计算机图形学计算机动画.ppt

n世界著名的动画大师世界著名的动画大师John Halas曾经说过：曾经说过：“动动画的本质在于运动画的本质在于运动”n动画是指将一系列静止、独立而又存在一定内在联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（系的画面（Frame）连续拍摄到电影胶片上再以一）连续拍摄到电影胶片上再以一定的速度（一般不低于定的速度（一般不低于24帧帧/秒）放映来获得画面秒）放映来获得画面上人物运动的视觉效果。上人物运动的视觉效果。n动画就是动态的产生一系列景物画面的技术，其中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当前画面是对前一幅画面某些部分作的修改n随着计算机动画技术的发展，尤其是以实时随着计算机动画技术的发展，尤其是以实时动画为基础的动画为基础的Vidio game的出现的出现n不全面，局限不全面，局限n动画不只是产生运动的效果动画不只是产生运动的效果n还包括变形、变色、变光等还包括变形、变色、变光等梗概脚本 故事版 序列 场景1镜头n镜头1镜头1镜头m场景1n传统动画主要是生产传统动画主要是生产二维卡通动画片二维卡通动画片 描述故描述故事的大事的大致内容致内容描述一个完整的故描述一个完整的故事，但不包括拍片事，但不包括拍片的任何注释的任何注释绘制出配有适当解说绘制出配有适当解说词以表现剧本大意的词以表现剧本大意的一系列主体草图一系列主体草图手工绘制手工绘制 生产过程复生产过程复杂杂需要大量人需要大量人力力n运动序列中画面的切换运动序列中画面的切换 直接切换直接切换 淡入淡入(fade in):渐渐从黑暗处显现，变清晰渐渐从黑暗处显现，变清晰 淡出淡出(fade out):渐渐变暗，变模糊渐渐变暗，变模糊 推拉（推拉（zoom）:变焦，接近或远离变焦，接近或远离 摇移（摇移（ pan ）:摄像机水平移动摄像机水平移动 俯仰（俯仰（Tilt）:摄像机垂直移动摄像机垂直移动 软切，溶镜软切，溶镜(dissolve):第一个镜头随着时间而融化在第二个镜第一个镜头随着时间而融化在第二个镜头中，第一个镜头的最后一格淡出，第二个镜头的第一格淡入头中，第一个镜头的最后一格淡出，第二个镜头的第一格淡入 划变划变(split screen) ：将后一个场景逐渐滑入到前一个场景中，：将后一个场景逐渐滑入到前一个场景中，场景分界线由多种形式场景分界线由多种形式n早期：早期： 主要表现在主要表现在帧的制作帧的制作上上关键帧关键帧通过数字化采集方式得到，或者用交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以通过编程来生成插补帧插补帧不再由助理动画师和插补员来完成，不再由助理动画师和插补员来完成，而是利用计算机自动完成插补帧的制作，包而是利用计算机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。括复杂的运动也由计算机直接完成。 n随着三维造型技术和计算机动画技术的发展随着三维造型技术和计算机动画技术的发展五级五级四级四级一级一级二级二级三级三级 帧技术帧技术n样条驱动技术样条驱动技术n变形技术变形技术n过程动画技术过程动画技术n关节动画与人体动画技术关节动画与人体动画技术n基于物理模型的动画技术基于物理模型的动画技术n行为动画技术行为动画技术n运动捕获技术运动捕获技术n1. 参数参数keyframe 给出两幅关键帧，计算机生成中间画面给出两幅关键帧，计算机生成中间画面 刚体运动模拟刚体运动模拟 仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状n后来后来 对运动参数插值，实现对动画的运动控制对运动参数插值，实现对动画的运动控制位置位置、色彩、纹理n9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,Szn与纯数学插值问题不同：与纯数学插值问题不同： 一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的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，则可能是错误的但从运动学或动画设计角度看，则可能是错误的帧插值要求：帧插值要求： 