计算机动画原理与技术课件.ppt

1、（2008）第一章动画综述第一章动画综述 1.11.1 动画的基本原理动画的基本原理 1.21.2 传统动画与计算机动画传统动画与计算机动画 1.31.3 计算机动画系统的组成计算机动画系统的组成 1.41.4 计算机动画的基本类型计算机动画的基本类型 1.51.5 计算机动画技术概述计算机动画技术概述1.1 1.1 动画的基本原理和基本概念动画的基本原理和基本概念 动画和动画片是两个不同的动画和动画片是两个不同的概念，动画涵盖了一个非常广概念，动画涵盖了一个非常广泛的领域，包括影视动画片、泛的领域，包括影视动画片、影视特技动画、广告动画、游影视特技动画、广告动画、游戏动画、军事演习模拟、科学

2、戏动画、军事演习模拟、科学可视化、医学、教育等。可视化、医学、教育等。动画片动画片 动画片是动画的一种，也是影片的一种。影片按制作方式可分为如下三种：（1）主要通过对人或动物等真实物体或场景拍摄而得的影片称为电影。（2）主要采用木偶拍摄而得的影片称为木偶片。（3）主要通过绘制画面而得的影片称为动画片。动画的基本原理 无论何种动画，都是利用人类眼无论何种动画，都是利用人类眼睛的睛的“视觉滞留效应视觉滞留效应”产生动感，产生动感，多幅画面快速连续的更换，使人多幅画面快速连续的更换，使人们看到连续活动的图像，这就是们看到连续活动的图像，这就是动画的基本原理。动画的基本原理。“视觉滞留效应”是指人在看

3、物体时，物体的影像短是指人在看物体时，物体的影像短暂地残留在人脑视觉神经中，残留时暂地残留在人脑视觉神经中，残留时间约为间约为1/24s1/24s。如果每。如果每1/24s1/24s更替一个更替一个画面，人们的大脑在前一个画面影像画面，人们的大脑在前一个画面影像没有消失前，又接受到下一个画面的没有消失前，又接受到下一个画面的新影像，连续的大脑感受使人们感觉新影像，连续的大脑感受使人们感觉到连续的影像变化。到连续的影像变化。下页展示的是一组传统动画的画下页展示的是一组传统动画的画面，表现小鸟飞翔的主题各帧画面面，表现小鸟飞翔的主题各帧画面的小鸟形态都有所变化，将这组画面的小鸟形态都有所变化，将这

4、组画面快速连续播放，即呈现出小鸟飞翔的快速连续播放，即呈现出小鸟飞翔的优美动感。优美动感。动画基本原理示例：图图1-1 表现小鸟飞翔的传统动画表现小鸟飞翔的传统动画 连续播放小鸟飞翔画面连续播放小鸟飞翔画面（2424帧帧/秒）秒）计算机动画是在传统动画的基础上，采用计算机图形图像技术而迅速发展起来的一门高新技术。所以说，要想掌握计算机动画的相关技术，就应该对传统动画有所了解。1.2 1.2 传统动画与计算机动画传统动画与计算机动画传统动画的制作方法 传统动画以画面为基础，所有的动传统动画以画面为基础，所有的动画构想、动作发展、表现手法等，都通画构想、动作发展、表现手法等，都通过手工绘制画面表现

5、出来。这些内容连过手工绘制画面表现出来。这些内容连续但各不相同的画面，由于每幅画面中续但各不相同的画面，由于每幅画面中的物体位置和形态的不同，在连续观看的物体位置和形态的不同，在连续观看画面时，给人以活动的感觉。画面时，给人以活动的感觉。传统动画的制作流程(1)(1)脚本及动画设计脚本及动画设计 脚本是叙述一个故事的文字提要及详细脚本是叙述一个故事的文字提要及详细的文学剧本，根据该剧本要设计出反映动的文学剧本，根据该剧本要设计出反映动画片大致概貌的各个片断，也即分镜头剧画片大致概貌的各个片断，也即分镜头剧本。然后，对动画片中出现的各种角色的本。然后，对动画片中出现的各种角色的造型、动作、色彩等

