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1、计算机动画,潘荣江 2005年秋,主要内容,基本概念 二维与三维动画的制作过程 计算机动画的主要技术与方法 二维动画软件 三维动画软件,1 基本概念,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。,计算机动画的应用领域十分广泛 影视作品制作 科学研究 视觉模拟 电子游戏 工业设计 教学训练 军事仿真 过程控制 平面绘画 建筑设计 ., 早期的动画,动画原理,教学进程,动画发展的历史,1831年，法国人Joseph
2、Antoine Plateau把画好的图片按照顺序放在一部机器的圆盘上，圆盘可以在机器的带动下转动。这部机器还有一个观察窗，用来观看活动图片效果。在机器的带动下，圆盘低速旋转。圆盘上的图片也随着圆盘旋转。从观察窗看过去，图片似乎动了起来，形成动的画面，这就是原始动画的雏形。,1906年，美国人J Steward制作出一部接近现代动画概念的影片，片名叫“滑稽面孔的幽默形象”（Humorous Phase of a Funny Face）。他经过反复地琢磨和推敲，不断修改画稿，终于完成这部接近动画的短片。 1908年法国人Emile Cohl首创用负片制作动画影片。所谓负片，是影象与实际色彩恰好相
3、反的胶片，如同今天的普通胶卷底片。采用负片制作动画，从概念上解决了影片载体的问题，为今后动画片的发展奠定了基础。 我国民间的走马灯和皮影戏，可以说是动画的一种古老形式。,1909年，美国人Winsor Mccay用一万张图片表现一段动画故事，这是迄今为止世界上公认的第一部象样的动画短片。从此以后，动画片的创作和 制作水平日趋成熟，人们已经开始有意识的制作表现各种内容的动画片 1915年，美国人Eerl Hurd创造了新的动画制作工艺，他先在塑料胶片上画动画片，然后再把画在塑料胶片上的一幅幅图片拍摄成动画电影。多少年来，这种动画制作工艺一直被沿用着。 从1928年开始，世人皆知的Walt Dis
4、ney逐渐把动画影片推向了颠峰。他在完善动画体系和制作工艺的同时，把动画片的制作与商业价值联系了起来，被人们誉为商业动画之父。直到如今，他创办的迪斯尼公司还在为全世界的人们创造出丰富多彩的动画片。“迪斯尼”-20世纪最伟大的动画公司。,计算机动画的发展,计算机动画是指用计算机技术辅助制作影视动画片 它的发展过程大体上可分为三个阶段。 60年代美国的Bell实验室和一些研究机构就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。这些早期的计算机动画系统基本上是二维辅助动画系统（Computer Assisted Animation），也称为二维动画。1963年美国贝尔实验室语言编写了一个称为B
5、EFLIX的二维动画制作系统，这个软件系统在计算机辅助制作动画的发展历程上具有里程碑的意义。,第二个阶段是从20世纪7080年代中期，计算机图形、图像技术的软、硬件都取得了显著的发展，使计算机动画技术日趋成熟，三维辅助动画系统也开始研制并投入使用。三维动画也称为计算机生成动画（Computer Generated Animation ），其动画的对象不是简单地由外部输入，而是根据三维数据在计算机内部生成的。 1982年迪士尼（Disney）推出第一部电脑动画的电影，就是Tron（中文片译“电脑争霸”），使计算机动画成为计算应用的新领域。 1982至1983年间，麻省理工学院（MIT）及纽约技术
6、学院同时利用光学追踪（Optical Tracking）技术记录人体动作；演员穿戴发光物体于身体各部份，在指定之拍摄范围内移动，同时有数部摄影机拍摄其动作，然后经电脑系统分析光点的运动再产生立体活动影像。,第三个阶段是从1985年到目前为止的飞速发展时期，是计算机辅助制作三维动画的实用化和向更高层次发展的阶段。 在这个阶段中，首先是由美国的犹他大学开发出世界上第一个完整的且具有实用意义的三维动画片。 在随后的十年内，计算机辅助三维动画的制作技术有了质的变化，已经综合集成了现代数学、控制论、图形图像学、人工智能、计算机软件和艺术的最新成果。 以致于有人说：“如果想了解信息技术的发展成就，就请看计
7、算机三维动画制作的最新作品吧！”,目前计算机动画已经发展成一个多种学科和技术的综合领域，以计算机图形学，特别是实体造型和真实感显示技术（消隐、光照模型、表面质感等）为基础，涉及到图像处理技术、运动控制原理、视频技术、艺术甚至于视觉心理学、生物学、机器人学、人工智能等领域，它以其自身的特点而逐渐成为一门独立的学科。,什么是动画,动画是通过连续播放一系列画面，给视觉造成连续变化的图画。 基本原理与电影、电视一样，都是视觉原理。医学已证明，人类具有“视觉暂留”的特性，就是说人的眼睛看到一幅画或一个物体后，在1/24秒内不会消失。利用这一原理，在一幅画还没有消失前播放出下一幅画，就会给人造成一种流畅的
8、视觉变化效果。 电影采用了每秒24幅画面的速度拍摄播放，电视采用了每秒25幅（PAL制）或30幅（NSTC制）画面的速度拍摄播放。如果以每秒低于24幅画面的速度拍摄播放，就会出现停顿现象。,实验证明，如果动画或电影的画面刷新率为每秒24帧左右，也即每秒放映24幅画面，则人眼看到的是连续的画面效果。 但是，每秒24帧的刷新率仍会使人眼感到画面的闪烁，要消除闪烁感画面刷新率还要提高一倍。因此，每秒24帧的速率是电影放映的标准，它能有效地使运动的画面连续流畅。 但是，在电影的放映过程中有一个不透明的遮挡板每秒遮挡24次，每秒24帧加上每秒24次遮挡，电影画面的刷新率实际上是每秒48次。这样就能有效地