能产生逼真的运动效果能产生逼真的运动效果 用户能方便有效地用户能方便有效地例一：例一：匀速运动的模拟匀速运动的模拟 假定需在时间段假定需在时间段t1t1与与t2t2之间插入之间插入n(n=5)n(n=5)帧帧 终始关键帧之间的时间段被分为终始关键帧之间的时间段被分为n+1n+1个子段个子段 其时间间隔为其时间间隔为: : t = (t2 t1)/(n +1) 则任一插值帧的时刻为则任一插值帧的时刻为: tfj = t1 + j t , j = 1, 2, ,n 例二：例二：加速运动的模拟加速运动的模拟 为使帧间的时间间隔增加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：可使用下列三角加速函数来得到增加的间隔：1 - cos, 0 /2 对于插值帧来说，第对于插值帧来说，第j个插值帧的时刻可由下式得到个插值帧的时刻可由下式得到: tfj = t1 + t 1 cos (j/(2(n+1) j = 1,2,n例三：例三：减速运动的模拟减速运动的模拟 使用下列三角减速函数来得到减少的间隔：使用下列三角减速函数来得到减少的间隔： sin, 0 /2 , 则第则第j个插值帧的时间位置被定义成：个插值帧的时间位置被定义成： tfj = t1 + t sin( j/( 2(n +1) j = 1,2,n例四：例四：混合增减速度的模拟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所使用的时间变化函数是: : 1/2 (1 cos ) 0 得到第得到第j j个插值帧的时刻为个插值帧的时刻为: : tfj = t1 + t 1/2 1 cos (j/(n+1) j = 1, 2, n 也称也称运动轨迹法运动轨迹法时间控制时间控制n位置样条位置样条空间轨迹曲线空间轨迹曲线帧的函数帧的函数n运动样条运动样条速度曲线速度曲线帧对时间的函数帧对时间的函数从速度曲线上找到给定时刻从速度曲线上找到给定时刻对应的弧长（即关键帧）对应的弧长（即关键帧） 使物体沿空间轨迹曲线运动使物体沿空间轨迹曲线运动该弧长距离该弧长距离 为了求得某一时刻物体在空间为了求得某一时刻物体在空间轨迹曲线上的位置轨迹曲线上的位置 n3. 变形技术变形技术柔性物体柔性物体（soft object）动画技术）动画技术 许多商用动画软件都提供变形工具许多商用动画软件都提供变形工具nSoftimage、Alias、Maya、3DS MAXnMorphing技术技术 指将一个给定的数字图像或者几何形状指将一个给定的数字图像或者几何形状S以一种自然以一种自然流畅的、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几何形状T。n基于物体表示的变形技术基于物体表示的变形技术n基本思想基本思想n自由变形技术（自由变形技术（FFD） Free Form Deformationn基本思想基本思想n优点优点n缺点缺点过程动画过程动画物理规律物理规律粒子粒子n三维森林、草叶随风飘动，闪电，火光、烟雾等特殊光效三维森林、草叶随风飘动，闪电，火光、烟雾等特殊光效n已成功地应用于著名动画软件已成功地应用于著名动画软件Alias|Wavefront、Softimage中中关节动画与人体动画技术关节动画与人体动画技术n主要难题主要难题基于物理模型的动画技术基于物理模型的动画技术采用流式播放技术，使得动画可以边下载边演采用流式播放技术，使得动画可以边下载边演示，克服了目前网络传输速度慢的缺点示，克服了目前网络传输速度慢的缺点 n3D Studio与3DS MAX 美国Autodesk公司nSoftimage 3D Microsoft收购加拿大Softimage后，将工作站上的Softimage移植到了Windows NT下nMaya 3D 美国的美国的Wavefront公司兼并法国的公司兼并法国的TDI公司，美国的公司，美国的SGI公司兼公司兼并加拿大的并加拿大的Alias公司，其后是公司，其后是Alias兼并兼并Wavefront改名成为改名成为SGI属下的加拿大属下的加拿大Alias/Wavefront公司公司n优点：优点： 交互方便交互方便 图形绘制效率高图形绘制效率高 引进了许多新的动画工具，如引进了许多新的动画工具，如FFD技术等技术等n LIGHTWAVE 3D