣的當(dāng)然是三維動畫。因為我們的世界是立體的，只有三維才讓我們感到更真實。二維動畫可以看成三維動畫的一個分支，它的制作難度及對電腦性能的要求都遠遠低于三維動畫。三維動畫之所以被稱作計算機生成動畫，是因為參加動畫的對象不是簡單地由外部輸入的，而是根據(jù)三維數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)部生成的，運動軌跡和動作的設(shè)計也是在三維空間中考慮的。計算機3D動畫的制作過程主要有建模、編輯質(zhì)材、貼圖、燈光、動畫編輯和渲染幾個步驟。36

三維動畫的建模

三維動畫的貼圖

37美國哥倫比亞電影公司聯(lián)合制作的全計算機動畫電影《FinalFantasy：TheSpiritsWithin》。其中的女主人公的面部是用計算機動畫技術(shù)制作的，其生動的3D面部表情足以亂真

385主要的動畫技術(shù)39主要的動畫技術(shù)－關(guān)鍵幀技術(shù)實時動畫(real-time)：用算法來實現(xiàn)物體的運動逐幀動畫(frame-by-frame)逐幀動畫的難題：動畫片制作中，最大的困難是制作者需要制作大量的幀關(guān)鍵幀與中間幀40關(guān)鍵幀的插值技術(shù)可生成中間畫面

中間畫面的生成

利用電腦對兩幅關(guān)鍵幀進行插值計算，自動生成中間畫面，這是電腦輔助動畫的主要優(yōu)點之一。這不僅精確、流暢，而且將動畫制作人員從煩瑣的勞動中解放出來。41關(guān)鍵幀的插值算法所有影響畫面圖像的參數(shù)都可成為關(guān)鍵幀的參數(shù)，如位置、旋轉(zhuǎn)角、紋理的參數(shù)等。例如通過對運動參數(shù)插值，就可以實現(xiàn)對動畫的運動控制，如物體的位置、方向、顏色等的變化，也可以對多個運動參數(shù)進行組合插值。一般的插值算法有兩種方式：線形插值實現(xiàn)平穩(wěn)的過渡效果非線性插值則可以實現(xiàn)某種特殊的加速度效果42主要的動畫技術(shù)－運動描述在實時動畫中，計算機對輸入的數(shù)據(jù)進行快速處理，并在人眼察覺不到的時間內(nèi)將結(jié)果隨時顯示出來在實時動畫中，如何表示運動呢？這就是運動描述。更復(fù)雜的運動一般要通過路徑進行描述，這種動畫稱之為路徑動畫。用戶先設(shè)計好物體的運動軌跡，然后指定物體沿該軌跡運動。通常，物體的運動軌跡取三次樣條曲線，并且由用戶交互給出。為了得到動畫序列，必須對樣條曲線等間隔采樣，以求得物體在每一幀的位置------樣條驅(qū)動技術(shù)43常用的曲線類型Bezier曲線B-splines主要的動畫技術(shù)－運動描述------樣條驅(qū)動技術(shù)

二維動畫中的運動路徑設(shè)計

44對象運動動畫簡單示例例：點在(10,10)開始，中間以直線運動，經(jīng)過10步把它移動(110,110)，則需要畫點10次，在x，y方向每次移動10個象素。

for(i=10;i<=110;i=i+10){putpixel(i,i,RED);delay(毫秒);putpixel(i+10,i+10,RED);putpixel(i,i,BLACK);}45主要的動畫技術(shù)－變形技術(shù)將一給定的數(shù)字圖像或者幾何形狀以一種自然流暢的、光滑連續(xù)的方式漸變?yōu)榱硪粩?shù)字圖像或者幾何形狀。46主要的動畫技術(shù)－變形技術(shù)基本思想移動頂點，通過頂點改變，達到變形給出物體形變的幾個狀態(tài)物體沿給定的插值路徑進行線性或非線性的形變基于特征的圖象變形（貓變虎）47主要的動畫技術(shù)－關(guān)節(jié)動畫技術(shù)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由一系列剛體鏈在關(guān)節(jié)處連接而成。48主要的動畫技術(shù)－運動捕獲技術(shù)真實演員按導(dǎo)演的要求做動作動作被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，通過感應(yīng)器記錄到計算機中計算機搜集這些數(shù)據(jù)后將信息傳遞到工作室，然后結(jié)果被3D化，在計算機中以線條形式表現(xiàn)出來，形成電影中角色的基礎(chǔ)增加皮膚和外殼之后，那些線條就成為虛擬角色49左圖顯示一個被貼了標示物（白色小球）的演員在場地中跑步，右圖是Vicon370系統(tǒng)所采用的特殊紅外照相機，只捕捉白色標示物。

