《計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)》課件第9章

第9章動畫技術(shù)9.1動畫簡介

9.2動畫開發(fā)工具

9.3計算機動畫技術(shù)

9.4三維動畫設(shè)計

9.5視頻動畫的合成

習(xí)題9 9.1動畫簡介

目前三維軟件的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，一些基礎(chǔ)的動畫技術(shù)如參數(shù)關(guān)鍵幀、軌跡驅(qū)動技術(shù)、變形技術(shù)以及角色動畫等在創(chuàng)作中發(fā)揮了較好的效果。但是要想創(chuàng)建一個被認(rèn)可的虛擬世界，對三維軟件動畫師的要求非常高。要使得一些動作真實，例如一個箱子從樓梯上掉下去，彈跳并翻滾著下落，直到最后靜止不動，這樣的動畫效果，單純靠傳統(tǒng)建模然后手動調(diào)節(jié)動畫，是很難實現(xiàn)的。正是有了這樣的要求，動畫技術(shù)研究人員不斷地從其他領(lǐng)域借鑒優(yōu)秀知識來更新動畫技術(shù)。例如，將物理學(xué)知識應(yīng)用到動畫技術(shù)中，創(chuàng)建基于物理的動畫技術(shù)，這對于動作的真實感取得了很好的效果。又如將人工智能引入動畫技術(shù)中，在群體動畫方面取得了突出的成績，打破了傳統(tǒng)靠手工調(diào)節(jié)的龐大工作量。影片《獅子王》里有一個萬馬奔騰的場景，采用當(dāng)時的技術(shù)花費了幾年的時間才制作出這個場景。而今群體動畫大大簡化了這樣的過程。在影片《恐龍》中，技術(shù)導(dǎo)演運用了HOIDS群體動畫工具來制作將近1000只恐龍的獸群動畫。所以我們可以說高級動畫技術(shù)的發(fā)展正是“借他人之力，助自己發(fā)展”。9.1.1國外影視動畫發(fā)展概況

目前，影視界的巨頭當(dāng)屬美國。美國的動畫技術(shù)快速發(fā)展，不斷地提升其影片的質(zhì)量，使得畫面越來越精美，越來越逼真。針對制作流程的技術(shù)創(chuàng)新及成本控制，使美國影視動畫發(fā)展出本身的獨特技術(shù)，如賦予電腦動畫人物情感的系統(tǒng)工具EMO、動畫事業(yè)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)NILE；同時向外尋求技術(shù)合作，如夢工廠與惠普合作，提供動畫所需的伺服器、工作站等。隨著三維技術(shù)的不斷發(fā)展，漸漸取代了平面動畫。而動畫技術(shù)并不僅限于動畫片的制作，其在電影、電視等多媒體中也得到了廣泛的運用，特別是電腦特技的表現(xiàn)更使得電影得到了更多的技術(shù)支持，成為現(xiàn)代電影重要的一部分。電影利用電腦動畫補充其表現(xiàn)手法，而動畫也吸取電影的各方面技術(shù)，使得美國的動畫與電影在技術(shù)上互相滲透成為其動畫特色之一，增加了其動畫的附加值。美國動漫產(chǎn)業(yè)的重中之重就是電影動畫，它與其發(fā)達的電影業(yè)是聯(lián)系在一起的。在20世紀(jì)90年代末，各大制片公司，如SonyPictureEntertainment、Fox、Entertainment

Group、paramountPictures、Lucasfilm、UniversalStudio、MGM/UA等紛紛涉足動畫界，使得美國電影動畫異彩紛呈，成為了世界動漫產(chǎn)業(yè)的主力。9.1.2國內(nèi)影視動畫發(fā)展現(xiàn)狀

我國動畫制作已有70多年的歷史，擁有一大批經(jīng)驗豐富的專家和專業(yè)人士；高新技術(shù)設(shè)備也日趨完善，影視動畫產(chǎn)量在高速增長。隨著計算機技術(shù)的更新，軟件的運用隨之步入了動畫這個行業(yè)，越來越多的企業(yè)開始采用電腦上色加工、線拍等手段來節(jié)省人力開支。同時，美國在電腦三維制作上的大膽嘗試和成功，使得中國這個加工大國隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展也開始步入了傳統(tǒng)手工向電腦加工、二維向三維轉(zhuǎn)換的階段。MAYA、3Dmax等計算機動畫工具軟件廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，數(shù)字動畫應(yīng)運而生，以數(shù)字媒體為基礎(chǔ)的動畫產(chǎn)業(yè)成為迅猛發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)。但是，與世界發(fā)達國家相比，中國的數(shù)字媒體業(yè)還處在剛剛起步的階段，市場的需求量很大。有關(guān)機構(gòu)測定，目前全國對數(shù)字媒體人才需求的缺口大約在15萬人。尤其是技術(shù)和創(chuàng)意相融合的人才的匱乏，更是嚴(yán)重阻礙了中國影視動畫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 9.2動畫開發(fā)工具

實現(xiàn)電腦視覺特技是電腦軟件和硬件的一大難題，因為這需要非常強大的軟件和能提供高超運算能力的硬件平臺。所以這項工作可以說是在高科技電影中花費最大也最費時的一項工作。

在電腦影視特技的領(lǐng)域中，SGI可以說是無人不知，其生產(chǎn)的SGI超級圖形工作站可算是最好的3D與視覺特技的硬件平臺，它給創(chuàng)作人員提供了異常強大的圖形工作能力，具

有超級的實時反饋，可以讓工作人員以最快的速度進行創(chuàng)作。SoftimageXSI、MAYA、Flint等軟件在SGI平臺上可以發(fā)揮最好的性能。雖然現(xiàn)在隨著計算機的發(fā)展，PC平臺也已入侵視頻制作的領(lǐng)域，許多從事圖像特技的公司紛紛開始使用價格低廉的PC平臺從事設(shè)計工作，但是最復(fù)雜的部分依然還需要放在SGI的工作站上來制作。

光有超強的硬件平臺還不夠，電影電視中那些逼真的形象還是得靠各種各樣的超級3D圖像軟件來實現(xiàn)。這些特技軟件全世界每年的銷售額在20億美元以上。下面介紹現(xiàn)在國內(nèi)外流行的幾大三維與視覺特技軟件——Softimage/3D、Sumatra、MAYA、3DSmax和Lightwave，這些軟件都可以運行在PC平臺上。9.2.1超強3D動畫制作工具AvidSoftimageXSI

Softimage/3D是當(dāng)今世界上一流的三維制作軟件，能夠生成膠片級的渲染效果，它的功能和渲染質(zhì)量在各3D軟件當(dāng)中首屈一指。AVID于1998年并購了SOFTIMAGE以后，于1999年底推出了全新的三維動畫軟件XSI，由于其非線性動畫的特色及大量的技術(shù)改進，使業(yè)界再次刮目相看。國際著名的影視特技制作公司ILM(IndustrialLightandMagic)作為XSI的用戶創(chuàng)作的三部新片《侏羅紀(jì)公園Ⅲ》、《木乃伊歸來》、《人工智能》受到了業(yè)界的關(guān)注與好評，也使業(yè)界再次聚焦XSI。三維動畫的發(fā)展經(jīng)歷了簡單圖形到復(fù)雜場景，再到角色動畫的三個發(fā)展階段，XSI被業(yè)界稱為代表未來走向的第三代三維動畫軟件。不僅因為其強大的非線性動畫角色制作能力，也源于它近年來的不斷推陳出新，使其在模型、渲染、粒子效果、流體、剛體、柔體動力學(xué)效果、毛發(fā)、布料仿真等效果上，綜合實力優(yōu)于其他第二代軟件。此外，XSI創(chuàng)造性地推出許多前所未有的新概念，有基于Internet的內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)瀏覽器NET-VIEW，可快速通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程交換創(chuàng)作資料；有動畫合成一體化的內(nèi)置合成器，從而解決了多年來困擾制作的多動畫特技層精確對位問題以及動畫、拍攝色調(diào)、光線、景深匹配等問題，被譽為動畫影視創(chuàng)作的一次革命。XSI推出的起點較其他軟件高，而且開發(fā)力度較大，軟件呈現(xiàn)良好研發(fā)勢頭。

SoftimageXSI的MentalRay超級渲染器是其最知名的一部分。MentalRay圖像渲染軟件由于有豐富的算法，圖像質(zhì)量優(yōu)良，成為業(yè)界的主流。而目前只有XSI和MentalRay是無縫集成在一起，而別的軟件就算能通過接口模塊轉(zhuǎn)換，Preview(預(yù)調(diào))所見卻不是最終Rendering所得，只有選擇XSI作為主平臺才能解決此問題。MentalRay渲染器可以著色出具有照片品質(zhì)的圖像，《星際戰(zhàn)隊》中昆蟲異形就是用MentalRay渲染的。許多插件廠商專門為MentalRay設(shè)計的各種特殊效果，則大大擴充了MentalRay的功能，能用它制作出各種各樣奇妙的效果。

XSI可從多個方面提高用戶的創(chuàng)作效率。首先，它直接支持MentalRay跨平臺的分布式渲染，通過Cluster自動管理多CPU并行運算，它甚至可以支持多CPU并行運算于Mental

RayV3.0，交互式Preview(預(yù)看)；其次，它采用內(nèi)置的Internet瀏覽器NET-VIEW，可快速便捷地進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交流與交換，目前只有XSINET-VIEW與NXN管理軟件做到了無縫連接；再次，XSI創(chuàng)立的非線性動畫設(shè)計一直保持著很強的優(yōu)勢，用XSI的智能化動畫混合器來進行動作的合成、加工，大大提高了用戶的創(chuàng)作效率。

SoftimageXSI的另一個重要特點就是超強的動畫能力，它支持各種制作動畫的方法，可以產(chǎn)生非常逼真的運動。它所獨有的Functioncurve功能可以輕松地調(diào)整動畫，而且具有良好的實時反饋能力，使創(chuàng)作人員可以快速地看到將要產(chǎn)生的結(jié)果。9.2.2三維非線性動畫創(chuàng)作系統(tǒng)Sumatra

