计算机图形学课程-计算机动画

过程动画


过程动画指的是动画中物体的 运动或变形用一个过程来描述。 在柔性物体的动画中，物体的 形变是任意的，可由动画师任 意控制；在过程动画中，物体 的变形则基于一定的数学模型 或物理规律。 最简单的过程动画是用一个数 学模型去控制物体的几何形状 和运动，如水波的运动；较复 杂的如包括物体的变形、弹性 理论、动力学、碰撞检测在内 的物体的运动。
二维动画中的运动路径设计
对象运动动画简单示例
例：点在(10,10)开始，中间以直线运动，经过10 步把它移动(110,110) ，则需要画点10 次，在x， y方向每次移动10 个象素。 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);}
中期
传统动画的制作流程

前期
剧本 故事板（分镜头剧本） 美术设计 镜头设计稿
用镜头来讲故 事
中期 后期

传统动画的制作流程

前期
剧本 故事板（分镜头剧本） 美术设计 镜头设计稿
中期 后期

传统动画的制作流程

前期
剧本 故事板（分镜头剧本） 美术设计 镜头设计稿

前期
剧本 故事板（分镜头剧本） 美术设计 镜头设计稿
中期 后期

传统动画的制作流程
也叫动画设计，根 前期 据故事板来具体创 中期 作、设计动画 原画 摄影表 动画（中间画） 背景 后期
传统动画的制作流程
前期 中期 原画 摄影表 动画（中间画） 背景 后期
中期 后期

传统动画的制作流程

前期
剧本 故事板（分镜头剧本） 美术设计 镜头设计稿
中期 后期

剧本范例 传统动画的制作流程
日。繁华的马路边上的一家花店内。 老阎推门进来，面无表情。 店主在柜台后热情地问道：“欢迎光临！您 前期 需要什么花？ 剧本 老阎：“九十九朵玫瑰。” 故事板（分镜头剧本） 店主：“好！您稍等。” 美术设计 店主转向去选花。老阎站在那里，点着一根 烟，等待。 镜头设计稿店主把选好的玫瑰精心地包装起来，放在柜 台上，对老阎说：“九十九朵玫瑰，一共是 二百元。” 后期 老阎把烟掐掉，把手伸进自己的口袋去掏钱。 他呆了一下，又忙去其他口袋里摸钱，居然 钱包不见了。
主要的动画技术－关节动画技术

关节结构由一系列刚体链在关节处连接而 成。
主要的动画技术－运动捕获技术
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，那些线条就成为虚拟角 色


三维动画的建模
三维动画的贴图
美国哥伦比亚电影公司联合制作的全计算机动画电影 《Final Fantasy：The Spirits Within》。其中的女主人 公的面部是用计算机动画技术制作的，其生动的3D 面部表情足以乱真
5 主要的动画技术
主要的动画技术－关键帧技术

实时动画(real-time) ：用算法来实现物体
1 什么是动画？
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； 运动是动画的本质，动画是运动的艺术；

2 计算机动 画的发展

60年代
70－80年代
皮影戏
西洋镜
美国的Bell实验室和一些研究机构开始研究用
计算机实现动画片中间画面的制作和自动上色。

三维辅助动画系统开始研制并投入使用。 动画的对象不是简单地由外部输入，而是根据
作人员从烦琐的劳动中解放出来。
关键帧的插值算法

所有影响画面图像的参数都可成为关键帧的参数，
如位置、旋转角、纹理的参数等。
例如通过对运动参数插值，就可以实现对动画的运动控
制， 如物体的位置、方向、颜色等的变化，也可以对多个运 动参数进行组合插值。


一般的插值算法有两种方式： 线形插值实现平稳的过渡效果 非线性插值则可以实现某种特殊的加速度效果
如机场、山脉和云彩等。 飞行员驾驶舱的舷舱成为计算机屏幕，飞行员的飞行 控制信息转化为数字信号直接输出到电脑程序，进而 模拟飞机的各种飞行特征。飞行员可以模拟驾驶飞机 进行起飞、着落、转身等操作。
计算机动画的应用领域