50主要的動畫技術(shù)－運動捕獲技術(shù)51mocap設(shè)備性能10Hawk攝像頭每秒200幀精度小于0.5mm

52動作數(shù)據(jù)到3D人物模型的映射照片的版權(quán)歸相關(guān)的公司或者團體所有53過程動畫過程動畫指的是動畫中物體的運動或變形用一個過程來描述。在柔性物體的動畫中，物體的形變是任意的，可由動畫師任意控制；在過程動畫中，物體的變形則基于一定的數(shù)學(xué)模型或物理規(guī)律。最簡單的過程動畫是用一個數(shù)學(xué)模型去控制物體的幾何形狀和運動，如水波的運動；較復(fù)雜的如包括物體的變形、彈性理論、動力學(xué)、碰撞檢測在內(nèi)的物體的運動。過程動畫模擬的水波效果

54粒子動畫一些電腦場景的隨機景物，如火焰、氣流、瀑布等，在對其進行描述時，可采用粒子系統(tǒng)的原理，將隨機景物想象成由大量的具有一定屬性的粒子構(gòu)成。每個粒子都有自己的粒子參數(shù)，包括初速度、加速度、運動軌跡和生命周期等。這些參數(shù)決定了隨機景物的變化，使用粒子系統(tǒng)可以產(chǎn)生很逼真的隨機景物。粒子動畫創(chuàng)作的真實感云層

556OpenGL動畫設(shè)計概述OpenGL為動畫設(shè)計提供了很好的支持，一些很著名的3D游戲軟件都使用OpenGL作為渲染引擎OpenGL提供了一些函數(shù)，支持圖像和場景的移動和旋轉(zhuǎn)等操作，并支持圖像的快速切換輸出。采用動畫技術(shù)與前面所學(xué)的圖形學(xué)基本知識相互配合，可以使用戶很輕易地創(chuàng)建出動畫效果56反彈的方塊程序首先在窗體中繪制一個正方形，讓它在窗口中移動。當(dāng)正方體碰到窗口的邊界就會反彈，沿著另一個方向繼續(xù)移動57使用雙緩沖技術(shù)的旋轉(zhuǎn)方塊單緩沖模式(GLUT_SINGLE)：時間間隔改小，動畫的效果變得很差雙緩沖技術(shù)(GLUT_DOUBLE)：允許在屏幕之外的緩沖區(qū)執(zhí)行繪圖代碼，然后使用交換命令把所繪制的圖形立即顯示在屏幕上

下面用另一個例子再介紹并演示雙緩沖技術(shù)，產(chǎn)生一個繞中心旋轉(zhuǎn)的正方形

58將上一節(jié)程序中的glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB);改為glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE|GLUT_RGB);同時，在RenderHandler函數(shù)中，將glFlush()改為glutS()，就可以使用OpenGL的雙緩沖功能，產(chǎn)生平滑的動畫效果。旋轉(zhuǎn)使用了旋轉(zhuǎn)變換：glRotatef(spin,0.0,0.0,1.0);//旋轉(zhuǎn)變換59雙緩沖技術(shù)雙緩沖技術(shù)有兩個用途：首先，在繪制復(fù)雜圖形的時候，圖形合成的時間也許很長，可能不想讓用戶漫長等待。使用雙緩沖技術(shù)，可以先合成一副圖像，在完成以后再顯示給用戶，這樣用戶就看不到不完整的圖像了。其次，在動畫制作的時候也廣泛使用雙緩沖技術(shù)。每個動畫幀首先在屏幕之外的緩沖區(qū)繪制，完成后快速交換顯示在屏幕。這樣就大大提高了動畫的顯示速度

