哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学院 苏小红 第九章 计算机动画 哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学院 苏小红

内容提要 动画技术的起源、发展与应用 传统动画 计算机动画 计算机动画中常用技术简介 常用的动画软件

动画技术的起源、发展与应用 是计算机图形学和艺术相结合的产物 综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学、生物学和其它相关学科的知识

动画技术的起源、发展与应用 1831年，法国人J.A.Plateau发明 《恐龙专家格尔梯》 传统的图片动画 Phenakistoscope机器 《恐龙专家格尔梯》 1909年，美国人W.McCay制作 世界第一部卡通动画片 虽然片子时间很短，但McCay却用了大约一万幅画面。

动画技术的起源、发展与应用 1913至1917年间，美国卡通系列动画片 1928至1938年间，《米老鼠和唐老鸭》等系列动画片 以由P.Sullivan制作的《小猫菲利斯》最为著名。 1928至1938年间，《米老鼠和唐老鸭》等系列动画片 美国人Walt Disney制作 1928年制作的第一个《米老鼠》短片 第一部具有同步音响效果的影片

动画技术的起源、发展与应用 计算机动画 Peter Foldes以他的计算机动画片《饥饿》 是二十世纪60年代中期发展起来的 1974年，在法国嘎纳电影节上，获得评委会奖

动画技术的起源、发展与应用 二十世纪90年代，计算机动画在好莱坞掀起了一场电影技术的风暴 詹姆斯.卡麦隆导演《终结者Ⅱ》 创下了全球5.14亿美元的非凡票房收入 追赶主角的穷凶恶极的液态金属机器人可以从一种形状神奇地变化成另外一种形状

动画技术的起源、发展与应用 1993年，导演斯皮尔伯格开始制作影片《侏罗纪公园》 ILM（Industrial Light & Magic）实验室制作的恐龙片断 荣膺该年度的奥斯卡最佳视觉效果奖

动画技术的起源、发展与应用 1996年，《玩具总动员》 世界上第一部完全用计算机动画制作的电影 3000万美元的投资 获得了破记录的3.5亿美元的票房收入 还获得奥斯卡最佳剧本奖的提名 其意义在于：给电影制作开辟了全新道路

国内作品里程碑 电影《相似》 儿童寓言电视片《咪咪钓鱼》 浙江大学，中科院计算所，数学所等 92年，北方工大CAD中心，SGI工作站，用C语言编写 93年北京科教厂优秀电影特别奖 93年广电部科技进步二等奖 儿童寓言电视片《咪咪钓鱼》 386上，C语言编写，10分钟，5人10个月 浙江大学，中科院计算所，数学所等

计算机动画的应用 商业广告制作 建筑装潢设计 电脑游戏制作 影视特技制作 随着VR技术的发展，照片式效果图 将会被三维漫游动画录象所替代 电脑游戏制作 影视特技制作 国防军事、工业制造、医 疗卫生、法律（如事故分析）、娱乐、 可视化教学、飞行模拟、生物工程、艺术等

计算机动画的未来（1/4） 最令人激动不已的当属影视制作方面 展望1 虚拟演员 美国沃尔特·迪斯尼公司就曾预言: 21世纪的明星将是一个听话的计算机程序，它们不再要求成百上千万美元的报酬或头牌位置

计算机动画的未来（2/4） “听话的计算机程序”就是虚拟角色，也称为虚拟演员(Virtual Actor) 广义上它包含两层含义： 用电脑处理手法使已故的著名影星“起死回生” 完全由电脑塑造出来的电影明星 如《蚁哥正传》中的蚁哥 《最终幻想》中的艾琪

计算机动画的未来（3/4） 展望2 交互式电影(Interactive Movie) VR是实现途径 由观众亲涉其间，控制角色的举动，从而对场景产生互动后果

计算机动画的未来（4/4） 展望3 以前 今后 基于人工智能理论的面向用户的动画系统 采用程序设计语言编程制作 面向动画师的界面良好的交互式系统 基于人工智能理论的面向用户的动画系统 基于自然语言描述的脚本 用计算机自动产生动画

