計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第十二章計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第十二章計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)1第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)概述二、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)發(fā)展歷史

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)可以看作計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的綜合應(yīng)用。包括圖形生成（二維、三維）尤其是真實(shí)感圖形生成技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)不同，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)屬于四維空間（三維加上時(shí)間），而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)只限于三維空間。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)最初產(chǎn)生和發(fā)展與傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)制作有著密切關(guān)系。（1）1963年，Bell實(shí)驗(yàn)室，E.Zajac用計(jì)算機(jī)制作世界上第一部動(dòng)畫(huà)片。2第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）60年代期間，美國(guó)一些公司、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)開(kāi)發(fā)二維動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中間畫(huà)面制作（關(guān)鍵幀）和自動(dòng)著色。（3）在70年代初期，開(kāi)始研制三維輔助動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)，如美國(guó)Ohio州立大學(xué)的D.Zelter等人完成可明暗著色的系統(tǒng)。（4）70年代期間至80年代初，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論發(fā)展，尤其三維物體造型發(fā)展，人們研究計(jì)算機(jī)三維造型動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)。（5）80年代，研究動(dòng)畫(huà)生成一些三維系統(tǒng)，如關(guān)鍵參數(shù)插值法、運(yùn)動(dòng)學(xué)算法和動(dòng)力學(xué)算法等。（6）80年代末進(jìn)入90年代后，多種不同動(dòng)畫(huà)軟件出現(xiàn)，如3DS，Animator等。3第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)與計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)1、傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)生成過(guò)程（1）動(dòng)畫(huà)定義動(dòng)畫(huà)意義是“animator”

世界著名動(dòng)畫(huà)藝術(shù)家，美國(guó)人約翰.哈斯指出，“運(yùn)動(dòng)是動(dòng)畫(huà)本質(zhì)”，也有人說(shuō)“動(dòng)畫(huà)是運(yùn)動(dòng)藝術(shù)”，總之,動(dòng)畫(huà)與運(yùn)動(dòng)是分不開(kāi)的。（2）動(dòng)畫(huà)原理例如在電影院看電影或在家里看電視時(shí)，畫(huà)面上人物動(dòng)作是流暢、自然和連續(xù)的，但是仔細(xì)看一段電影膠片時(shí)，觀察每一畫(huà)面并不連續(xù)。只有以一定速率投影在銀幕上才會(huì)有運(yùn)動(dòng)視覺(jué)效果。這種觀察可由視覺(jué)殘留（persistentofvision）原理來(lái)理解。4第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)片生產(chǎn)過(guò)程

1）劇本不帶畫(huà)面的整個(gè)故事的詳細(xì)敘述，反映動(dòng)畫(huà)片大致概貌與鏡頭的劇本，如同故事片一樣

2）設(shè)計(jì)稿對(duì)動(dòng)畫(huà)片中出現(xiàn)多種角色選型、動(dòng)作、色彩、氣氛等設(shè)計(jì)，實(shí)際上完成手稿圖工作

3）聲音節(jié)拍傳動(dòng)作必須與對(duì)話聲音相配合、協(xié)調(diào)一致

4）關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)處理中關(guān)鍵幀（也稱(chēng)原畫(huà)）由經(jīng)驗(yàn)豐富的動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)者完成，通常時(shí)一個(gè)設(shè)計(jì)者完成某個(gè)角色5第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)片生產(chǎn)過(guò)程5）中間畫(huà)中間畫(huà)時(shí)那些位于兩個(gè)關(guān)鍵幀之間的畫(huà)面，中間畫(huà)也叫做動(dòng)畫(huà)。中間畫(huà)由輔助動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)者及其助手完成。

6）測(cè)試原動(dòng)畫(huà)初稿通常是鉛筆稿圖，當(dāng)初步測(cè)定造型和動(dòng)作?？蓪⑦@些圖輸入動(dòng)畫(huà)測(cè)試器進(jìn)行測(cè)試，這一過(guò)程稱(chēng)鉛筆稿測(cè)試