建筑场景漫游：
可观察建筑物的内、外部结构，而且可实现对
虚拟建筑场景的漫游； 利用合成技术来实现环境评估，评价建筑物对 周围环境的整体影响；
的运动
逐帧动画(frame-by-frame) 逐帧动画的难题：动画片制作中，最 大的困难是制作者需要制作大量的帧 关键帧与中间帧
中间画面的生成
关键帧的插值技术可生成中间画面

利用电脑对两幅关键帧进行插值计算，自动
生成中间画面，这是电脑辅助动画的主要优
点之一。这不仅精确、流畅，而且将动画制

广电行业
制作栏目的片头和卡通影片； 典型的有中央台新闻联播的片头动画； 电视虚拟演播人；
计算机动画的应用领域

教学演示：
利用三维动画技术的形象性，它已被用来解释复杂
的自然现象：小到简单的牛顿定律，大到复杂的狭 义相对论；
计算机动画的应用领域

飞行训练模拟：
计算机动画可以实时生成具有真实感的周围环境图象，
《汤姆和杰瑞》 奥斯卡短片奖；
《美女与野兽》
计算机动画的应用领域

计算机动画提供了一个充分展示个人想像力和艺 术才能的新天地； 广泛应用于许多领域：
动画片制作、电视广播 广告、电影特技 教学演示 训练模拟 建筑场景漫游 产品模拟试验 电子游戏
计算机动画的应用领域
主要的动画技术－变形技术

将一给定的数字图像或者几何形状以一种 自然流畅的、光滑连续的方式渐变为另一 数字图像或者几何形状。
主要的动画技术－变形技术

基本思想
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 物体沿给定的插值路径进行线性或非线性的形
变
基于特征的图象变形（猫变虎）
主要的动画技术－运动描述
------样条驱动技术
常用的曲线类型
Bezier曲线
B-splines
Q(t ) t 3 t 2

1 3 3 3 6 3 t 1 3 3 0 1 0 0

1 P 1 0 P2 0 P3 0 P4
过程动画模拟的水波效果
粒子动画

一些电脑场景的随机景物，如火 焰、气流、瀑布等，在对其进行 描述时，可采用粒子系统的原理， 将随机景物想象成由大量的具有 一定属性的粒子构成。每个粒子 都有自己的粒子参数，包括初速 度、加速度、运动轨迹和生命周 期等。这些参数决定了随机景物 粒子动画创作的真实感云层 的变化，使用粒子系统可以产生 很逼真的随机景物。
三维数据在计算机内部生成。
2 计算机动画的发展

90年代
一个多种学科和技术的综合领域。计算机动画
以其自身的特点而逐渐成为一门独立的学科。
计算机图形学( 实体造型和真实感显示,如消隐、光 照模型、表面质感等） 图像处理技术、 运动控制原理、视频技术、 艺术、视觉心理学、 生物学、机器人学、人工智能等
主要的动画技术－运动描述
------样条驱动技术
在实时动画中，计算机对输入的数据进行快速处 理，并在人眼察觉不到的时间内将结果随时显示出来 在实时动画中，如何表示运动呢？这就是运动描 述。 更复杂的运动一般要通过路径进行描述，这种动 画称之为路径动画。


用户先设计好物体的运动轨迹，然后指定物体沿该轨迹运动。 通常，物体的运动轨迹取三次样条曲线，并且由用户交互给出。 为了得到动画序列，必须对样条曲线等间隔采样，以求得物体 在每一帧的位置
反弹的方块