传统动画 什么是动画？ 世界著名的动画大师John Halas曾经说过：“动画的本质在于运动” 动画是指将一系列静止、独立而又存在一定内在联系的画面（Frame）连续拍摄到电影胶片上再以一定的速度（一般不低于24帧/秒）放映来获得画面上人物运动的视觉效果。 动画就是动态的产生一系列景物画面的技术，其中当前画面是对前一幅画面某些部分作的修改

计算机动画 随着计算机动画技术的发展，尤其是以实时动画为基础的Vidio game的出现 不全面，局限 动画不只是产生运动的效果 还包括变形、变色、变光等

制作动画的传统方法（1/2） 传统动画主要是生产二维卡通动画片 每秒24-30帧，18帧 创意：描述故事：故事梗概、脚本、故事版。 梗概 脚本 故事版 序列 场景1 镜头n 镜头1 镜头m

制作动画的传统方法（2/2） 设计：具体场景及演员动作、音乐、布景，背景图， 音轨:动画制作前录音，对话，音乐与动作保持同步 动画制作 中间帧 静电复制和墨水加描：草图 醋酸纤维胶片 绘制（渲染），着色 检查 拍摄 剪辑

计算机在动画中所起的作用（1/2） 早期： 主要表现在帧的制作上 关键帧通过数字化采集方式得到，或者用交互式图形编辑器生成，对于复杂的形体还可以通过编程来生成 插补帧不再由助理动画师和插补员来完成，而是利用计算机进行自动完成插补帧的制作，包括复杂的运动也由计算机直接完成。

计算机在动画中所起的作用（2/2） 随着三维造型技术和计算机动画技术的发展 在着色方面，画面图像通过交互式计算机系统由用户选择颜色，指定着色区域，并由计算机完成着色工作 在拍摄方面，用计算机控制摄像机的运动，也可用编程的方法形成虚拟摄像机模拟摄像机的运动 在后期制作阶段，用计算机完成编辑和声音合成

计算机动画系统的分类 根据系统的功能分五级 交互式造型、着色，相当于一个图形编辑器 计算并生成插补帧，代替插补员的工作 模拟虚拟摄像机操作 定义角色，动画形体 具有学习能力，有待于人工智能技术的发展

计算机辅助二维动画 计算机辅助制作动画的系统与动画师的关系就像文字处理机与文字作家的关系一样 设计脚本 绘制关键画面 加层控制 中间画面实时预演 着色渲染 生成文件进行编辑 输出到录像带

计算机辅助三维动画（1/2） 二维动画： 三维动画： 仍然基于人的手在平面上绘制 画面效果在很大程度上取决于人的绘画水平 绘画过程只是在平面中表现，表现力受限 三维动画： 三维动画模拟一个真实的摄影舞台 这个舞台上既包括拍摄的主体对象 还包括灯光、背景、摄像机等

计算机辅助三维动画（2/2） 进行创意，形成动画制作的脚本 建立画面中各种物体的三维线框模型 确定并调整物体的颜色、材质、纹理等属性 调整灯光，确定背景、环境 模拟虚拟摄像机的运动，让目标运动起来 对动画进行预演 加工处理 将存储在计算机中的图像序列录制到录像带

实时动画和逐帧动画 逐帧动画： 实时动画： 制作一帧需要几分钟甚至更长的时间，这些帧录制好后，以每秒24帧的速度放映 动画的生成是直接的，用户可以用交互式的方式让画面中的形体快速移动 用户现场选择的时刻就是实现的时刻，结果直接反映到计算机屏幕上

电影拍摄与电视拍摄 基本原理相同，不同之处主要表现在： 电影 电视： 存储介质不同 播放速度不同 每秒24帧 PAL制：每秒25帧 NTSC制：每秒30帧

特殊效果（1/2） 慢动作 高速拍摄、正常播放 快动作 低速拍摄、正常播放

特殊效果（2/2） 运动序列中画面的切换 直接切换 推拉（zoom） 摇移（ pan ） 俯仰（Tilt） 淡入/淡出(fade in/fade out) 软切，也称溶镜（Dissolve） 交叉淡化 滑入，也称抹擦（Wipe） 场景 n+1 n 场景n+1 场景n 场景n+1 场景n 场 景 n n+1