Sumatra是業(yè)界第一個真正具有全新概念的非線性動畫系統(tǒng)。Sumatra是Softimage公司研制的下一代三維動畫系統(tǒng)，它是業(yè)界第一個真正的具有全新概念的非線性動畫系統(tǒng)。它能大大提高藝術(shù)家的創(chuàng)作力和靈活性，從而帶來快速的投資回報。

Sumatra的高級直觀的工具包可以進行完美無缺的角色動畫、非破壞性的動畫混合、高質(zhì)量交互式的動畫生成，它革新了數(shù)字藝術(shù)家傳統(tǒng)制作三維動畫的方式，并可應(yīng)用在視頻、電影、廣播電視、交互媒介和娛樂方面。

Sumatra的特性包括：

(1)Real-timeContinuousSurfaceManagement(實時連續(xù)的表面管理功能)。

(2)Surfacemeshes(表面網(wǎng)格)：一個新的由多個NURBS表面組成的幾何形體，用于創(chuàng)建非常完美的、完全動畫的人體和物體。

(3)Non-linearAnimationandMixing(非線性的動畫和混合)：非線性動畫是一個靈活的高直觀性的動畫創(chuàng)作方式，可將復(fù)雜的動畫創(chuàng)作變得明朗化，它可以與不同的動畫類型進行無縫地交互，如關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)、表達式和約束。

(4)Actions(Mix，blend混合，scale縮放和cycle，不受時間軸timeline的限制)：它是一個高級的不受時間阻礙的管理復(fù)雜動畫的方式。

(5)GeneralAttributePainting(GAP，通用屬性繪制)：使用一個簡單直接的繪制方式創(chuàng)建和調(diào)整物體的屬性，如包皮的重量或變形。

(6)InteractiveRendering(交互式動畫生成)：使燈光、紋理、材質(zhì)和圖像生成的屬性可以被任意改變，并立即顯示最后生成的結(jié)果。

(7)RenderPasses(動畫生成通道)：是在三維創(chuàng)建和后期合成之間的一個橋梁。將三維物體放入分區(qū)中進行高光、陰影、散射、matte或任意其他通道的生成。所有數(shù)據(jù)都屬于一個單一場景，改變時只需一次。

(8)Workflow(UI，用戶工作界面)：具有非常直觀的用戶工作界面和工作流程輔助。它包括一些新的選擇方式，如名字和通配符的選擇、圖像拖拉方式選擇以及多種參數(shù)編輯方式選擇。

(9)Customizability(用戶定義功能)：建立用戶定義的屏幕顯示布局、熱鍵、工具條和菜單。通過將不受限制的物體屬性連接到用戶定義的參數(shù)上就可以很容易地對復(fù)雜的模型進行操縱和制作動畫。

(10)Scripting(腳本創(chuàng)建)：使用標(biāo)準(zhǔn)的腳本創(chuàng)建語言(如VBScript，JScript)容易地自動重復(fù)任務(wù)、創(chuàng)建宏macros，定義應(yīng)用程序、與其他用于腳本創(chuàng)建的應(yīng)用程序進行通信、記錄和回放創(chuàng)建步驟。

(11)Simulation(模擬)：為滿足特技專家制作的需要，它提供了一個完整的模擬仿真工具包，包括集成的粒子、衣服、軟體動力學(xué)、皮毛和三維攝像機匹配。

Sumatra利用非常友好的用戶工作界面和高交互的設(shè)計工具繼續(xù)保持了Softimage產(chǎn)品的優(yōu)勢，而且它還提供了一個三維和二維動畫集成的通道，解決了以前在三維動畫和后期合成之間存在的障礙。9.2.3

Alias/WavefrontMAYA

MAYA是Alias/Wavefront公司在1998年推出的3D軟件，是3D軟件中的新生兒。它一誕生便讓人刮目相看，其強大的功能與頂級軟件Softimage/3D難分伯仲，兩者并駕齊驅(qū)，同屬3D高級制作軟件。

MAYA的誕生確實是一個新紀(jì)元，以往人們更多地使用3DSmax，這個軟件也不錯，只是它更多的效果制作依賴于外部插件。雖然MAYA制作一個項目要比3DSmax花更多時間和步驟，但在生成圖像上要比用3DSmax生成的圖像具有更多的細(xì)節(jié)。打個形象的比喻：如果說3DSmax是一部自動相機的話，MAYA更像是一部手動相機，就像使用相機一樣，雖然使用手動相機需要更多的調(diào)節(jié)，但所攝制的圖像是自動相機所無法比擬的，在這當(dāng)中，手動相機有更多攝影者的參與，也就是說MAYA有更大的可控制性和可操作性。MAYA在建模、渲染、制作數(shù)字角色和場景的時候讓用戶擔(dān)當(dāng)了導(dǎo)演、演員、場景設(shè)計者和攝影者的角色。

MAYA是當(dāng)前電腦動畫業(yè)關(guān)注的焦點之一。它是新一代具有全新架構(gòu)的動畫軟件。從MAYA這個古老而又神秘的名字就可以看出，這個軟件蘊涵著巨大的能量。MAYA具有以下新功能：

(1)采用ObjectorientedC++code整合OpenGL圖形工具，提供非常優(yōu)秀的實時反饋表現(xiàn)能力。這一點可能是每一個動畫創(chuàng)作者最需要的，因為任何一個人都不愿意自己做的修改要等很長時間才能看到結(jié)果。

(2)具有先進的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)和強力Scenceobject處理工具Digitalproject。

(3)運用彈性使用界面及流線型工作流程，使創(chuàng)作者可以更好地規(guī)劃工程。

(4)使用Scripiting&CommandLanguage語言。MAYA的核心引擎是一種稱為MEL(MAYAEmbeddedLanguage，馬雅嵌入式語言)的加強型Scripiting與Command語言。MEL

是一種全方位符合各種狀況的語言，支持所有的MAYA函數(shù)命令。

(5)在基本的架構(gòu)中，MAYA自定undo/redo的排序，同時MAYA也提供改變Procedurestack(程序堆疊)及re-excute(再執(zhí)行)的能力。

(6)層的概念在許多圖形軟件中已得到廣泛地運用。MAYA也把層的概念引入到動畫的創(chuàng)作中，可以在不同的層進行操作，而其他各個層之間不會有影響。當(dāng)然也可以將

層進行合并或者刪除不需要的層。

在MAYA中最具震撼力的新功能是Artisan。它能讓我們能隨意地雕刻nurbs曲面形狀，從而生成各種復(fù)雜的形象。如果你有數(shù)字化的輸入設(shè)備，如數(shù)字筆，那你更是可以隨心所欲地制作各種復(fù)雜的模型。9.2.4

3DSmax

3DSmax是當(dāng)今世界上最普及的3D軟件，誕生時間最長，全球用戶最多，外掛插件最多，這也許是最能讓MAX自豪的地方。3DSmax從1.0版發(fā)展到現(xiàn)在的9.0版，經(jīng)歷了一個由不成熟到成熟壯大的過程。這個應(yīng)用于PC平臺的三維動畫軟件從1996年開始就一直在三維動畫領(lǐng)域叱咤風(fēng)云，它的前身就是3DS?？赡苁且揽?DS在PC平臺中的優(yōu)勢，3DSmax一推出就受到了矚目。它支持Windows95、WindowsNT，具有優(yōu)良的多線程運算能力，支持多處理器的并行運算，具有豐富的建模和動畫能力以及出色的材質(zhì)編輯系統(tǒng)，這些優(yōu)秀的特點一下就吸引了大批三維動畫制作者和公司。現(xiàn)在在國內(nèi)，3DSmax一枝獨秀，其使用人數(shù)大大超過了其他三維軟件。

9.0版的3DSmax已經(jīng)具有強大的各種專業(yè)的建模和動畫功能。nurbs、dispacemodify、camertraker、motioncapture這些原來只有在專業(yè)軟件中才有的功能，現(xiàn)在也被引入到3DSmax中。今天的3DSmax給人的印象絕不是一個運行在PC平臺的業(yè)余軟件了，從電視到電影，都可以找到3DSmax的身影。例如，《迷失太空》這部科幻電影中的絕大多數(shù)特技鏡頭都是由3DSmax來完成的。

3DSmax作為世界上應(yīng)用最廣泛的三維建模、動畫、渲染軟件，完全滿足制作高質(zhì)量動畫、最新游戲等方面的需要。在3DSmax最新版中，可以幫助設(shè)計師與動畫師更精準(zhǔn)地掌握動畫背景與人物結(jié)構(gòu)，同時呈現(xiàn)出每個角色震撼的生命力。

3DSmax的成功在很大的程度上要歸功于它的插件。全世界有許多專業(yè)技術(shù)公司在為3DSmax設(shè)計各種插件，它們都有自己的專長，所以各種插件也非常專業(yè)。例如增強的粒子系統(tǒng)sandblaster，ourburst，設(shè)計火、煙、云的afterburn，制作肌肉的metareyes，制作人面部動畫的jetareyes。有了這些插件，可以輕松設(shè)計出驚人的效果。9.2.5

Lightwave3D

Lightwave是重量級的三維制作軟件，為了合理利用系統(tǒng)資源，該軟件分成兩個程序包，即Lightwave和Modeler。通常在Modeler中生成模型，然后在Lightwave中渲染它最擅長的燈光效果和子拼塊建模。注意：子拼塊是Lightwave中的一種建模方式，常用來進行有機建模，比如人頭、生物角色等。

Lightwave在好萊塢所具有的影響一點也不比Softimage、Alias等差，但它的價格卻非常低廉，這也是眾多公司選用它的原因之一。但光有低廉的價格還不行，Lightwave3D的品質(zhì)也非常出色。名揚全球的好萊塢巨片《泰坦尼克號》中的泰坦尼克號模型，就是用Lightwave制作的。據(jù)官方統(tǒng)計，現(xiàn)在在電影與電視的三維動畫制作領(lǐng)域中，使用Lightwave3D的比例大大高于其他軟件，連Softimage3D也甘拜下風(fēng)。全世界大約有4萬人在使用Lightwave3D。DigitalDomain、WillVinton、AmblinGroup、DigitalMuse、Foundation等頂尖制作公司也紛紛采用Lightwave3D來進行創(chuàng)作。