程序首先在窗体中绘制一个正方形， 让它在窗口中移动。当正方体碰到窗 口的边界就会反弹，沿着另一个方向 继续移动
使用双缓冲技术的旋转方块
中期 后期

造型、场景、道具、 服饰等的设计
传统动画的制作流程

前期
剧本 故事板（分镜头剧本） 美术设计 镜头设计稿
中期 后期

传统动画的制作流程

前期
剧本 故事板（分镜头剧本） 美术设计 镜头设计稿
中期 后期

详细和精确的 分镜头
传统动画的制作流程
电影放映的标准：每秒24帧的速率,能最有效地使运动
的画面连续流畅。

24帧的速率画面还有闪烁，要消除画面的闪烁感，刷
新率还要提高一倍。
动画原理

心理活动Βιβλιοθήκη Baidu
心理似动现象； 心理活动对事务认知的
影响；
4 动画的制作流程
4.1 传统动画的制作流程

前期
剧本 故事板（分镜头剧本） 美术设计 镜头设计稿
《计算机图形学》课程
计算机动画
序

在过去几十年里，计算机动画一直是人们 研究的热点。
在全球的图形学盛会Siggraph上，几乎每 年都有计算机动画的论文和专题。 随着计算机图形学和硬件技术的高速发展， 可以用计算机生成高质量的图像，促使计 算机动画技术飞速地发展起来。


计算机动画
当前计算机动 画盛行
(8) 后期制作
4.3 三维动画的制作过程

在动画技术当中，最有魅力并应用最广的当然是三维动画。 因为我们的世界是立体的，只有三维才让我们感到更真实。 二维动画可以看成三维动画的一个分支，它的制作难度及 对电脑性能的要求都远远低于三维动画。 三维动画之所以被称作计算机生成动画，是因为参加动画 的对象不是简单地由外部输入的，而是根据三维数据在计 算机内部生成的，运动轨迹和动作的设计也是在三维空间 中考虑的。 计算机3D动画的制作过程主要有建模、编辑质材、贴图、 灯光、动画编辑和渲染几个步骤。
计算机动画的应用领域

产品模拟试验：
计算机辅助设计； 设计者能够使虚拟模型运动起来，检查只有制造过程
结束后才能验证的模型特征，如运动机构的协调性、 稳定性及干涉检查等；
计算机动画的应用领域

电子游戏：
计算机动画技术逐渐进入三维游戏行业； 使游戏图象质量及动作真实性均有了显著提高；
Frame4
Frame5
Frame6
Frame7

两盏小灯以缓慢的速率交替点亮和熄灭

以25－40毫秒的时间间隔交替点亮和熄灭
动画原理
● 早期的动画 ● 视觉效果
观看动画的机器1906
教学进程
动画的视觉原理

实验证明
画面刷新率为每秒24帧（画面停留40毫秒)左右，则人
眼看到的是连续的运动效果。

3 动画原理

视觉残留原理
反射到人眼的光影要在视觉中保留一段短暂的
时间才会消失。

视觉残留实验：两盏小灯相距1－2米远， 放置在黑暗的房间内
两盏小灯以缓慢的速率交替点亮和熄灭。 两盏小灯以25－40毫秒的时间间隔交替点亮和
熄灭。
动画视觉原理－视觉残留实验
Frame1
Frame2
Frame3
左图显示一个被贴了标示物（白色小球）的演员在 场地中跑步，右图是Vicon370系统所采用的特殊红 外照相机，只捕捉白色标示物。
主要的动画技术－运动捕获技术
mocap设备
性能
10Hawk摄像头 每秒200帧 精度小于0.5mm
动作数据到3D人物模型的映射
照片的版权归相关的公司或者团体所有
6 OpenGL动画设计概述


OpenGL为动画设计提供了很好的支持，一 些很著名的3D游戏软件都使用OpenGL作为 渲染引擎 OpenGL提供了一些函数，支持图像和场景 的移动和旋转等操作，并支持图像的快速切 换输出。采用动画技术与前面所学的图形学 基本知识相互配合，可以使用户很轻易地创 建出动画效果

传统动画的制作流程
前期 中期 原画 摄影表 动画（中间画） 背景 后期

传统动画的制作流程
前期 中期 后期

输入电脑 合成 编辑 输出
4.2 二维动画的制作过程
(1) 制作声音对白和背景音乐 (2) 制作关键画面
(3) 绘制动画画面
(4) 复制到胶片上 (5) 上色 (6) 核实检查动画画稿 (7) 拍摄电影胶片