9、消除闪烁，同时又节省了一半的胶片。,计算机动画的特点,动画是指把一些原本没有生命（不活动）的东西，经过制作成影片（或电视）并放映后,成为有生命的东西。因此.广义的动画包含了“剪纸片”木偶片”等艺术形式。在中国它们也被称为“美术片”或“卡通片”。它们有两个最重要的特征： 它们的影像是用电影胶片或录影带以逐格记录的方式制作出来的。 这些影像的“动作”是利用设计者的想像和虚幻创造出来的，而不是原本就存在再被摄影机记录下来的景物。,显然，在动画片的制作中,研究物体怎样运动（包括他们运动的轨迹、方向，以及所需的时间）的意义，远大于对单张画面安排的考虑。所以相对每一格画面来说,我们应该更关心“每一格画面与
10、下一格画面之间所产生的效果”。 动画大师诺曼.麦克拉伦（Norman Mclaren）说：动画不是“会动的画”的艺术,而是“画出来的运动”的艺术。,计算机动画的原理与传统动画基本相同，只是在传统动画的基础上把计算机技术用于动画的处理和应用。 计算机动画是指采用图形与图像的数字处理技术，借助于编程或动画制作软件生成一系列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧的部分修改。运动是动画的要素，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。这里所讲的运动不仅指景物的运动，还包括虚拟摄像机的运动、纹理、色彩的变化等，输出方式也多种多样。所以，计算机动画中的运动泛指使画面发生改变的动作。 计算机动
11、画所生成的是一个虚拟的世界，画面中的物体并不需真正去建造，物体、虚拟摄像机的运动也不会受到什么限制，动画师几乎可以随心所欲地编织他的虚幻世界。,由多帧连续图像组成的动画效果,计算机动画的关键技术体现在计算机动画制作软件及硬件上。 动画制作软件是由计算机专业人员开发的制作动画的工具，使用这一工具不需要用户编程，通过简单的交互式操作就能实现计算机的各种动画功能。不同的动画效果，取决于不同的计算机动画软、硬件的功能。虽然制作的复杂程度不同，但动画的基本原理是一致的。 从另一方面看，动画的创作本身是一种艺术实践，动画的编剧、角色造型、构图、色彩等的设计需要高素质的美术专业人员才能较好地完成。 总之，计
12、算机动画制作是一种高技术、高智力和高艺术的创造性工作。,视频与动画的区别,动画（Animation）和视频（Video）都是由一系列的静止画面按照一定的顺序排列而成的，这些静止画面称为帧（frame），每一帧与相邻帧略有不同。当帧画面以一定的速度连续播放时，由于是视觉暂留现象造成了连续的动态效果。,计算机动画和视频的主要差别类似图形与图像的区别，即帧图像画面的产生方式有所不同。 计算机动画是用计算机产生表现真实对象和模拟对象随时间变化的行为和动作，是利用计算机图形技术绘制出的连续画面，是计算机图形学的一个重要的分支； 数字视频主要指经过模拟信号源经过数字化后的图像和同步声音的混合体。 目前，在
13、多媒体应用中有将计算机动画和数字视频混同的趋势。,动画的本质,动画的分类,从制作技术和手段看，动画可分为以手工绘制为主的传统动画和以计算机为主的电脑动画。 按动作的的表现形式来区分，动画大致分为接近自然动作的“完善动画”（动画电视）和采用简化、夸张的“局限动画”（幻灯片动画）。 从空间的视觉效果上，可分为平面动画（小虎还乡）和三维动画（最终幻想）。 从播放效果上，可以分为顺序动画（连续动作）和交互式动画（反复动作）。 从每秒放的幅数来讲，有全动画（每秒24幅）（迪斯尼动画）和半动画（少于24幅）（三流动画）之分，中国的动画公司为了节省资金往往用半动画做电视片。,动画的变化,动作的变化 物体位置
14、的变化 物体形态的变化 颜色的变化 材料质地的变化 光线强弱的变化,Terminology,to animate = “to get things alive”, i.e., to make them change visual effects: varying position shape color transparency structure pattern . caused by: activity of objects themselves (e.g. translation, rotation, growth, .) varying environmental conditions
15、 (e.g. illumination) activity of the viewer (e.g. walking through an artifical world) related to producing, storing, transmitting, displaying animations with computer support, 动画的时间特性,(1) 动作的发展按照时间发生的顺序进行,(2) 与自然现象一致的运动节奏,(3) 遵守自然规律，可有限的夸张,动画时间与节奏的掌握, 动画的节奏掌握,(1) 利用各帧之间物体的位置差控制动画节奏,(2) 自然规律和有限的夸张是动作
16、节奏的依据,Frame1 Frame2 Frame3 Frame4 Frame5 Frame6 Frame7 Frame8,2 动画的制作过程,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 (8) 后期制作,传统动画的制作过程,总体设计阶段 1） 剧本。任何影片生产的第一步都是创作剧本，但动画片的剧本与真人表演的故事片剧本有很大不同。一般影片中的对话，对演员的表演是很重要的，而在动画影片中则应尽可能避免复杂的对话。在这里最重的是用画面表现视觉动作，最好的动画是通过滑稽的动作取得的，其中没有对话，而是由视觉创作激发人们的想象。,2）故事板。根据剧本，导演要绘制出类似连环画的故事草图（分镜头绘图剧本），将剧本描述的动作表现出来。故事板有若干片段组成，每一片段由系列场景组成，一个场景一般被限定在某一地点和一组人物内，而场景又可以分为一系列被视为图片单位的镜头，由此构造出一部动画片的整体结构。故事板在绘制各个分镜头的同时，