6、进行设计，并根据分造型、动作、色彩等进行设计，并根据分镜头剧本将场景的前景和背景统一考虑，镜头剧本将场景的前景和背景统一考虑，设计出手稿图及相应的对话和声音。设计出手稿图及相应的对话和声音。传统动画的制作流程(2)(2)关键帧的设计关键帧的设计 关键帧也称为原画，它一般表达某关键帧也称为原画，它一般表达某动作的极限位置、一个角色的特征或其动作的极限位置、一个角色的特征或其它的重要内容，这是动画的创作过程。它的重要内容，这是动画的创作过程。传统动画的制作流程(3)(3)中间帧生成中间帧生成 中间帧是位于关键帧之间的过渡画，可中间帧是位于关键帧之间的过渡画，可能有若干张。在关键帧之间可能还会插入能

7、有若干张。在关键帧之间可能还会插入一些更详细的动作幅度较小的关键帧，称一些更详细的动作幅度较小的关键帧，称为小原画，以便于中间帧的生成。有了中为小原画，以便于中间帧的生成。有了中间画，动作就流畅自然多了。间画，动作就流畅自然多了。传统动画的制作流程(4)(4)描线上色描线上色 动画初稿通常都是铅笔稿图，将这些稿动画初稿通常都是铅笔稿图，将这些稿图进行测试检查以后就要用手工将其轮廓图进行测试检查以后就要用手工将其轮廓描在透明胶片上，并仔细地描上墨、涂上描在透明胶片上，并仔细地描上墨、涂上颜料。动画片中的每一帧画面通常都是由颜料。动画片中的每一帧画面通常都是由许多张透明胶片叠合而成的，每张胶片上许

8、多张透明胶片叠合而成的，每张胶片上都有一些不同对象或对象的某一部分，相都有一些不同对象或对象的某一部分，相当于一张静态图像中的不同图层。当于一张静态图像中的不同图层。传统动画的制作流程(5)(5)检查、拍摄检查、拍摄 在拍摄前将各镜头的动作质量再检查一遍，然后动画摄影师把动画系列依次拍摄记录到电影胶片上。十分钟的电影动画片，大约需要一万张图画。传统动画的制作流程(6)(6)后期制作后期制作 有了拍摄好的动画胶片以后，还要对其有了拍摄好的动画胶片以后，还要对其进行编辑、剪接、配音、字幕等后期制作，进行编辑、剪接、配音、字幕等后期制作，才能最后完成一部动画片。才能最后完成一部动画片。传统动画的特点

9、很长时间的不断完善，传统动画已形成了一套完整的体系，包括制作流程，分工，市场运作，甚至电视播出的动画系列片长度和集数都已经规范。他可以完成许多复杂的高难度的动画效果，几乎人们可以想象到的他都可以完成。美术效果也是如此，传统动画可以制作风格多样的美术风格，特别是大场面，大制作的片子，用传统动画可以塑造出恢弘的画面及其细腻的美术效果。传统动画的特点传统动画的制作费时、费工、费力，绘制任务繁重而复杂的。用传统方法制作动画时走形一直是个令人头疼的问题.。掌控动画片质量是一个在传统动画中比较难解决的问题。传统动画的特点由此我们可以看出，传统动画由此我们可以看出，传统动画的设计制作过程相当复杂。其消耗的设