7）描線上墨將鉛筆稿圖手描在透明片上，或用照相機(jī)制板方法印在透明片上，然后描線上墨6第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五8）上色給多幅畫(huà)面在透明片上涂上顏料9）檢查動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)者在拍攝之前再次檢查各鏡頭動(dòng)作質(zhì)量10）拍攝這一工序在動(dòng)畫(huà)攝制機(jī)上完成。動(dòng)畫(huà)攝影師把動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)通過(guò)拍攝依次記錄在膠片上11）后期制作編輯、剪接、對(duì)白、配音、剪帶等后期制作工序是必不可少的

由上述可見(jiàn)傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)周期長(zhǎng)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，一部10分鐘的美術(shù)片，大約要4個(gè)月左右時(shí)間，若是精品要一年時(shí)間才可完成。若用計(jì)算機(jī)制作動(dòng)畫(huà)可省略許多環(huán)節(jié)。（3）傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)片生產(chǎn)過(guò)程7第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五（4）計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)特點(diǎn)

1）可自動(dòng)在兩張畫(huà)（關(guān)鍵幀）畫(huà)出中間畫(huà)，只要輸入兩副原始和終止關(guān)鍵幀，可自動(dòng)生成中間畫(huà)

2）對(duì)每副畫(huà)可以按照需要進(jìn)行補(bǔ)充和修改，使動(dòng)作流暢、造型統(tǒng)一

3）可自動(dòng)描線上色

4）可直接輸出到錄像機(jī)