動畫的關(guān)鍵在于動，在實時動畫中，為了能夠恰當(dāng)?shù)孛枋鑫矬w的運動，必須有某種方法。二維運動的表達相對簡單，但三維空間的運動就比較麻煩，可以通過使用矩陣運算的辦法表達物體的幾何變換。60實現(xiàn)一個旋轉(zhuǎn)的立體圓環(huán)這個程序的重點是自定義的變換矩陣函數(shù)

voidmkRotationMatrix(floatangle,floatx,floaty,floatz,GLMatrixmMatrix)

該函數(shù)負責(zé)創(chuàng)建一個產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變換的4x4矩陣

函數(shù)RenderHandler中使用創(chuàng)建的旋轉(zhuǎn)變換陣，每次產(chǎn)生一個新的旋轉(zhuǎn)變換陣，加上平移分量后，使繪制的線框圓環(huán)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的效果61交互式動畫在許多時候，要根據(jù)用戶的反饋決定下一步動畫的生成，這就是交互式動畫用戶通過操縱鍵盤、鼠標、游戲桿等輸入設(shè)備，控制游戲主角下一步的走向和動作，游戲程序必須根據(jù)這些輸入，決定下一步輸出的圖像本節(jié)仍然繼續(xù)上節(jié)的例子，介紹如何根據(jù)用戶的鍵盤信息繪制不同的場景62為了豐富畫面，為上節(jié)的程序新加入兩個小球，它們分別沿著自己的軌道運動。中間的圓環(huán)繞自身轉(zhuǎn)動。當(dāng)用戶按下上、下、左、右的光標鍵，就可以控制場景的移動，離近離遠，或者左右旋轉(zhuǎn)63具體實現(xiàn)方法voidSpecialKeys(intkey,intx,inty)//根據(jù)鍵盤動作響應(yīng)用戶請求{ if(key==GLUT_KEY_UP) MoveFrameForward(0.1f); if(key==GLUT_KEY_DOWN) MoveFrameBack(0.1f); if(key==GLUT_KEY_LEFT) RotateFrameLeft(0.3); if(key==GLUT_KEY_RIGHT) RotateFrameRight(0.3); glutPostRedisplay();//刷新窗口64通過讀取鍵盤碼，對應(yīng)控制場景的移動和旋轉(zhuǎn)：voidMoveFrameForward(GLfloatfStep)//場景向前移動{ zMove+=fStep;}voidMoveFrameBack(GLfloatfStep)//場景向后移動{ zMove-=fStep;}voidRotateFrameRight(GLfloatfAngle)//場景向右旋轉(zhuǎn){ ySpin+=fAngle;}voidRotateFrameLeft(GLfloatfAngle)//場景向左旋轉(zhuǎn){ ySpin-=fAngle;}657二維動畫軟件AnimatorStudioFlashUleadGifAnimator66AnimationStand二維卡通軟件AnimationStand是一個流行的非常二維卡通軟件，全球最大卡通動畫公司如沃爾特、華納兄弟、迪斯尼和Nckelodeon，皆曾采用AnimationStand作為二維卡通動畫軟件，用于生產(chǎn)最原本的圖樣、獨創(chuàng)的和完全動畫化的系列片，為娛樂業(yè)的商業(yè)應(yīng)用。67Flash現(xiàn)在，我們在瀏覽網(wǎng)頁時，經(jīng)常會看到引人入勝的動畫效果，制作這種效果的工具就是Flash。在二維動畫的軟件中，F(xiàn)lash可以說是后起之秀，它已無可爭議地成為最優(yōu)秀交互動畫的制作工具，并迅速流行起來。Flash的動畫效果不再是單純的反復(fù)運動，而是可以在畫面里進行菜單選擇和操作以及播放聲音文件。Flash的出現(xiàn)，立即受到用戶的歡迎，并迅速被應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)與多媒體課件設(shè)計中去。68Flash支持動畫、聲音以及交互功能，具有強大的多媒體編輯能力，并可直接生成主頁代碼。Flash通過妙巧的設(shè)計也可制作出色的三維動畫。由于Flash本身沒有三維建模功能，為了做出更好的三維效果，可在AdobeDimensions軟件中創(chuàng)建三維動畫，再將其導(dǎo)入Flash中合成。69UleadGifAnimator是一個簡單、快速、靈活，功能強大的GIF動畫編輯軟件，同時，也是網(wǎng)頁設(shè)計輔助工具，還可以作為Photoshop的插件使用，豐富而強大的內(nèi)制動畫選項，讓我們更方便地制作符合要求的GIF動畫。UleadGIFAnimator5.0功能很強大。使用它可作出真彩色環(huán)境下的GIF動畫，得到色彩斑斕的動畫；功能更強的工具和更為靈活的工作環(huán)境，也使我們的動畫制作愈顯輕松。70在中國，最主流的就是Max和Maya，XSI在部分游戲公司里也有用，如KOEI。71目前，除了3DMAX有中文的幫助文檔外，其他的軟件包都沒有中文的使用手冊。72三維動畫軟件3DS