10、计制作过程相当复杂。其消耗的人力、物力、财力以及时间都是的人力、物力、财力以及时间都是巨大的。因此，当计算机技术发展巨大的。因此，当计算机技术发展起来以后，人们开始尝试用计算机起来以后，人们开始尝试用计算机进行动画创作。进行动画创作。计算机在计算机在动画制作中的应用动画制作中的应用第一阶段用计算机画出简单的线条和几何图形，计算机把绘画过程记录下来。在需要时，由计算机重复绘画过程，使人们看到活动的画面。计算机在计算机在动画制作中的应用动画制作中的应用第二阶段计算机动画中活动的主体从简单的线条、几何图形过渡到比较复杂的图形。画面上的变化模式和多种颜色的运用使这一阶段的动画具有良好的视觉效果，开始体

11、现计算机动画的风格。计算机图形学渐趋成熟，计算机动画软件出现。计算机在计算机在动画制作中的应用动画制作中的应用第三阶段以先进的软件和硬件作为条件，逼真地模拟手工动画，并进一步制作手工动画难以表现的题材。动画主体从图形过渡到图像，并能生成数字化的主体模型，进而产生全计算机动画。3D动画软件日趋成熟。计算机动画的产生综上所述，传统的动画制作工艺随着计算综上所述，传统的动画制作工艺随着计算机的介入，发生了变化。人们在保留传统动机的介入，发生了变化。人们在保留传统动画制作风格的基础上，直接使用计算机绘制画制作风格的基础上，直接使用计算机绘制和生成动画，不再使用纸张。这种由计算机和生成动画，不再使用纸张

12、。这种由计算机辅助的动画制作周期短、成本低、色彩一致辅助的动画制作周期短、成本低、色彩一致性好。随着计算机性能的不断提高，以及计性好。随着计算机性能的不断提高，以及计算机图形学、图像处理技术和算机图形学、图像处理技术和3D技术的发展，技术的发展，计算机动画技术巳得到了长足的发展。计算机动画技术巳得到了长足的发展。计算机动画的本质“动作的变化是动画的本质动作的变化是动画的本质”这一这一说法已不全面。计算机能够按照人们说法已不全面。计算机能够按照人们的意图自动生成有特殊效果的动画，的意图自动生成有特殊效果的动画，例如颜色动画、变形动画、材质动画，例如颜色动画、变形动画、材质动画，以及透视效果动画等

13、等。以及透视效果动画等等。计算机动画的制作流程 创意（脚本制作）创意（脚本制作）预处理（输入外部资料）预处理（输入外部资料）场景造型。场景造型。设定材质和光源。设定材质和光源。设置动画。设置动画。计算机动画的制作流程 运动图像的绘制（渲染）。运动图像的绘制（渲染）。动画播放动画播放 后处理。后处理。动画的录制。动画的录制。配音配音(背景和台词）。背景和台词）。计算机动画的特点计算机动画是采用连续播放静止图像的方计算机动画是采用连续播放静止图像的方法产生景物运动的效果，即使用计算机产法产生景物运动的效果，即使用计算机产生图形、图像运动的技术。生图形、图像运动的技术。计算机动画与传统动画都遵循同样

14、的视觉计算机动画与传统动画都遵循同样的视觉原理。原理。计算机动画由于采用数字处理方式，动画计算机动画由于采用数字处理方式，动画的运动效果、画面色调、纹理、光影效果的运动效果、画面色调、纹理、光影效果等可以不断改变，输出方式也多种多样。等可以不断改变，输出方式也多种多样。计算机动画的特点计算机计算机3D3D模型可以保存并重复使用，克服模型可以保存并重复使用，克服了传统动画的易走形的毛病。了传统动画的易走形的毛病。计算机计算机3D3D软件集多种功能软件集多种功能(造型、修改、造型、修改、灯光、色彩、渲染等灯光、色彩、渲染等)于一身，动画的制作于一身，动画的制作质量易控制。质量易控制。主要部分：（1