Lightwave3D是全球唯一支持大多數(shù)工作平臺的3D系統(tǒng)，它在各種平臺上都有一致的工作界面，無論你使用高端的工作站系統(tǒng)或使用PC，Lightwave3D都能勝任。除此之外還有一些小型的3D軟件，如Poser、Brucy、Cool3D和建模軟件Rhino.Autocad，在眾多的3D軟件中大體可分為三種級別：高級軟件Softimage/3D，MAYA；中級軟件3DSmax，Lightwave，Sumatra；初級軟件Poser，Brucy，Cool3D。

9.3計算機動畫技術(shù)

計算機動畫技術(shù)實際上已經(jīng)圍繞在我們周圍，如電視里頻繁出現(xiàn)的三維廣告、家喻戶曉的三維動畫大片以及火爆的電子游戲。計算機動畫是采用計算機技術(shù)生成的一系列動態(tài)畫面。由于人的眼睛具有視覺暫留特性，當(dāng)屏幕以25幀/秒以上速率播送計算生成的序列畫面時，一幅幅離散畫面即在人的視網(wǎng)膜上串接成連續(xù)的動畫。計算機動畫將時間變量引入到虛擬的靜態(tài)景物世界，使得我們不僅能夠操作三維景物，而且可以建立起逼真的景物運動。計算機動畫技術(shù)是計算機圖形學(xué)的重要發(fā)展，它是傳統(tǒng)靜態(tài)圖形技術(shù)向?qū)崟r圖形技術(shù)平滑過渡的橋梁，其研究內(nèi)容涉及到計算機圖形學(xué)的各個領(lǐng)域。它主要研究運動控制技術(shù)以及與動畫有關(guān)的造型、繪制、合成等技術(shù)，其綜合利用了計算機科學(xué)、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和其他相關(guān)學(xué)科的知識，生成絢麗多彩的連續(xù)的逼真畫面，給人們提供了一個充分展示個人想像力和藝術(shù)才能的新天地。

以下將分別介紹關(guān)鍵幀動畫技術(shù)、基于物理的動畫技術(shù)、過程動畫技術(shù)、行為動畫技術(shù)以及運動捕捉技術(shù)這四種目前流行的高級動畫技術(shù)。9.3.1關(guān)鍵幀動畫技術(shù)

幀：是動畫中最小單位的單幅影像畫面，相當(dāng)于電影膠片上的每一格鏡頭。在動畫軟件的時間軸上幀表現(xiàn)為一格或一個標(biāo)記。

幀速：每秒鐘傳播的幀數(shù)，用于衡量視頻信號傳輸?shù)乃俣?，單位為?秒(FPS，F(xiàn)ramesPerSecond)。在游戲運行中所見到的動態(tài)畫面實際上是由一幀幀靜止畫面連續(xù)播放而成的，電腦必須快速生成這些畫面并將其顯示在屏幕上才能獲得連續(xù)運動的效果。所生成的畫面越復(fù)雜，電腦的處理時間就越長，幀速就越低。如果幀速過低，則游戲畫面就會產(chǎn)生停頓、跳躍的現(xiàn)象。一般對于電腦游戲來說，每秒30幀是底線，60幀是最理想的境界。不過也不能一概而論，不同類型的游戲所需的幀速各不相同。例如在第一人稱射擊游戲中，玩家的注視焦點并非落在眼前，而是瞄向遠(yuǎn)方，因此物體的位移幅度較大，所涵蓋的空間范圍也很大，對幀速的要求就很高。相比之下，第三人稱動作游戲所需的幀速則要低得多。關(guān)鍵幀：相當(dāng)于二維動畫中的原畫，指角色或者物體運動或變化中的關(guān)鍵動作所處的那一幀。關(guān)鍵幀與關(guān)鍵幀之間的動畫可以由軟件來創(chuàng)建，叫做過渡幀或者中間幀。

過渡幀：在兩個關(guān)鍵幀之間，電腦自動完成過渡畫面的幀叫做過渡幀。

其中，根據(jù)其用途又可將關(guān)鍵幀分為普通關(guān)鍵幀(用于處理圖形圖像和動畫)、動作腳本關(guān)鍵幀(用于存放動作腳本，關(guān)鍵幀可以通過動作腳本控制相關(guān)影片和其中的影片剪輯)、引導(dǎo)層關(guān)鍵幀(基于引導(dǎo)圖層創(chuàng)建的普通關(guān)鍵幀，該種關(guān)鍵幀在播放Flash影片時是不可見的，僅用于注釋Flash影片)。當(dāng)然，每個關(guān)鍵幀都同時可以被賦予幾種用途(引導(dǎo)層關(guān)鍵幀除外)，關(guān)鍵幀也可以通過影片圖層實現(xiàn)疊加的效果。關(guān)鍵幀的概念來源于傳統(tǒng)的卡通片制作。在早期WaltDisney的制作室，熟練的動畫師設(shè)計卡通片中的關(guān)鍵畫面，也即所謂的關(guān)鍵幀，然后由一般的動畫師設(shè)計中間幀。在

三維計算機動畫中，中間幀的生成由計算機來完成，插值代替了設(shè)計中間幀的動畫師。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。關(guān)鍵幀技術(shù)是計算機動畫中最基本并且運用最廣泛的方法。另外一種動畫設(shè)置方法是樣條驅(qū)動動畫。在這種方法中，用戶采用交互方式指定物體運動的軌跡樣條。幾乎所有的動畫軟件如Alias、Softimage、Wavefront、TDI、3DS等都提供這兩種基本的動畫設(shè)置方法。無論是樣條驅(qū)動動畫還是關(guān)鍵幀插值方法，都會碰到這個問題：給定物體運動的軌跡，求物體在某一幀畫面中的位置。物體運動的軌跡一般由參數(shù)樣條來表示。如果直接將參數(shù)和幀頻聯(lián)系起來，對參數(shù)空間進行等間隔采樣，有可能帶來運動的不均勻性，為了使物體沿一樣條勻速運動，必須建立弧長與樣條參數(shù)的一一對應(yīng)關(guān)系。Guenter等提出用Gauss

型數(shù)值積分方法計算弧長，用Newton-Raphason迭代來確定給定弧長點在曲線上的位置，并采用查找表記錄參數(shù)點弧長值的方法來加速計算。在動畫設(shè)計中，動畫師經(jīng)常需調(diào)整物體運動的軌跡來觀察物體運動的效果，交互的速度是一個很重要的因素。Watt等提出了用向前差分加查找表的方法來提高交互的速度，在精度要求不是很高的情況下，這種方法

非常有效。從原理上講，關(guān)鍵幀插值問題可歸結(jié)為參數(shù)插值問題，傳統(tǒng)的插值方法都可應(yīng)用到關(guān)鍵幀方法中。但關(guān)鍵幀插值又與純數(shù)學(xué)的插值不同，它有其特殊性。一個好的關(guān)鍵幀插值方法必須能夠產(chǎn)生逼真的運動效果并能給用戶提供方便有效的控制手段。一個特定的運動從空間軌跡來看可能是正確的，但從運動學(xué)或動畫設(shè)計來看可能是錯誤的或者不合適的。

用戶必須能夠控制運動的運動學(xué)特性，即通過調(diào)整插值函數(shù)來改變運動的速度和加速度。為了很好地解決插值過程中的時間控制問題，Steketee等提出了用雙插值的方法來控制運

動參數(shù)。其中之一為位置樣條，它是位置對關(guān)鍵幀的函數(shù)；另一條為運動樣條，它是關(guān)鍵幀對時間的函數(shù)。Kochanek等提出了一類適合于keyframe系統(tǒng)的三次插值樣條，他們把關(guān)鍵幀處的切矢量分成入矢量和出矢量兩部分，并引入張量t、連續(xù)量c和偏移量b這三個參數(shù)對樣條進行控制。該方法已在許多動畫系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。9.3.2基于物理的動畫技術(shù)

一個小皮球落在地上彈起來，然后跳呀跳，到最后慢慢停止。如果用三維動畫來表現(xiàn)這種運動，有經(jīng)驗的動畫師完全可以用手工完成。但是更復(fù)雜的運動，比如說在第一人稱射擊游戲中敵人從一個樓梯上翻滾落下，就不是那么容易用手工完成的。因為要生成真實生動的動畫，就要使敵人的落下遵循物理原理，要考慮很多物理因素，比如重力、密度、體積等。同樣，在目前火爆的第一人稱射擊游戲如CS中,選擇不同的武器射擊敵人或者建筑物時，射擊的強度以及產(chǎn)生的效果如果手動調(diào)節(jié)將非常困難。現(xiàn)實世界看起來很簡單,但是要在計算機里實現(xiàn)卻很困難。計算機動畫始終處在研究的前沿，人們不僅需要形象的真實感，也需要運動的真實感。真實運動的復(fù)雜度往往使得人們難以用一些過程表述，這個時候只有借助于真實世界的物理規(guī)律才能得以體現(xiàn)。真實的背后就是物理，物理描述了物體如何運動、如何動作以及它們之間如何相互影響。只有去追溯它的物理根源，只有借助其本身比較精確的物理描述才能真實再現(xiàn)其外在的視覺現(xiàn)象?；谖锢淼挠嬎銠C動畫一方面使得本身體現(xiàn)的現(xiàn)象能充分滿足人們對真實的需要，提高整個沉浸感；另一方面減輕了程序開發(fā)人員和藝術(shù)家的勞動強度，不再需要腳本去控制物體，不再需要單獨去管理每一個細(xì)小事件，因為所有的事情都會按著它本身的物理規(guī)律來完成。這其中包括：物體的材料屬性，如密度、表面粗糙度、硬度、彈性等；剛體動力學(xué)和碰撞檢測，關(guān)節(jié)和彈簧、流體、粒子系統(tǒng)、布料等各個方面。這些目前不僅在電影特效制作中得到廣泛應(yīng)用，在新一代的電子游戲中也逐漸普及起來。