3DStudio（簡稱3DS）是美國Autodesk公司在20世紀90年代開發(fā)的基于普通微機的三維動畫軟件系統(tǒng)。也曾是在ＰＣ機上應(yīng)用最為廣泛、影響力最大的三維動畫軟件。由于其功能強，且對硬件要求低，因此在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。許多電視節(jié)目中的三維動畫，都是由3DS軟件制作的。3DS的主要功能特點建立三維實體模型，對模型及其所在場景進行設(shè)計及調(diào)整，包括設(shè)置場景中的光源和觀察場景所用的攝像機。編輯制作模型所需的各種表面材質(zhì)、紋理質(zhì)感和表面貼圖。對動畫過程的關(guān)鍵幀進行編輯，完成動畫制作。73MayaMaya是Alias/Wavefront公司在1998年推出的三維動畫制作軟件,雖然相對于其他3DS等經(jīng)典的三維制作軟件來說，Maya的歷史并不長，但Maya憑借其強大的功能，友好的用戶界面和豐富的視覺效果，一經(jīng)推出就引起了動畫和影視界的廣泛關(guān)注。目前Maya成為世界上最為優(yōu)秀的三維動畫的制作軟件之一。Maya是為影視創(chuàng)作應(yīng)用而開發(fā)的，推出不久就在《精靈鼠小弟》、《恐龍》等這些動畫影片中一展身手。除了影視方面的應(yīng)用外，Maya在三維動畫制作、影視廣告設(shè)計、多媒體制作甚至游戲制作領(lǐng)域都有很出色的表現(xiàn)。74《變形金剛》就是用Maya做的，可中國人要做出自己的《變形金剛》需要的不是一個特效公司，而是好萊塢一整套的工業(yè)體系。當(dāng)你決定選擇哪款軟件的時候，試著考慮清楚這些問題，相信你的答案自然迎刃而解。網(wǎng)上某個人告訴你應(yīng)該去學(xué)Maya因為某個牛x的片子就是用她做的，這并不意味著你適應(yīng)這款軟件并且能做出同樣的效果來。

75傳統(tǒng)繪畫能幫你掌握光和色彩。好的畫家在色彩混合和運用的意識上是非常強悍的。繪畫訓(xùn)練培養(yǎng)出較強的造型能力對建模是有極大的幫助的。76三維動畫影片步入全盛時代票房節(jié)節(jié)攀升更多公司加入技術(shù)與情節(jié)并重打上明星的烙印畫面更加逼真反傳統(tǒng)深得人心怪物史瑞克鯊魚黑幫超人特攻隊極地快車1995年皮克斯公司推出世界上第一部純?nèi)S動畫長片《玩具總動員》

77AnimatorPro平面動畫制作軟件。用于制作幀動畫，繪制功能強AnimationStudio平面動畫處理軟件。用于加工幀動畫，處理能力強FlashMX