主要的动画技术（1/24） 参数关键帧技术 样条驱动技术 变形技术 过程动画技术 关节动画与人体动画技术 基于物理模型的动画技术 行为动画技术 运动捕获技术

主要的动画技术（2/24） 1. 参数keyframe 早期 后来 给出两幅关键帧，计算机生成中间画面 刚体运动模拟 仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状 后来 对运动参数插值，实现对动画的运动控制

主要的动画技术（3/24） 可归结为关键参数的插值问题 位置、色彩、纹理 9个运动参数决定 位置参数：Tx,Ty,Tz, 方向参数：Rx,Ry,Rz, 比例参数：Sx,Sy,Sz

主要的动画技术（4/24） 与纯数学插值问题不同： 关键帧插值要求： 一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的 但从运动学或动画设计角度看，则可能是错误的 关键帧插值要求： 能产生逼真的运动效果 用户能方便有效地控制运动的运动学特性 例如，通过调整插值函数改变运动的速度和加速度

主要的动画技术（5/24） 匀速运动的模拟 假定需在时间段t1与t2之间插入n(n=5)帧 终始关键帧之间的时间段被分为n+1个子段 其时间间隔为: △t = (t2 –t1)/(n +1) 则任一插值帧的时刻为: j = 1, 2, … ,n △t t1 t2

主要的动画技术（6/24） 加速运动的模拟 为使帧间的时间间隔增加 可使用下列三角加速函数来得到增加的间隔： 1 - cosθ, 0 <θ< π/2 对于插值帧来说，第j个插值帧的时刻可由下式得到: j = 1,2,…,n 1-cosθ cosθ t1 t2

主要的动画技术（7/24） 减速运动的模拟 使用下列三角减速函数来得到减少的间隔： sinθ, 0 < θ < π/2 , 则第j个插值帧的时间位置被定义成： j = 1,2,…,n sinθ t1 t2

主要的动画技术（8/24） 混合增减速度的模拟 先增加插值时间间间隔后减少时间间隔 所使用的时间变化函数是: 1/2 (1 – cos θ) 0 < θ < π 得到第j个插值帧的时刻为: j = 1, 2,…, n (1-cos)/2θ cosθ t1 t2

主要的动画技术（9/24） 关键帧动画存在的主要问题 交互响应慢 物体运动的物理正确性和自然真实性难以保证

主要的动画技术（10/24） 2. 样条驱动技术 所要解决的基本问题 基于运动学描述 用户事先指定一条物体运动的轨迹 指定物体沿该轨迹运动 通常用三次参数样条表示 指定物体沿该轨迹运动 也称运动轨迹法 所要解决的基本问题 通过对样条曲线等间隔采样 求出物体在某一帧的位置 从而生成整个动画序列

主要的动画技术（11/24） 如果直接对参数空间进行等间隔采样，势必带来运动的不均匀性 匀速运动时，需要对样条进行弧长参数化

主要的动画技术（12/24） 为解决插值的时间控制问题 位置样条 运动样条 Steketee提出用双插值方法 空间轨迹曲线 物体位置对关键帧的函数 运动样条 速度曲线 关键帧对时间的函数

主要的动画技术（13/24） 3. 变形技术 柔性物体（soft object）动画技术 许多商用动画软件都提供变形工具 Softimage、Alias、Maya、3DS MAX

主要的动画技术（14/24） Morphing技术 指将一个给定的数字图像或者几何形状S以一种自然流畅的、光滑连续的方式渐变为另一个数字图像或者几何形状T。

主要的动画技术（15/24） 基本思想： 基于物体表示的变形技术 适用于物体拓扑结构不发生变化的变形操作 移动顶点，通过顶点改变，达到变形 给出物体形变的几个状态 如两个物体或两幅画面之间 特征的对应关系以及相应的时间控制关系 物体沿给定的插值路径进行线性或非线性的形变 基于物体表示的变形技术 适用于物体拓扑结构不发生变化的变形操作