然而，一方面，這個世界的有些物理規(guī)律本身很復(fù)雜，對于現(xiàn)象的物理描述并不是很好，這些對應(yīng)的學(xué)科發(fā)展也尚不成熟，因此，在計算機圖形學(xué)領(lǐng)域里也很難建立一個比較完善的物理模型；另一方面，即使存在一個模型可供利用，但與計算機圖形學(xué)的研究目標(biāo)不一致，或者由于計算的復(fù)雜度，或者與視覺上的效果并無關(guān)系，導(dǎo)致直接應(yīng)用的困難。隨著計算機硬件的不斷發(fā)展，計算能力不斷增強，PC機能夠完成的算法復(fù)雜度不斷上升，使得基于物理的計算機動畫的迅速發(fā)展成為可能。在市場方面，不管是電影特效，還是視頻游戲，人們對于基于物理的計算機動畫的需求也很強烈。這些因素使得基于物理的計算機動畫成為目前的一個研究熱點，也成為當(dāng)前和未來計算機圖形學(xué)發(fā)展的一個重點方向。基于物理模型的動畫技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一種新的計算機動畫技術(shù)，該技術(shù)將一些物理規(guī)律引入計算機動畫行業(yè)，它考慮物體在真實世界中的屬性，如它具有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣矩、彈性、摩擦力等，并采用動力學(xué)原理自動產(chǎn)生物體的運動。當(dāng)場景中的物體受到外力作用時，牛頓力學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)動力學(xué)方程可用來自動生成物體在各個時間點的位置、方向及其形狀。此時，計算機動畫設(shè)計者不必關(guān)心物體運動過程中的細(xì)節(jié)，而只需確定物體運動所需的一些物理屬性及一些約束關(guān)系，如質(zhì)量、外力等，以取得運動的真實性。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，它已在圖形學(xué)中成為一種具有潛在優(yōu)勢的三維造型和運動模擬技術(shù)。盡管該技術(shù)比傳統(tǒng)動畫技術(shù)的計算復(fù)雜度要高得多，但它能逼真地模擬各種自然物理現(xiàn)象，這是基于幾何的傳統(tǒng)動畫生成技術(shù)所無法比擬的。它能處理諸如重力、風(fēng)、碰撞檢測等在內(nèi)的復(fù)雜動力學(xué)模型。

最近幾年，已有許多研究者對動力學(xué)方程在計算機動畫中的應(yīng)用進行了深入廣泛的研究，提出了許多有效的運動生成方法?？傮w上來說，這些方法大致可分為三類，即剛體運動模擬、塑性物體變形運動以及流體運動模擬。

1．剛體運動模擬

剛體運動模擬的研究重點集中在采用牛頓動力學(xué)的各種方程來模擬剛體系統(tǒng)的運動。由于在真實的剛體運動中任意兩個剛體不會相互貫穿，因而在運動過程模擬時，必須進行碰撞檢測，并對碰撞后的物體運動響應(yīng)再進行處理。碰撞要考慮參與碰撞的物體各自的速度、質(zhì)量、彈性等屬性，然后根據(jù)物理定律計算出物體的變形和反彈速度等結(jié)果。碰撞結(jié)果則主要是根據(jù)物體外形計算是否相互碰撞。碰撞模擬和碰撞檢測是非常消耗計算資源的，因此，大多數(shù)三維動畫軟件都會提供折中簡化的方法。一種方法是在碰撞檢測前判斷空間中的其他物體是否為此物體的障礙物，也就是說根據(jù)物體的可能運動軌跡，將與該物體不可能碰撞的物體設(shè)置為非障礙物，從而在計算中節(jié)省計算資源。另一種方法是使用包容立方體來簡化物體外形。

2．塑性物體變形運動

在真實物理世界中，許多物體并非完全是剛體，它們在運動過程中會產(chǎn)生一定的形變，即所謂柔性物體。物體的變形一直是計算機圖形學(xué)的研究熱點。由于傳統(tǒng)的表面變形均是基于幾何的，其形變狀態(tài)完全人為給定，因而變形過程缺乏真實性?；谖锢淼娜嵝晕矬w變形也是目前的重要研究方向，該方法在布料的模擬等方面取得了較好的效果，如圖9-1所示。圖9-1模擬布料基于物理的建模通過引入質(zhì)量、力、能量等物理量，將織物各個部分的運動看成各種力的作用下質(zhì)點運動的結(jié)果。Terzopoulosetal把柔性物體的變形描述成柔性物體內(nèi)部組織抵抗形變產(chǎn)生的彈性力、外界作用力和阻尼力共同作用的結(jié)果，為柔性物體提出了彈性形變模型，建立了物理基礎(chǔ)。基于物理模型的柔性物體模擬，盡管其表達方式、求解辦法有所不同，但都可歸結(jié)為：根據(jù)牛頓運動定律，給出質(zhì)點間彈簧形變關(guān)系(可以用力的形式表示，也可以用能量表示)，得到一個偏微分方程(組)，最終用數(shù)值方法求解該方程(組)。

3．流體運動模擬

早期的流體模擬，由于計算能力有限，主要采用參數(shù)建模的方法。例如，通過將波浪函數(shù)表示成一系列線性波形的組合，更進一步將各個波形簡化為波形和相位的組合函數(shù)，從而合成淺水表面高度場，能處理波折射問題，并采用粒子系統(tǒng)來模擬當(dāng)波浪破碎或者碰到障礙物時形成的浪花。但是表示水的粒子或者網(wǎng)格只是在其初始位置附近運動，所以它們都無法表現(xiàn)真正的流動效果，也無法處理邊界給水面帶來的影響。又如，基于統(tǒng)計的FFT經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂梢院芎玫孛枋霾ǚ^小的海平面。但是對于以上這些模型，人們覺得控制起來很困難，而且不能模擬一些復(fù)雜的、細(xì)節(jié)更為豐富的效果，于是很多研究者轉(zhuǎn)向基于物理的方法。基于物理的流體運動模擬方法主要分為兩種：一是從研究流體所占據(jù)的空間中各個固定點處的運動著手，分析被運動流體所充滿的空間中每一個固定點上的流體的速度、壓強、

密度等參數(shù)隨時間的變化，以及研究由某一空間點轉(zhuǎn)到另一空間點時這些參數(shù)的變化，該方法被稱為歐拉法，這種方法是一種基于網(wǎng)格的方法；二是從分析流體各個微團的運動著

手，即研究流體中某一指定微團的速度、壓強、密度等描述流體運動的參數(shù)隨時間的變化，以及研究由一個流體微團轉(zhuǎn)到其他流體微團時參數(shù)的變化，以此來研究整個流體的運動，被稱為拉格朗日法，是一種基于粒子的方法。現(xiàn)在已有許多模擬水流、波浪、瀑布、噴泉、濺水、船跡、氣體等流體效果的模型。9.3.3過程動畫

在三維動畫里大多數(shù)采用關(guān)鍵幀動畫、路徑驅(qū)動動畫或關(guān)節(jié)動畫來形成運動。但是有一些自然現(xiàn)象很難通過建模來完成，而且運動過程也很難用前面介紹的運動控制方法來描述，例如云彩、水波。對于這些自然現(xiàn)象，可以采用過程描述的方法來實現(xiàn)。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。在過程動畫中，物體運動與變形遵循一定自然法則或者內(nèi)在規(guī)律控制。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Fourier合成，用正弦波來合成水波的隨風(fēng)運動。過程動畫可以大致分為四種類型：過程紋理、粒子系統(tǒng)、L系統(tǒng)、Fourier合成。這四種技術(shù)在本質(zhì)上都是通過對動畫過程的描述來完成運動的，因此，可以把它們看做過程動畫。

1.3D紋理映射與過程紋理

盡管二維紋理映射技術(shù)在真實感圖形生成中獲得了極大的成功，可以逼真地模擬景物表面的紋理細(xì)節(jié)，但是該技術(shù)采用固定的圖像來描述物體表面細(xì)節(jié)，無法對紋理細(xì)節(jié)的動態(tài)變化進行描述；同時該技術(shù)在生成復(fù)雜曲面紋理時存在對曲率變化較大區(qū)域映射變形以及對多曲面連接而成的景物進行紋理映射時會出現(xiàn)不連續(xù)的問題。針對這樣的問題，提出了三維紋理映射方法。這種方法將三維紋理函數(shù)直接定義在三維紋理空間，通過空間嵌入直接實現(xiàn)紋理映射。三維紋理映射只需要將景物空間變換到三維紋理空間即可。常用的三維紋理的構(gòu)建方法有兩種：一種是基于離散采樣的數(shù)字化紋理，但消耗的內(nèi)存太大；另一種是采用數(shù)學(xué)模型直接計算生成紋理，稱之為過程紋理。過程紋理一般用簡單的過程迭代函數(shù)來生成。用什么迭代函數(shù)來構(gòu)建紋理一般通過經(jīng)驗取得，所以它們都為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。這類紋理映射在模擬木材、大理石、火焰等自然紋理方面取得了非常好的效果。

2.粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)是目前模擬不規(guī)則模糊物體最為成功的圖形生成算法之一。自然界的許多現(xiàn)象，比如煙霧、火焰等中的個體存在的時間非常短暫，總是不斷地進行新舊更新，或者個體較小乃至看不到，只有當(dāng)個體數(shù)量達到足夠多后才可見其整體效果，很難用表面建模的方法來實現(xiàn)。使用粒子系統(tǒng)，不需要去構(gòu)建獨立的表面，而是定義粒子系統(tǒng)的各種參數(shù)，系統(tǒng)會自動模擬產(chǎn)生效果。在粒子系統(tǒng)中，一個物體由一系列的粒子來表示，根據(jù)各自的動畫，每個粒子都要經(jīng)歷“出生”、“運動和生長”及“死亡”三個階段。動畫中不僅可控制粒子的位置和速度，還可控制粒子的外形參數(shù)如顏色、大小、透明度等。由于粒子系統(tǒng)是一個有“生命”的系統(tǒng)，它充分體現(xiàn)了不規(guī)則物體的動態(tài)性和隨機性，因而可產(chǎn)生一系列運動進化的畫面，這使模擬動態(tài)的自然景色如火、云、水等成為可能，如圖9-2所示。圖9-2用粒子系統(tǒng)模擬水泡粒子系統(tǒng)從應(yīng)用的角度可分為三類：①隨機粒子系統(tǒng)，主要通過可控制的隨機過程控制粒子屬性的變化，可用來生成火、煙、灰塵、爆炸等場景圖像；②結(jié)構(gòu)化粒子系統(tǒng)，主要用來模擬具有一定結(jié)構(gòu)的物體或現(xiàn)象，如樹、草、云、彩虹等；③方向粒子系統(tǒng)，考慮粒子間的相互影響，粒子除了具有速度和位置等動態(tài)屬性外，還必須有方向?qū)傩裕捎脕砟M織物、可變形物體和剛體等。粒子系統(tǒng)需要設(shè)定很多參數(shù)，首先要設(shè)定的是粒子系統(tǒng)所模擬的自然現(xiàn)象的類型，比如煙霧、火焰或者云彩等。不同類型的自然現(xiàn)象，有不同的控制參數(shù)。對于總體效果的控制，則有個體的數(shù)量、密度等參數(shù)。最后要設(shè)定粒子個體的屬性，有顏色、大小、形狀、生命周期等。生命周期決定個體存在時間的長短。一般來說，粒子系統(tǒng)的個體是不可見的或者極其簡單的，只能通過調(diào)整其參數(shù)來加以控制，而無法對其個體進行自由修改。