15、）管理子系统（交互界面）（2）造型子系统（建模工具）（3）动画子系统（运动控制器）（4）绘制子系统(渲染工具)1.3 1.3 计算机动画系统的组成计算机动画系统的组成(1)(1)管理子系统的组成管理子系统的组成(2)(2)造型造型子系统子系统的组成的组成(3)(3)动画子系统的组成动画子系统的组成(4)(4)绘制子系统的组成绘制子系统的组成 三维动画软件简介三维动画软件简介 计算机动画技术的成熟推动了三维计算机动画软件的发展，其中影响较大的商品化动画软件有：加拿大的AliasWavefront（85年）美国的Maya(Alias公司98年)加拿大的Softimage 3D（88年）Discre

16、et(Autodesk)3ds Max（91年）计算机动画就动画性质而言，可分为计算机动画就动画性质而言，可分为两大类，即两大类，即帧动画帧动画和和矢量动画矢量动画。根据视觉空间的不同，计算机动画又根据视觉空间的不同，计算机动画又有有二维动画二维动画与与三维动画三维动画之分。之分。按照计算机动画对时间性能的要求，按照计算机动画对时间性能的要求，可以分为可以分为实时动画实时动画和和非实时动画非实时动画。1.3 1.3 计算机动画的基本类型计算机动画的基本类型 实时动画实时动画是按动画播放的速度快速是按动画播放的速度快速生成动画的每一帧，即动画帧的生成生成动画的每一帧，即动画帧的生成和播放是同步的

17、。和播放是同步的。非实时动画非实时动画通常需通常需要较长时间生成动画的每一帧，因此，要较长时间生成动画的每一帧，因此，后者先生成并保存组成动画的每一帧，后者先生成并保存组成动画的每一帧，然后播放，即动画帧的生成和播放是然后播放，即动画帧的生成和播放是异步的。异步的。实时动画和非实时动画实时动画和非实时动画 使用一幅画面，所有的表现内容经使用一幅画面，所有的表现内容经过计算机程序的快速计算，在同一幅过计算机程序的快速计算，在同一幅画面上生成变换的图形、线条和文字。画面上生成变换的图形、线条和文字。变换的方向和模式属于矢量变换方式，变换的方向和模式属于矢量变换方式，具有极强的规律性。矢量动画通常通

18、具有极强的规律性。矢量动画通常通过编程方式制作，也有用于制作矢量过编程方式制作，也有用于制作矢量动 画 的 工 具 软 件，如动 画 的 工 具 软 件，如 F l a s hF l a s h、Illustrator。矢量动画矢量动画帧动画模拟传统动画的方式，帧动画模拟传统动画的方式，它采用多画面表现动画。动画的它采用多画面表现动画。动画的每一个动作被记录在一幅幅画中，每一个动作被记录在一幅幅画中，多幅连续的画面构成了动画。电多幅连续的画面构成了动画。电脑的作用只是把众多的画面内容脑的作用只是把众多的画面内容有序地进行保存，并把这组画面有序地进行保存，并把这组画面连续不断地演播出来。连续不断

19、地演播出来。帧动画帧动画 二维动画又叫“平面动画”，具有非常灵活的表现手段、强烈的表现力和良好的视觉效果。二维动画运用传统动画的基本概念，在平面上构成动画的基本动作。并且在保持传统动画的表现力和视觉效果的基础上，尽量发挥计算机处理的高效率、低成本等特点。二维动画二维动画三维动画又叫“空间动画”。动画主体的三维造型是经过计算机得到的，然后为其赋予“材质”，布置好“灯光”、放好“摄影机”，规定好运动的方式，就制作好了三维动画。三维动画三维动画1.5 1.5 计算机动画技术计算机动画技术 在计算机动画系统中应用的主要动画技术有：在计算机动画系统中应用的主要动画技术有：(1)(1)参数关键帧技术。参数