5）真實(shí)感強(qiáng)8第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)應(yīng)用1、電影電視動(dòng)畫(huà)片制作2、商品電視廣告3、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)演示4、飛行員模擬訓(xùn)練5、指揮調(diào)度演習(xí)6、工業(yè)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)仿真7、模擬產(chǎn)品檢驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)8、醫(yī)療診斷9、游戲軟件9第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)研究?jī)?nèi)容和應(yīng)用前景研究?jī)?nèi)容：1、關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)2、基于機(jī)械學(xué)的動(dòng)畫(huà)和工業(yè)過(guò)程動(dòng)畫(huà)仿真3、運(yùn)動(dòng)和路徑的控制4、動(dòng)畫(huà)語(yǔ)言與語(yǔ)義5、基于智能的動(dòng)畫(huà)，機(jī)械人與動(dòng)畫(huà)6、動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)用戶界面7、科學(xué)可視化計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)表現(xiàn)8、特技效果，合成演員9、語(yǔ)言、音響合成，錄制技術(shù)10第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五應(yīng)用前景：1、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)與多媒體技術(shù)2、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)3、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)與人工生命11第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)分類(lèi)和原理一、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)分類(lèi)1、計(jì)算機(jī)輔助動(dòng)畫(huà)（二維動(dòng)畫(huà)）傳統(tǒng)卡通動(dòng)畫(huà)先畫(huà)出兩個(gè)關(guān)鍵幀，然后在中間插入一系列畫(huà)。計(jì)算機(jī)二維動(dòng)畫(huà)是用計(jì)算機(jī)生成中間一系列畫(huà)。二維動(dòng)畫(huà)還有缺點(diǎn)，計(jì)算機(jī)不可能根據(jù)劇本自動(dòng)生成關(guān)鍵幀。12第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)分類(lèi)和原理一、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)分類(lèi)2、計(jì)算機(jī)生成動(dòng)畫(huà)（三維動(dòng)畫(huà)）如果說(shuō)二維動(dòng)畫(huà)對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)卡通動(dòng)畫(huà)，那么三維動(dòng)畫(huà)對(duì)應(yīng)于木偶動(dòng)畫(huà)。木偶動(dòng)畫(huà)首先制作木偶、道具和景物，三維動(dòng)畫(huà)首先建立角色、實(shí)物和景物三維數(shù)據(jù)。這里說(shuō)的三維物體畫(huà)面也是由二維象素點(diǎn)陣組成，只不過(guò)看起來(lái)象三維，但三維更具有真實(shí)性、真實(shí)感和立體性。13第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)原理1、關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)是通過(guò)一組關(guān)鍵幀或關(guān)鍵參數(shù)值而得到中間動(dòng)畫(huà)幀序列（1）形狀插值：從關(guān)鍵幀本身而得到中間動(dòng)畫(huà)幀（2）關(guān)鍵參數(shù)插值：通過(guò)插值物體模型關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值來(lái)獲得中間動(dòng)畫(huà)。2、算法動(dòng)畫(huà)算法動(dòng)畫(huà)由算法實(shí)現(xiàn)，一般適用于三維情形。14第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)算法：由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程確定物體的運(yùn)動(dòng)軌跡和速率。（2）動(dòng)力學(xué)算法：由力學(xué)方程確定物體運(yùn)動(dòng)形式（3）反向運(yùn)動(dòng)學(xué)算法：已知鏈接物末端位置和狀態(tài)，反求運(yùn)動(dòng)方程以確定運(yùn)動(dòng)形式。（4）反向動(dòng)力學(xué)算法：已知鏈接物末端位置和狀態(tài)，反求動(dòng)力學(xué)方程以確定運(yùn)動(dòng)形式。（5）隨機(jī)運(yùn)動(dòng)算法：在某些場(chǎng)合下加進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制隨機(jī)因素。2、算法動(dòng)畫(huà)算法動(dòng)畫(huà)由算法實(shí)現(xiàn)，一般適用于三維情形。15第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五算法動(dòng)畫(huà)是指按照物理或化學(xué)等自然規(guī)律對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的方法、針對(duì)不同類(lèi)型物體的運(yùn)動(dòng)方式，從簡(jiǎn)單的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到復(fù)雜的渦流、有機(jī)分子碰撞等，一般按物體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度分為質(zhì)點(diǎn)、剛體、可變軟組織、鏈接物、變化物等類(lèi)型、也可以按解析式定義物體。用算法控制運(yùn)動(dòng)的過(guò)程包括：給定環(huán)境描述、環(huán)境中的物體造型、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、計(jì)算機(jī)通過(guò)算法生成動(dòng)畫(huà)幀。目前針對(duì)剛體和鏈接物已開(kāi)發(fā)了不少較成熟算法，對(duì)軟組織和群體運(yùn)動(dòng)控制方面也做了不少工作。2、算法動(dòng)畫(huà)算法動(dòng)畫(huà)由算法實(shí)現(xiàn)，一般適用于三維情形。16第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、畫(huà)－擦－畫(huà)方法二、異或運(yùn)算法三、塊動(dòng)畫(huà)法四、多頁(yè)面切換動(dòng)畫(huà)方法五、圖形變換動(dòng)畫(huà)法六、逐幀動(dòng)畫(huà)法七、函數(shù)式動(dòng)畫(huà)技術(shù)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)生成方法動(dòng)畫(huà)片中每一序列實(shí)際上是一幅幅完全靜止的畫(huà)面在快速展示時(shí)，使人產(chǎn)生不斷運(yùn)動(dòng)的感覺(jué)。這些一幅幅畫(huà)面或由藝術(shù)家人工畫(huà)好，通過(guò)圖形輸入設(shè)備輸入計(jì)算機(jī)，或者結(jié)合生成。17第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、畫(huà)－擦－畫(huà)方法原理：先畫(huà)某一瞬間的圖形－>擦去該圖形－>再畫(huà)下一個(gè)瞬間圖形－>再擦去－>…這樣，畫(huà)－擦－畫(huà)使得圖形動(dòng)起來(lái)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：1、復(fù)雜圖形畫(huà)－擦－畫(huà)時(shí)間長(zhǎng)，效果差 2、在擦除前一幅圖上運(yùn)動(dòng)部分圖形時(shí)，往往會(huì)蔣重疊在其上的不動(dòng)的那一部分圖形也擦去，影響動(dòng)畫(huà)效果18第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、異或運(yùn)算法（也稱(chēng)XOR動(dòng)畫(huà)法）XOR運(yùn)算的一個(gè)重要特性就是它的“還原”作用。對(duì)屏幕進(jìn)行第一次XOR操作可以使像素值發(fā)生改變，顯示一幅圖像；再一次XOR操作可以清除前一幅圖像，把像素值還原回來(lái)。利用XOR運(yùn)算的“還原”特性可以在屏幕上對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體連續(xù)作XOR運(yùn)算，而不必?fù)?dān)心背景圖形的儲(chǔ)存與還原問(wèn)題。如果將此特性運(yùn)用到動(dòng)畫(huà)技術(shù)上，即在動(dòng)態(tài)物體的同一顯示位置上連續(xù)進(jìn)行兩次XOR運(yùn)算，然后在下一顯示位置作同樣操作，如此反復(fù)進(jìn)行，就使前景運(yùn)動(dòng)圖形產(chǎn)生了動(dòng)畫(huà)效果。優(yōu)點(diǎn)是前景動(dòng)畫(huà)圖形的涂抹不影響背景圖形。