粒子系統(tǒng)造型方法具有較好的適用性，用戶可以根據(jù)個人愛好和不同需要設(shè)計具有個人風(fēng)格的粒子系統(tǒng)，不必拘泥于一定的模式。

3.基于語法的造型和動畫(L系統(tǒng))

基于語法的造型和動畫主要用于樹和植物的造型，其基本思想來源于Lindenmay的稱之為L系統(tǒng)的平行圖語法規(guī)則。在L系統(tǒng)中，一棵植物和樹的結(jié)構(gòu)可表示為由一些語法規(guī)則所定義的語言中的一個語句，其語法則由一個可圖示的重寫規(guī)則集確定，最后基于這些規(guī)則將語句轉(zhuǎn)化為圖像。實際上，L系統(tǒng)是字符串重寫系統(tǒng)。把字符串解釋成曲線(或者更準(zhǔn)確地稱做圖形)，于是只要能生成字符串，也就等于生成了圖形。L系統(tǒng)是極其有趣的：第一，用這種方法能夠生成許多經(jīng)典的分形；第二，用它可以模擬植物形態(tài)，特別是能很好地表達植物的分枝結(jié)構(gòu)。從一個初始串開始，將變換規(guī)則多次作用于其上，最后產(chǎn)生一個較長的命令串，用它來繪圖。作用一次，稱做一級(order)，一般說來選擇的級數(shù)不宜太高，通常選2～8級，最多15級。目前該技術(shù)已經(jīng)在實際中得以應(yīng)用。例如植物生成器，利用數(shù)學(xué)公式自動生成各類植物，只要輸入?yún)?shù)，如植物的類型、年齡、茂盛程度等，軟件就自動創(chuàng)建出所要求的植物。該工具非常簡單實用，在三維動畫以及三維游戲中使用廣泛，如圖9-3所示。圖9-3用L系統(tǒng)生成的三維樹

4.Fourier合成方法

Fourier合成技術(shù)是一種非常有效的過程紋理生成技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)成功地用于模擬水波、云彩、山脈和森林等自然景象。它通過將一系列不同頻率、相位的正弦波或余弦波疊加到一起產(chǎn)生所需的紋理模式。一般來說，既可以在空間域也可以在頻率域中合成所需的紋理。例如水波是動畫設(shè)計經(jīng)常要模擬的效果。一個簡單而有效的方法是用正弦波，動畫效果可通過對諸如振幅、相位等參數(shù)來設(shè)置。其突出的優(yōu)點是速度快，可由GPU的并行處理功能來承擔(dān)建模運算，但缺點是只能模擬小振幅的水波，如圖9-4所示。圖9-4用Fourier合成方法生成的水波9.3.4群體行為動畫

群體動畫創(chuàng)作一直是計算機動畫界的一個難題。采用傳統(tǒng)的關(guān)鍵幀技術(shù)創(chuàng)作生動逼真的人群或動物群體動畫，動畫師需要付出繁重的勞動，因為在群體動畫創(chuàng)作過程中，不僅要求群體的運動協(xié)調(diào)一致，而且要求各角色分別具有獨特的運動軌跡。1987年，CraigW.Reynolds提出的行為動畫定性地解決了這個問題，其基本原理是，一大群個體的復(fù)雜圖像能通過每個個體的簡單行為和個體間的交互行為來自動生成，其中的每個個體都是一個自治的智能體(Agent)。在行為動畫中，既考慮動畫的真實感，也強調(diào)角色的個性。在對鳥等動物的群體行為模擬中引入了分布控制的方法論，群體行為產(chǎn)生于一系列簡單地、獨立地應(yīng)用于群體每個成員的規(guī)則。這種運動既有隨機性，又有一定的規(guī)律性。Reynolds指出，群體的行為包含兩個對立的因素，即既要相互靠近又要避免碰撞。他用三條按優(yōu)先級遞減的原則來控制群體的行為：

①碰撞避免原則，即避免與相鄰的群體成員相碰；

②速度匹配原則，即盡量匹配相鄰群體成員的速度；

③群體合群原則，即群體成員之間盡量靠近。群體成員只對本地信息(如位置、速度、鄰近成員的位置及速度等)做出反應(yīng)。群體動畫是對群體行為動畫的簡稱，研究和模擬由簡單個體組成的群落與環(huán)境以及個體之間的互動行為，也可稱做“群智能”，如用boids或floys來模擬魚群或鳥群的運動。通過為每個個體的行為建模，并模擬這些模型來產(chǎn)生一系列動態(tài)的、有目的的復(fù)雜圖畫。這種建模顯然不同于傳統(tǒng)計算機動畫中僅對個體形狀和物理屬性的建模，已成為計算機動畫設(shè)計中一種很具吸引力的高層建模方式。群體動畫中的自主個體應(yīng)具有一定的人工智能，能即興地對其他個體、環(huán)境、玩家的化身等做出合理的反應(yīng)。其發(fā)展趨勢是：從簡單的自主個體(僅僅是追隨一些繪畫軌跡)，到能敏捷地做出反應(yīng)的個體，最終走向具有學(xué)習(xí)、推理、計

劃能力的個體。自主個體的運動行為被分為三層：行動選擇(策略、目標(biāo)、計劃)、行為控制(路徑確定)和動作(關(guān)節(jié)動畫)，如圖9-5所示。動作是三層行為等級的底層，可用運動

捕獲動畫數(shù)據(jù)來處理。中間層行為控制包括捕捉、逃跑、障礙避讓、沿路徑行進、分離、結(jié)合、列隊、領(lǐng)袖追逐等。行動選擇主要為個體具備一定的智能，能夠根據(jù)環(huán)境以及其他個體進行行為的策略安排等。圖9-5自主個體運動行為目前，我國浙江大學(xué)對群體動畫的研究和運動捕捉技術(shù)相結(jié)合，提出了基于多自主智能體的群體動畫創(chuàng)作框架，思路如下：首先，利用運動捕獲技術(shù)建立一個基本運動庫;然后引入分布式人工智能體，把各動畫角色作為一個獨立的行為者，能通過自身的感知系統(tǒng)獲取虛擬環(huán)境信息，接受動畫師的指令，進而產(chǎn)生意圖，規(guī)劃行為，最后通過運動生成系統(tǒng)，從已有的基本運動庫中選取合適的運動并對其進行編輯，完成行為實現(xiàn)意圖。動畫師通過拍攝群體角色的運動就能得到復(fù)雜的群體動畫。

設(shè)置群體中的行為動畫程序——Massive動畫是StephenRegelous的成果。Massive能創(chuàng)造對他們的環(huán)境做出反應(yīng)的人工智能角色，如圖9-6所示。圖9-6行為動畫程序Massive制作的小精靈動畫在影片《魔戒》里，該軟件主要用來創(chuàng)建聚集了70000個正在打斗的武士的戰(zhàn)斗場景，每個Massive角色都有自己的“大腦”。角色的大腦是用模塊(輸入/輸出節(jié)點、控制節(jié)點和模糊邏輯節(jié)點的網(wǎng)絡(luò))來創(chuàng)建的。通常，大腦有6000～8000個這樣的節(jié)點。角色們能“看見”渲染他們周圍的圖像的掃描線，“聽見”聲音的頻率，并確定他們所處的位置，然后做出與人類相似的反應(yīng)。每個角色都有一個特殊的大腦，因此他能做出獨特的反應(yīng)。他們做出反應(yīng)的速度是24幀/秒。工作人員用Massive來處理影片中數(shù)千個武士，一旦從戰(zhàn)場上出發(fā)，他們就會鎖定目標(biāo)(敵人)，然后開始交戰(zhàn)，如圖9-7所示。圖9-7

Massive的武士開始交戰(zhàn)在圖9-7中，這些武士輸進Massive時發(fā)出“嗡嗡”的叫聲，這樣他們就不會彼此撞擊，一旦武士開始交戰(zhàn)，他們就用視覺來確定該做出怎樣的反應(yīng)。此軟件能“幫助”數(shù)字特技替身演員翻越陡峭的樓梯。9.3.5運動捕捉技術(shù)