20、关键帧技术。(2)(2)轨迹驱动技术。轨迹驱动技术。(3)(3)变形动画技术。变形动画技术。(4)(4)关节动画技术关节动画技术 (5)(5)过程动画技术过程动画技术 (6)(6)基于物理的动画技术。基于物理的动画技术。(7)(7)行为动画技术。行为动画技术。关键帧技术最初仅仅用来插值帧与帧之间关键帧技术最初仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状，后来该技术马上发展成为可卡通画的形状，后来该技术马上发展成为可以用来插值影响运动的任何参数以用来插值影响运动的任何参数(例如，一例如，一个物体的平移、比例变换、旋转、材料、纹个物体的平移、比例变换、旋转、材料、纹理、形状、可见性参数等都可作为关键帧参理、

21、形状、可见性参数等都可作为关键帧参数，另外，摄象机和灯光的大部分参数也可数，另外，摄象机和灯光的大部分参数也可作为关键帧参数作为关键帧参数 )。从这一点来说，关键参。从这一点来说，关键参数数(Key parameter)(Key parameter)比关键帧比关键帧(Keyframe)(Keyframe)更更确切些。确切些。(实例操作举例实例操作举例)(1)(1)参数关键帧技术参数关键帧技术选择合适的插值参数，选择合适的插值参数，确定准确的型值点确定准确的型值点选择合适的插值函数选择合适的插值函数求得所插求得所插中间帧的参数中间帧的参数主要内容：主要内容：轨迹轨迹驱动动画，是指先设计好物驱动动

22、画，是指先设计好物体的运动轨迹，然后指定物体沿该轨体的运动轨迹，然后指定物体沿该轨迹运动。通常，物体的运动轨迹为三迹运动。通常，物体的运动轨迹为三次样条曲线（也称为样条驱动），并次样条曲线（也称为样条驱动），并且由用户交互给出。且由用户交互给出。(2)(2)轨迹驱动轨迹驱动(path driven)(path driven)技术技术轨迹轨迹动画实例轨迹轨迹动画实例轨迹轨迹动画实例运动轨迹的空间参数曲线运动轨迹的空间参数曲线Q(u)Q(u)的重新的重新参数化，以获得等间隔采样的动画序参数化，以获得等间隔采样的动画序列，即物体在每一帧的位置。列，即物体在每一帧的位置。利用不同的速度曲线对应相同的空

23、间利用不同的速度曲线对应相同的空间曲线，生成不同的运动效果。曲线，生成不同的运动效果。主要内容：主要内容：变形动画技术主要是为了制作一种变形动画技术主要是为了制作一种形态变形的动画，即将物体外观上发形态变形的动画，即将物体外观上发生变化的过程记录下来，生成一个形生变化的过程记录下来，生成一个形态连续变化的动画序列。变形动画在态连续变化的动画序列。变形动画在影视娱乐业已得到大量运用。影视娱乐业已得到大量运用。(3)(3)变形动画技术变形动画技术变形动画技术分为变形动画技术分为MorphingMorphing和空间变形和空间变形(deformation)(deformation)，二者都牵涉到使处

24、理对，二者都牵涉到使处理对象作某种变形，但含义不完全一样。象作某种变形，但含义不完全一样。MorphingMorphing是指将一给定的源数字图像或几是指将一给定的源数字图像或几何对象何对象S S光滑连续地变换到目标数字图像光滑连续地变换到目标数字图像或几何对象或几何对象T T；deformationdeformation是指将单个几是指将单个几何对象的形状作某种扭曲、变形，使它变何对象的形状作某种扭曲、变形，使它变换到动画师所需的形状。换到动画师所需的形状。变形动画技术分类变形动画技术分类 图像Morphing动画实例动画实例图像Morphing动画实例动画实例三维三维Morphing动画实

25、例动画实例FFD变形动画实例变形动画实例2 2维图像维图像MorphingMorphing3 3维维Morphing Morphing 整体和局部变形方法整体和局部变形方法FFDFFD变形方法变形方法主要内容主要内容过程动画是指物体的运动或变形可过程动画是指物体的运动或变形可由一个过程来描述。最简单的过程动由一个过程来描述。最简单的过程动画是用一个数学模型去控制物体的几画是用一个数学模型去控制物体的几何形状和运动，较复杂的过程动画则何形状和运动，较复杂的过程动画则是包括物体的变形、弹性理论、动力是包括物体的变形、弹性理论、动力学、碰撞检测在内的物体的复杂运动。学、碰撞检测在内的物体的复杂运动。