19第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、塊動(dòng)畫(huà)法只改變屏幕中前景運(yùn)動(dòng)物體在畫(huà)面中位置，而其背景及動(dòng)畫(huà)物體形狀不變?nèi)纾喝嗽煨l(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)四、多頁(yè)面切換動(dòng)畫(huà)方法對(duì)于某些顯示方法，其顯示模式允許1個(gè)以上顯示頁(yè)面 一頁(yè)：是主顯示頁(yè)，顯示圖形 另一頁(yè)：是工作頁(yè)，準(zhǔn)備顯示圖形工作原理： 開(kāi)始一幅圖先顯示，多幅圖在工作頁(yè)上。第一次工作頁(yè)變顯示頁(yè)，顯示圖，另一顯示頁(yè)又變工作頁(yè)，放另一圖形。這樣來(lái)回地擦，可以顯示動(dòng)畫(huà)圖形。20第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、圖形變換動(dòng)畫(huà)法利用圖形變換功能，例：二維變?nèi)S，三維立方體變?nèi)S棱錐體，通過(guò)變換過(guò)程顯示動(dòng)畫(huà)功能，如將一個(gè)立方體逐漸拉開(kāi)并壓制成一個(gè)三棱錐的動(dòng)畫(huà)過(guò)程。如果計(jì)算機(jī)計(jì)算速度塊，構(gòu)成動(dòng)畫(huà)效果較好六、逐幀動(dòng)畫(huà)法逐幀動(dòng)畫(huà)基本原理類(lèi)似于幻燈片制作與播放過(guò)程將屏幕上顯示一幅幅圖象存放在一個(gè)文件中，然后按順序不斷讀取和播放這些畫(huà)面，產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)效果。21第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五七、函數(shù)式動(dòng)畫(huà)技術(shù)利用數(shù)學(xué)函數(shù)和數(shù)學(xué)方程式，根據(jù)自變量和因變量關(guān)系，讓自變量逐漸增加或減少，進(jìn)行連續(xù)變化，從而獲得圖形連續(xù)變化。例如：利用圓繪制方程可以得到以下幾種不同動(dòng)畫(huà)效果1、水波和電波發(fā)射固定圓心讓半徑以一定特定步長(zhǎng)增值。2、旋轉(zhuǎn)球體利用圖形旋轉(zhuǎn)變換，可以讓圓型圖形在三維空間中沿各個(gè)方向，繞多種旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)變化加上球體色彩、條紋、陰暗等，也就可以形成簡(jiǎn)單的函數(shù)動(dòng)畫(huà)。22第二十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、氣球和氣泡利用圓的方程構(gòu)成球體。加上明暗效