在角色動畫中，一般用動力學(xué)控制和運動學(xué)控制兩種技術(shù)來生成人體動畫，尤其是運動學(xué)中的反向運動學(xué)在三維動畫軟件中使用廣泛。這兩種控制技術(shù)都試圖利用人體運動的物理規(guī)律來生成人體動畫，但是由于人體運動規(guī)律的復(fù)雜性很高，特別是人體運動協(xié)調(diào)機制的模擬非常困難，因此生成的動畫并不逼真，而且缺乏實際人體運動中豐富的細(xì)節(jié)信息近年來興起的運動捕捉技術(shù)則克服了以上兩種運動控制技術(shù)的缺點，成為人體動畫中最具有前途的技術(shù)之一。運動捕捉技術(shù)綜合運用計算機圖形學(xué)、電子、機械、光學(xué)、計算機視覺、計算機動畫等技術(shù)，在運動物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，捕捉跟蹤器的位置，再經(jīng)過計算機處理后，提供給用戶可以在動畫制作中應(yīng)用的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)被計算機識別后，動畫師即可用數(shù)據(jù)驅(qū)動三維模型，生成動畫，然后很方便地在計算機產(chǎn)生的鏡頭中調(diào)整、控制運動的物體。運動捕捉后的數(shù)據(jù)可以直接調(diào)入三維動畫中驅(qū)動三維模型，也可以通過第三方軟件作為“中間人”進行編輯，將模型和數(shù)據(jù)在軟件中進行匹配，結(jié)果直觀。到目前為止，常用的運動捕捉技術(shù)從原理上可分為機械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式。同時，不依賴于專用傳感器，而直接識別人體特征的運動捕捉技術(shù)也將很快走向?qū)嵱?。不同原理的設(shè)備各有其優(yōu)缺點，一般可從以下幾個方面進行評價：定位精度、實時性、使用方便程度、可捕捉運動范圍大小、成本、抗干擾性、多目標(biāo)捕捉能力。機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動，典型系統(tǒng)由多個關(guān)節(jié)和剛性連桿組成。在可轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器，可以測得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的變化情況。裝置運動時，根據(jù)角度傳感器所測得的角度變化和連桿的長度，可以得出桿件末端點在空間中的位置和運動軌跡。實際上，裝置上任何一點的運動軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿，用位移傳感器測量其長度的變化，如圖9-8所示。這種方法的優(yōu)點是成本低，精度也較高，可以做到實時測量，還可容許多個角色同時表演。但其缺點也非常明顯，主要是使用起來非常不方便，機械結(jié)構(gòu)對表演者的動作阻礙和限制很大。該技術(shù)主要用于靜態(tài)造型捕捉和關(guān)鍵幀的確定。圖9-8機械式運動捕捉設(shè)備聲學(xué)式運動捕捉裝置由發(fā)送器、接收器和處理單元組成。發(fā)送器是一個固定的超聲波發(fā)生器，接收器一般由呈三角形排列的三個超聲探頭組成。通過測量聲波從發(fā)送器到接收器的時間或者相位差，系統(tǒng)可以計算并確定接收器的位置和方向。Logitech、SAC等公司都生產(chǎn)超聲波運動捕捉設(shè)備。這類裝置成本較低，但對運動的捕捉有較大延遲和滯后，實時性較差，精度一般不很高，聲源和接收器間不能有大的遮擋物體，受噪聲和多次反射等干擾較大。由于空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關(guān)，所以還必須在算法中做出相應(yīng)的補償。電磁式運動捕捉技術(shù)使用電磁場傳感技術(shù)，發(fā)射源在空間產(chǎn)生按一定時空規(guī)律分布的電磁場，在表演者身體的關(guān)鍵位置安置接收傳感器，傳感器通過電纜與數(shù)據(jù)處理單元相連。

表演者在電磁場內(nèi)表演時，接收傳感器也隨著運動，并將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向，如圖9-9所示。圖9-9電磁式運動捕捉設(shè)備該技術(shù)相對機械式而言設(shè)備簡單，可以完成翻滾等動作，但是它的缺點在于對環(huán)境要求嚴(yán)格，在表演場地附近不能有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。系統(tǒng)的允許表演范圍比光學(xué)式要小，特別是電纜對表演者的活動限制比較大，對于比較劇烈的運動和表演則不適用。光學(xué)式運動捕捉是目前的熱門技術(shù)，在三維廣告以及三維動畫中使用廣泛。該技術(shù)通過對目標(biāo)上特定光點的監(jiān)視和跟蹤來完成運動捕捉的任務(wù)。通常要求表演者在身體的關(guān)鍵

部位貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點，稱為“Marker”，視覺系統(tǒng)識別和處理這些標(biāo)志，如圖9-10所示。系統(tǒng)定標(biāo)后，相機連續(xù)拍攝表演者的動作，并將圖像序列保存下來，然后再進行分析和處理，識別其中的標(biāo)志點，并計算其在每一瞬間的空間位置，進而得到其運動軌跡。該技術(shù)帶來的最大突破就是對表演者的限制最低，去除了機械式中機械裝備以及電磁式中電纜的限制，同時可擴展性較強，但是存在的最大問題就是價格昂貴且標(biāo)志點容易產(chǎn)生混淆，需要人工干預(yù)。圖9-10光學(xué)運動捕捉設(shè)備目前對運動捕捉技術(shù)的研究非常多。運動捕捉技術(shù)能夠捕捉真實的人體運動，但是就其技術(shù)本身而言是運動的復(fù)制，所獲取的數(shù)據(jù)只能在特定的環(huán)境下應(yīng)用，對場景改變或用戶需求改變的適應(yīng)能力較弱。為了提高運動捕捉數(shù)據(jù)的利用率，使之能夠應(yīng)用在新的場景中，滿足新的用戶需求，需要對運動捕捉數(shù)據(jù)進行處理。對單個運動捕捉序列進行編輯

可以合成新的運動；將兩個或者多個指定的運動捕捉進行融合可以得到一些有趣的合成效果。所以運動數(shù)據(jù)的編輯和合成是現(xiàn)在的熱門研究課題。同時，浙江大學(xué)也開始進行對如何將運動捕捉與人工智能相結(jié)合的研究工作，在群體行為動畫中取得了一定的成果。在動畫領(lǐng)域里，運動捕捉卡通動畫的技術(shù)是新的熱門話題。早期的二維動畫曾經(jīng)創(chuàng)造了大量優(yōu)秀的動畫片。運動捕捉卡通技術(shù)就是其中一種較好的方法。它可以將二維動畫片中卡通動畫動作捕捉下來然后重新定位給新創(chuàng)建的角色。該技術(shù)主要分為兩部分，一部分為卡通捕捉，也就是將數(shù)字化的卡通動畫轉(zhuǎn)化為卡通動作；第二部分為卡通的重定向，也就是將抽取的卡通動作應(yīng)用到不同的輸出媒體，可以是新創(chuàng)建的二維角色，也可以是三維角色等。也就是說應(yīng)用運動捕捉技術(shù)我們可以處理傳統(tǒng)動畫。如圖9-11所示，大家可以看到取得的成果。圖9-11運動捕捉卡通動畫應(yīng)用于三維角色目前，計算機動畫領(lǐng)域正在不斷地借用其他學(xué)科的知識。例如，與物理學(xué)的結(jié)合創(chuàng)建的基于物理的動畫技術(shù)以及行為動畫中人工智能的使用，還有過程動畫中使用的L系統(tǒng)用來模擬樹的造型。其實L系統(tǒng)的本質(zhì)在其他學(xué)科早有應(yīng)用，但是拿到動畫領(lǐng)域給動畫技術(shù)帶來了新的突破。

9.4三維動畫設(shè)計

三維動畫的處理對象大致可分為規(guī)則對象、非規(guī)則群體對象及人物角色。針對不同的處理對象，應(yīng)采用不同的動畫處理技術(shù)。

9.4.1三維動畫的制作過程

根據(jù)實際制作流程，一個完整的影視類三維動畫的制作總體上可分為前期制作、動畫片段制作與后期合成三個部分。

1．前期制作

三維動畫的前期制作是指在使用計算機制作前，對動畫片進行的規(guī)劃與設(shè)計，主要包括：文學(xué)劇本創(chuàng)作、分鏡頭劇本創(chuàng)作、造型設(shè)計、場景設(shè)計。文學(xué)劇本是動畫片的基礎(chǔ)，要求將文字表述視覺化，即劇本所描述的內(nèi)容可以用畫面來表現(xiàn)，不具備視覺特點的描述(如抽象的心理描述等)是禁止的。動畫片的文學(xué)劇本形式多樣，如神話、科幻、民間故事等，要求內(nèi)容健康、積極向上、思路清晰、邏輯合理。

分鏡頭劇本是把文字進一步視覺化的重要一步，是導(dǎo)演根據(jù)文學(xué)劇本進行的再創(chuàng)作，可體現(xiàn)導(dǎo)演的創(chuàng)作設(shè)想和藝術(shù)風(fēng)格。分鏡頭劇本的結(jié)構(gòu)是圖畫+文字，表達的內(nèi)容包括鏡頭的類別和運動、構(gòu)圖和光影、運動方式和時間、音樂與音效等。其中每個圖畫代表一個鏡頭，文字用于說明鏡頭長度、人物臺詞及動作等內(nèi)容。造型設(shè)計包括人物造型、動物造型、器物造型等，設(shè)計內(nèi)容包括角色的外型設(shè)計與動作設(shè)計。造型設(shè)計的要求比較嚴(yán)格，包括標(biāo)準(zhǔn)造型、轉(zhuǎn)面圖、結(jié)構(gòu)圖、比例圖、道具服裝分解圖等，通過角色的典型動作設(shè)計(如幾幅帶有情緒的角色動作體現(xiàn)角色的性格和典型動作)，并且附以文字說明來實現(xiàn)。造型可適當(dāng)夸張、要突出角色特征，運動合乎規(guī)律。

場景設(shè)計是整個動畫片中景物和環(huán)境的來源。比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膱鼍霸O(shè)計包括平面圖、結(jié)構(gòu)分解圖、色彩氣氛圖等，通常用一幅圖來表達。

2．動畫片段制作

根據(jù)前期設(shè)計，在計算機中通過相關(guān)制作軟件制作出動畫片段，制作流程為建模、材質(zhì)、燈光、動畫、攝影機控制、渲染等，這是三維動畫的制作特色。

建模是動畫師根據(jù)前期的造型設(shè)計，通過三維建模軟件在計算機中繪制出角色模型。這是三維動畫中很繁重的一項工作，需要出場的角色和場景中出現(xiàn)的物體都要建模。建模