主要的动画技术（16/24） 自由变形技术（FFD） 基本思想 Free Form Deformation Sederberg和Parry 1986年提出 基本思想 不对物体直接进行变形 而是对物体所嵌入的空间进行变形 引入一种基于三变量B样条体的变形工具lattice

主要的动画技术（17/24） 优点： 缺点： 最实用，适用面最广 间接的与物体表示无关的变形方法 物体的变形是任意的，可由动画师任意控制 对变形的可控性更强 缺点： 缺乏对变形的细微控制，如人脸表情

主要的动画技术（18/24） 4. 过程动画技术 Procedural Animation或Random Animation 物体的运动和变形可由一个过程来控制 物体的变形不是任意的 遵循一定的数学模型或物理规律 水波运动，三维森林、草叶随风飘动，火光、烟雾等特殊光效

主要的动画技术（19/24） 5. 关节动画与人体动画技术 运动学、动力学方法 用球体作为基本体素来构造人体

主要的动画技术（20/24） 6. 基于物理模型的动画技术 特别适合于对自然物理现象的模拟 考虑了物体在真实世界中的属性 基于动力学原理来自动产生物体的运动 特别适合于对自然物理现象的模拟 如刚体运动模拟、塑性物体变形运动以及流体运动模拟等

主要的动画技术（21/24） 7. 行为动画 Behavioral Animation 要求实时性、VR 处于初级阶段，文章少

主要的动画技术（22/24） 8.运动捕获技术 Motion Capture 运动捕获的过程： 真实演员按导演的要求做动作 动作被转换为数字信息，通过感应器记录到计算机中 计算机搜集这些数据后将信息传递到工作室，然后结果被3D化，在计算机中以线条形式表现出来，形成电影中角色的基础 增加皮肤和外壳之后，那些线条就成为了虚拟角色

主要的动画技术（23/24） 好莱坞的CG人体动作一般都会采用昂贵的动作捕获系统录制完成 1998年获奥斯卡视觉效果成就奖的《泰坦尼克》 沉船时乘客落水的镜头 全三维CG影片《最终幻想》 人类面部表情

主要的动画技术（24/24） 应用： 电影特效 医学康复动作分析 运动员的动作训练 商业广告 电子游戏娱乐事业

微机上的二维动画软件 Macromedia公司出品的Flash Animator Studio COOL 3D Firework等 采用流式播放技术 被广泛用于制作网页动画 Animator Studio COOL 3D Firework等

常用的三维动画软件（1/4） 3D Studio与3DS MAX 美国Autodesk公司 (a) 在3DS Max中赋材质加灯光渲染后的建筑图 (b) 在Photoshop中加完配景后的建筑图

常用的三维动画软件（2/4） Softimage 3D Microsoft收购加拿大Softimage后，将工作站上的Softimage移植到了Windows NT下

常用的三维动画软件（3/4） Maya 3D 优点： 美国的Wavefront公司兼并法国的TDI公司，美国的SGI公司兼并加拿大的Alias公司，其后是Alias兼并Wavefront改名成为SGI属下的加拿大Alias/Wavefront公司 1998年推出超强级三维动画软件Maya 优点： 交互方便 图形绘制效率高 引进了许多新的动画工具，如FFD技术等 强大的粒子系统 其发展大有超过Softimage 3D之势

常用的三维动画软件（4/4） LIGHTWAVE 3D 价格低廉，品质出色 全球唯一支持大多数工作平台的3D系统 影视制作的首选软件 在Intel(Windows NT/95/98)、SGI、Sun MicroSystem、PowerMac、DEC Alpha等各种平台上都有一致的操作界面 影视制作的首选软件 使用比例大大高于其它软件 连Softimage 3D也甘拜下风

动画的后期处理 动画的后期处理 软件主要有： 影视片段剪辑与特技处理 包括抠像、合成、图像Morphing、特殊光效等 Discreet Logic公司的Flint Softimage公司的Eddie Alias公司的Composer Adobe公司的After Effects、Premier