26、(4)(4)过程动画技术过程动画技术粒子动力学动画喷水壶粒子动力学动画喷水壶粒子动画实例星球爆炸粒子动画实例星球爆炸粒子动画实例冰雪融化粒子动画实例冰雪融化过程动画实例布料动画过程动画实例布料动画粒子系统是最实用的过程动画技术之粒子系统是最实用的过程动画技术之一。这是一种模拟不规则自然景物生一。这是一种模拟不规则自然景物生成和动画的系统，也就是所谓的粒子成和动画的系统，也就是所谓的粒子系统。系统。水波动画水波动画(正弦波、平行波正弦波、平行波)布料动画（基于几何、基于动力学）布料动画（基于几何、基于动力学）过程动画的主要内容过程动画的主要内容关节动画是计算机动画中最具挑战关节动画是计算机动画中

27、最具挑战性的课题之一，它的主要目的是模拟性的课题之一，它的主要目的是模拟骨架动物骨架动物(尤其是人体尤其是人体)的运动。关节的运动。关节动画的发展不仅促进了机器人等学科动画的发展不仅促进了机器人等学科的发展，而且使得模拟人类自身行为、的发展，而且使得模拟人类自身行为、动作成为可能。动作成为可能。(5)(5)关节动画技术关节动画技术正、反向连接运动正、反向连接运动关节动画实例连接运动关节动画实例连接运动关节动画实例骨骼系统关节动画实例骨骼系统骨骼蒙皮动画实例两足行走骨骼蒙皮动画实例两足行走骨架角色动画技术的研究主要骨架角色动画技术的研究主要集中在其骨架的运动学方程的建集中在其骨架的运动学方程的建

28、立及其运动控制技术上。立及其运动控制技术上。关节动画技术的研究内容关节动画技术的研究内容关节链结构的基本概念关节链结构的基本概念 关节链结构表示关节链结构表示关节链结构的运动求解技术关节链结构的运动求解技术 复杂骨架的层次构造及其运动控制复杂骨架的层次构造及其运动控制两足行走模型两足行走模型骨架驱动的肌肉模型骨架驱动的肌肉模型 主要内容主要内容基于物理模型的动画技术是基于物理模型的动画技术是8080年代后年代后期发展起来的一种新的计算机动画技术。期发展起来的一种新的计算机动画技术。经过近几年的发展，它已在图形学中成为经过近几年的发展，它已在图形学中成为一种具有潜在优势的三维造型和运动模拟一种具

29、有潜在优势的三维造型和运动模拟技术。尽管该技术比传统动画技术的计算技术。尽管该技术比传统动画技术的计算复杂度要高得多，但它能逼真地模拟各种复杂度要高得多，但它能逼真地模拟各种自然物理现象，这是基于几何的传统动画自然物理现象，这是基于几何的传统动画生成技术所无法比拟的。生成技术所无法比拟的。(6)(6)基于物理的动画技术基于物理的动画技术动力学动画实例动力学动画实例-刚体碰撞检测刚体碰撞检测动力学动画实例喷水击球动力学动画实例喷水击球动力学动画实例风吹树动动力学动画实例风吹树动重点研究各种动力学方程在计算机动重点研究各种动力学方程在计算机动画中的应用，以及适用于各不同场合的画中的应用，以及适用于各不同场合的有效的运动生成方法。这些方法大致可有效的运动生成方法。这些方法大致可分为三类：分为三类：刚体运动模拟刚体运动模拟塑性物体变形运动塑性物体变形运动流体运动模拟。流体运动模拟。主要内容主要内容