的靈魂是創(chuàng)意，核心是構(gòu)思，源泉是美術(shù)素養(yǎng)。通常使用的軟件有3DSmax、AutoCAD、MAYA等。建模常見方式有：①多邊形建模，它把復(fù)雜的模型用一個個小三角面或四邊形組接在一起表示；②樣條曲線建模，它是用幾條樣條曲線共同定義一個光滑的曲面，特性是平滑過渡性，不會產(chǎn)生陡邊或皺紋，因此非常適合有機物體或角色的建模和動畫；③細(xì)分建模，它是結(jié)合多邊形建模與樣條曲線建模的優(yōu)點進行開發(fā)的建模方式。動畫建模的特點不在于精確性，而在于藝術(shù)性，如影片《侏羅紀(jì)公園》中的恐龍模型。材質(zhì)貼圖中的材質(zhì)即材料的質(zhì)地，就是把模型賦予生動的表面特性，具體體現(xiàn)在物體的顏色、透明度、反光度、反光強度、自發(fā)光及粗糙程度等特性上。貼圖是指把二維圖片通過軟件的計算貼到三維模型上，形成表面細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)。對具體的圖片要貼到特定的位置，三維軟件使用了貼圖坐標(biāo)的概念。一般有平面、柱體和球體等貼圖方式，分別對應(yīng)于不同的需求。模型的材質(zhì)與貼圖要與現(xiàn)實生活中的對象屬性相一致。燈光的目的是最大限度地模擬自然界的光線類型和人工光線類型。三維軟件中的燈光一般有泛光燈(如太陽、蠟燭等四面發(fā)射光線的光源)和方向燈(如探照燈、電筒等有照明方向的光源)。燈光起著照明場景、投射陰影及增添氛圍的作用。通常采用三光源設(shè)置法，即一個主燈、一個補燈和一個背燈。主燈是基本光源，其亮度最高，它決定光線的方向。角色的陰影主要由主燈產(chǎn)生，通常放在正面的3/4處即角色正面左邊或右面45°處。補燈的作用是柔和主燈產(chǎn)生的陰影，特別是面部區(qū)域，常放置在靠近攝影機的位置。背燈的作用是加強主體角色及顯現(xiàn)其輪廓，使主體角色從背景中突顯出來。背燈通常放置在背面的3/4處。攝影機控制是依照攝影原理在三維動畫軟件中使用攝影機工具，實現(xiàn)分鏡頭劇本設(shè)計的鏡頭效果。畫面的穩(wěn)定、流暢是使用攝影機的第一要素。攝影機功能只有情節(jié)需要才使用，不是任何時候都使用。攝影機的位置變化也能使畫面產(chǎn)生動態(tài)效果。

動畫是根據(jù)分鏡頭劇本與動作設(shè)計，運用已設(shè)計的造型在三維動畫制作軟件中制作出一個個動畫片段。動作與畫面的變化通過關(guān)鍵幀來實現(xiàn)，設(shè)定動畫的主要畫面為關(guān)鍵幀，關(guān)鍵幀之間的過渡由計算機來完成。三維軟件大都將動畫信息以動畫曲線來表示。動畫曲線的橫軸是時間(幀)，豎軸是動畫值，可以從動畫曲線上看出動畫設(shè)置的快慢急緩、上下跳躍。如3DSmax的動畫曲線編輯器就可以通過調(diào)整曲線來設(shè)置運動的不同狀態(tài)。三維動畫的動是一門技術(shù)，其中人物說話的口型變化、喜怒哀樂的表情、走路動作等都要符合自然規(guī)律，制作要盡可能細(xì)膩、逼真，因此，動畫師要專門研究各種事物的運動規(guī)律。如果需要，可參考聲音的變化來制作動畫，如根據(jù)講話的聲音制作講話的口型變化，使動作與聲音協(xié)調(diào)。對于人的動作變化，系統(tǒng)提供了骨骼工具，通過蒙皮技術(shù)，將模型與骨骼綁定，易產(chǎn)生合乎人的運動規(guī)律的動作。渲染是指根據(jù)場景的設(shè)置、賦予物體的材質(zhì)和貼圖、燈光等，由程序繪出一幅完整的畫面或一段動畫。三維動畫必須渲染才能輸出，造型的最終目的是得到靜態(tài)或動畫效果圖，而這些都需要渲染才能完成。渲染由渲染器完成，渲染器有線掃描方式(Line-scan)、光線跟蹤方式(Ray-tracing)以及輻射度渲染方式(Radiosity，如Lightscape渲染軟件)等，其渲染質(zhì)量依次遞增，但所需時間也相應(yīng)增加。較好的渲染器有Softimage公司的MetalRay和Pixal公司的RenderMan(MAYA軟件也支持RenderMan渲染輸出)。通常輸出為AVI類的視頻文件。動畫制作是3DSmax中最難掌握的環(huán)節(jié)，由于所有的設(shè)置都要經(jīng)過長時間的計算才能成功(例如，一張畫面的渲染需要20s，則短短30s的動畫成品，等待渲染計算的時間就長達300s)。動畫攝制完成后，如果不需要進行進一步的特效制作，便可將設(shè)置的效果直接通過渲染程序輸出為動畫。

常用的動畫特效技術(shù)包括：

·關(guān)鍵幀管理：包括關(guān)鍵幀精簡、功能曲線、松馳和乘子曲線、超出范圍的循環(huán)、聲音調(diào)和、勻速、文字注釋、時間標(biāo)記、對象選擇、列表過濾器、基于時間的編輯和關(guān)鍵幀隨機化。

·表達式：表達式將動態(tài)參考動畫軌跡作為變量以建立對象參數(shù)間的動態(tài)關(guān)系。

·反向運動學(xué)關(guān)節(jié)約束：包括放松、優(yōu)先和6自由度的阻尼控制，交互的實時IK解決方案支持層級、固定對象、跟隨對象、封閉環(huán)求解和約束。

·剛體動力學(xué)：剛體動力學(xué)對象有彈力、靜摩擦和動摩擦屬性，可以在重力、風(fēng)力、馬達力和推力的作用下進行碰撞和滑動。

3．后期合成

影視類三維動畫的后期合成，主要是將之前所做的動畫片段、聲音等素材，按照分鏡頭劇本的設(shè)計，通過非線性編輯軟件的編輯，最終生成動畫影視文件。三維動畫的制作是以多媒體計算機為工具，綜合文學(xué)、美工美學(xué)、動力學(xué)、電影藝術(shù)等多學(xué)科的產(chǎn)物。實際操作中要求多人合作，大膽創(chuàng)新、不斷完善，緊密結(jié)合社會現(xiàn)實，反映人們的需求，倡導(dǎo)正義與和諧。9.4.2動畫實例

例9-1江蘇科技大學(xué)宣傳片片頭動畫設(shè)計(絲帶舞動動畫)。要求以明珠為背景，兩條寫著文字的金屬色絲帶圍繞明珠舞動。

【設(shè)計過程】

江蘇科技大學(xué)宣傳片片頭動畫設(shè)計采用的是關(guān)鍵幀技術(shù)。主要步驟包括：創(chuàng)建絲帶舞動的路徑；絲帶與文字的創(chuàng)建；絲帶舞動動畫的制作；材質(zhì)的貼圖；絲帶舞動場景動畫。

1．前期設(shè)計

江蘇科技大學(xué)宣傳片的片頭腳本設(shè)計思想：開場主要以火紅的顏色來表現(xiàn)校慶的熱烈場面，并能夠突出江蘇科技大學(xué)的校名，給人震撼、華麗的視覺感受。根據(jù)上述腳本思想，在場景中設(shè)計了兩個寫有“江蘇科技大學(xué)”文字的紅色絲帶，這樣來突出江蘇科技大學(xué)的校名，在場景中央設(shè)置一個紅色的明珠，象征著學(xué)校像一顆明珠一樣冉冉升起。使用兩條紅色絲帶在明珠前舞動，來表現(xiàn)歡慶的場面。

絲帶制作中為了映襯明珠的光感，要體現(xiàn)出一定的透明度，并且絲帶在自身扭轉(zhuǎn)時還要體現(xiàn)出一定的金屬質(zhì)感。同時，為了讓它在明珠前舞動，要給它設(shè)定一個路徑。

2．動畫片段制作

(1)舞動絲帶的制作。創(chuàng)建絲帶舞動的路徑：在制作絲帶舞動片頭動畫之前，要在草圖上簡要繪制想要達到的動畫效果，即絲帶舞動的路徑，然后再開始創(chuàng)建。由于絲帶的舞動軌跡是光滑且可以任意變化的，因此，其造型方法采用NURBSCurves(非均勻的有理B樣條)曲線類型，這種樣條曲線的突出特點是便于進行局部細(xì)節(jié)的修改。

在平面圖形層級，設(shè)置絲帶舞動的路徑，然后在交互界面中對其運動軌跡進行調(diào)整，使之產(chǎn)生立體效果，如圖9-12所示。圖9-12絲帶舞動的路徑

(2)絲帶與文字的創(chuàng)建。由于在圖形動畫系統(tǒng)中，圖形對象與文字對象需要分別進行處理，因此，本動畫的絲帶與文字不可能在同一個層中，需要分別在不同層級進行創(chuàng)建。然后通過調(diào)整它們在各個視圖窗口中的位置，使它們盡量靠在一起。

絲帶是在擴展幾何體層級中進行創(chuàng)建，方法是創(chuàng)建一個切角方體，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。文字是在平面圖形層級的Splines層級中進行創(chuàng)建，添加文本“江蘇科技大學(xué)”，并設(shè)置字體參數(shù)，使其可渲染，這樣制作的線框文字就可以正常渲染了。然后在LEFT視圖中將文字移動到切角方體的上方，并盡量靠近，如圖9-13所示。圖9-13絲帶與文字的創(chuàng)建

(3)絲帶舞動動畫的制作。因為絲帶在舞動的過程中會自身扭轉(zhuǎn)，所以在制作的時候，舞動的同時還要調(diào)整絲帶自

身的扭轉(zhuǎn)角度。

制作方法是，首先選擇絲帶模型，設(shè)置其路徑變形，然后將繪制的路徑曲線賦給絲帶模型，這時絲帶就添加到路徑的起點上了，調(diào)整其參數(shù)使其能夠自旋轉(zhuǎn)并自扭曲。接著，采用自動關(guān)鍵幀技術(shù)設(shè)計絲帶的舞動動畫，先設(shè)置關(guān)鍵幀的第0幀及絲帶的百分比初值，再設(shè)置關(guān)鍵幀的最后一幀，并設(shè)置其絲帶的終值百分比，讓自動關(guān)鍵幀記錄下剛才設(shè)置好的動畫參數(shù)，按下播放按鈕,絲帶就已經(jīng)舞動起來了。為了使文字與絲帶保持同樣的舞動效果，將絲帶的路徑變形也同樣賦給文字,使它們產(chǎn)生同步的變換效果。觀看效果，如圖9-14所示。圖9-14絲帶舞動動畫

(4)材質(zhì)的貼圖。為了使繪制的絲帶有真實布料的感覺，需采用材質(zhì)貼圖技術(shù)。材質(zhì)貼圖就是利用一些相關(guān)的圖片將其貼在絲帶的表面。材質(zhì)貼圖的方法是利用鏡像復(fù)制文字和絲帶，與原來的成YZ軸對稱，再截取一張黃色綢帶圖片的部分，將它添加到材質(zhì)庫中，并將該材質(zhì)賦予絲帶，同時調(diào)整絲帶的內(nèi)發(fā)光效果。設(shè)置完成的絲帶和文字的材質(zhì)效果如圖9-15所示。圖9-15截取圖片部分設(shè)置材質(zhì)

(5)絲帶舞動場景動畫的實現(xiàn)。絲帶舞動動畫中主要采用的是關(guān)鍵幀控制特效。通過對起始點關(guān)鍵幀上所對應(yīng)絲帶位置的調(diào)整，設(shè)置動畫自動生成播放，由于絲帶已經(jīng)綁定在路徑上，所以絲帶就沿著路徑自動扭轉(zhuǎn)舞動起來了。最后在渲染的時候設(shè)置它的渲染幀數(shù)為120，導(dǎo)出格式為AVI格式，于是這個動畫就生成了120張連續(xù)的圖片在相應(yīng)的時間里快速播放，形成了視頻動畫效果。具體操作方法如下：

在自動關(guān)鍵幀中打開動畫記錄，將滑塊拖動到起始幀，在命令面板上設(shè)置其百分比參數(shù)。然后再拖動滑塊到第100幀，設(shè)置終值百分比參數(shù)，關(guān)閉動畫記錄，進行動畫播放，絲帶的舞動動畫就表現(xiàn)出來了。將絲帶的WSM拖動到文字上，即將絲帶的路徑變形也同樣賦給文字，使它們產(chǎn)生同樣的變形。拖動動畫滑塊觀看效果。最后選擇一幅位圖“紅色明珠”作為背景并進行渲染。最終效果如圖9-16所示。圖9-16絲帶舞動動畫效果圖

例9-2會議場景巡覽動畫。要求當(dāng)片頭動畫結(jié)束后，進入座談會議室，并可以對會議室進行多角度巡覽。

【設(shè)計過程】

主要利用三維與鏡頭相結(jié)合的方式，使得宣傳片的效果更引人入勝。會議場景巡覽主要包括以下幾個步驟：創(chuàng)建攝影機；調(diào)整攝影機的注視視角；設(shè)置攝影機的移動軌跡；鏡

頭移動動畫的實現(xiàn)。

1．前期設(shè)計

會議場景是與前面絲帶舞動動畫相結(jié)合的，它的設(shè)計主要是以鏡頭的視角來觀看會議室里的場景。通過鏡頭跟隨的方式，由近及遠(yuǎn)，然后逐漸繞場一周，完成觀看場景全局的效果。其中玻璃幕墻材質(zhì)、會議室掛圖、燈光等效果都要細(xì)化。

2．動畫片段制作

(1)創(chuàng)建攝影機。在已經(jīng)建好模的基礎(chǔ)上，為了達到以一個固定點來觀看的效果，需要創(chuàng)建攝影機。首先要設(shè)計好一個適當(dāng)?shù)奈恢脕戆卜艛z影機。制作好會議室場景模型，在前視圖上創(chuàng)建自由攝影機，然后將剛才創(chuàng)建的攝影機轉(zhuǎn)換為視圖攝影機，如圖9-17所示。圖9-17創(chuàng)建攝影機

(2)調(diào)整攝影機的注視視角。為了使攝影機始終保持直對屏幕，要給攝影機指定注視約束控制器。在進行注視約束

控制前，為了便于快速生成瀏覽對象，需要先取消透視圖的材質(zhì)貼圖。然后，設(shè)置注視約束目標(biāo)，方法是在頂視圖中選擇屏幕對象，給攝影機添加注視目標(biāo)對象，同時調(diào)整攝影機的注視軸，這樣攝影機的鏡頭就始終對著屏幕了，如圖9-18所示。圖9-18添加注視約束目標(biāo)

(3)設(shè)置攝影機的移動軌跡。為了讓攝影機繞著會議桌旋轉(zhuǎn)著觀看屏幕，首先要繪制一條路徑，然后讓攝影機圍繞

著這條路徑移動。本系統(tǒng)采用在頂視圖中繪制一條繞著椅子后方旋轉(zhuǎn)的曲線。在線的起點添加一個虛擬對象，設(shè)置路徑約束，選擇曲線為約束對象，使虛擬對象沿著這條曲線運動。觀看虛擬對象的運動情況。選定攝影機，使它對齊虛擬對象，設(shè)置對齊方式為x、y軸中心點對齊，然后將攝影機與虛擬對象鏈接，拖動時間軸可以看到它按照剛才虛擬對象的運動軌跡開始運動，如圖9-19所示。圖9-19設(shè)置攝影機的運動軌跡接著，通過層次面板適當(dāng)調(diào)節(jié)攝影機的高度等，最后進行渲染。

(4)鏡頭移動動畫的實現(xiàn)。在會議室巡覽動畫中主要采用的也是關(guān)鍵幀控制特效。但與絲帶舞動不同的是，它的路徑是通過指定給虛擬對象而實現(xiàn)的，通過對虛擬對象關(guān)鍵幀上位置的調(diào)整，以達到讓它沿路徑運動的效果。最后將攝影機綁定在虛擬對象上就可以讓攝影機隨對象一起運動了。這時的虛擬對象就像是載著攝影機的人在軌道上行走，讓本來不會動的攝影機也可以運動自如了。最后在渲染的時候設(shè)置它的渲染幀數(shù)為200，導(dǎo)出格式為AVI格式。具體操作方法如下：

在頂視圖中創(chuàng)建一條繞著椅子后方旋轉(zhuǎn)的曲線。在線的起點添加一個虛擬對象，選擇曲線為約束對象，使虛擬對象沿著這條曲線運動。點擊時間軸，觀看虛擬對象的運動情況。選定攝影機，點擊對齊虛擬對象，設(shè)置對齊方式為x、y軸中心點對齊，然后將攝影機與虛擬對象鏈接，拖動時間軸可以看到它按照剛才虛擬對象的運動軌跡開始運動。觀看效果，如圖9-20所示。圖9-20會議室巡覽動畫效果圖

例9-3群體蝙蝠飛舞動畫場景。要求模擬電影《蝙蝠俠》中一群蝙蝠在城堡邊飛翔盤旋的場景。

【設(shè)計過程】

蝙蝠飛舞主要是利用粒子系統(tǒng)來實現(xiàn)的非規(guī)則群體運動。主要包括以下幾個步驟：添加攝影機、創(chuàng)建蝙蝠群、蝙蝠群飛舞動畫的實現(xiàn)。

在影視片中，拍攝過程中有時達不到場景中所需的那么奇異、宏偉的效果，且采用攝像機拍攝的人力、財力成本很高。這時就需要利用3D不規(guī)則的群體動畫來制作一些特效添加到場景中，以彌補場景的不足。采用傳統(tǒng)的關(guān)鍵幀技術(shù)生成人群或動物群體動畫的難度是非常大的，因為在群體動畫創(chuàng)作過程中，不僅要求群體的運動協(xié)調(diào)一致，而且要求各角色分別具有獨特的運動軌跡。

1．前期設(shè)計

在影片《蝙蝠俠》中，夜空中一群蝙蝠在城堡邊飛翔盤旋，這樣的場景不是攝影機隨時可以拍到的，為了滿足影片的需求，就需要制作一個群體蝙蝠飛舞的動畫特效。蝙蝠飛舞場景動畫的腳本首先要設(shè)計一個孤立的城堡和一群蝙蝠，并設(shè)定這群蝙蝠的運動協(xié)調(diào)及各自的運動軌跡，然后設(shè)置它們在空中一定范圍內(nèi)時聚時散地盤旋。對于動畫中的蝙蝠不要求看得非常清晰，但數(shù)量必須比較多，并且在盤旋飛舞的過程中要有一個相對的位移變化。

2．動畫片段制作

(1)添加攝影機。為了使蝙蝠在城堡旁飛翔，需要選擇好一個固定的視角，而視角的設(shè)定就是添加攝影機。導(dǎo)入制作好的場景圖片城堡，放置好攝影機，使得鏡頭拍到的是城堡的一部分，而主要的方向是天空，如圖9-21所示。圖9-21為場景圖片添加攝影機

(2)創(chuàng)建蝙蝠群。由于蝙蝠是一個非規(guī)則的群體，所以其制作主要采用粒子系統(tǒng)來創(chuàng)建。同時為了使它們在一個界定的范圍內(nèi)飛行，還需要通過設(shè)置一個球形體來控制它們。

在場景中創(chuàng)建粒子系統(tǒng)，并選擇對象類型為PFSource，設(shè)計一個粒子矩形，然后分別調(diào)整這個矩形所在立面中的位置。在修改器中再創(chuàng)建一個球體，并調(diào)整球體的大小，使其將剛才所創(chuàng)建的粒子群包含在內(nèi)，這樣就給蝙蝠設(shè)定了一個飛行范圍。然后在粒子視圖中分別改變粒子的參數(shù)，來設(shè)定蝙蝠飛行的姿態(tài)和飛行距離。最后為粒子添加蝙蝠圖形和材質(zhì)，如圖9-22所示。 圖9-22創(chuàng)建蝙蝠粒子群

(3)蝙蝠群飛舞動畫的實現(xiàn)。蝙蝠盤旋動畫效果主要是利用粒子系統(tǒng)來實現(xiàn)的非規(guī)則群體運動。除了在時間軸上設(shè)置時間讓動畫在規(guī)定時間內(nèi)播放外，主要還是依靠在粒子系統(tǒng)設(shè)置的縮放參數(shù)來調(diào)整蝙蝠盤旋時的聚攏和分散的效果，同時，蝙蝠自身還有一定的飛行姿態(tài)，這就使得動畫的效果更加逼真生動。制作完成后渲染時設(shè)置幀數(shù)為