第3章 动画获取与处理

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1、多媒体技术 第 3 讲 动画获取与处理 彭波 1 第第 3 讲讲 动画获取与处理动画获取与处理 动画是多媒体产品中最具吸引力的素材，具有表现丰富、直观易解、吸引注意、风趣幽默等特点。它使得多媒体信息更加生动，富于表现。计算机动画是在传统动画的基础上，使用计算机图形图像技术而迅速发展起来的一门高新技术。广义上看，数字图形图像的运动显示效果都可以称作为动画。在多媒体个人计算机上可以很容易地实现简单动画。 3.1 动画基本概念动画基本概念 英国动画大师约翰海勒斯（John Halas）对动画有一个精辟的描述：“动作的变化是动画的本质”。动画由很多内容连续但各不相同的画面组成。由于每幅画面中的物体位置

2、和形态不同，在连续观看时，给人以活动的感觉。 3.1.1 动画的发展动画的发展 动画（Animation）的发明早于电影。从 1820 年英国人发明的第一个动画装置，到 20 世纪 30 年代华特迪斯尼（Walt Disney）电影制片厂生产的著名的米老鼠和唐老鸭，动画技术从幼稚走向了成熟。卡通（Cartoon）的意思就是漫画和夸张，动画采用夸张拟人的手法将一个个可爱的卡通形象搬上银幕，因而动画片也称为卡通片。 1831 年，法国人约瑟夫安东尼普拉特奥（Joseph 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

3、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，美国人户斯泰瓦德（JSteWard）制作出一部很接近现代动画概念的影片，片名叫“滑稽面孔的幽默形象”（Houmoious Phaseofa 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 Endle Cohl 首创用负片制作动画影片。所谓负片就是影像颜色与实际颜色恰好相反多媒体技术 第 3 讲 动画获取与处理 彭波 2 的胶片，如同今天的普通胶卷底片。采用负片制作动画

4、，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。 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真正的动画短片。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。他先在赛珞璐（Celluloid）片（一种塑料胶片）上画动画片，然后再把画在赛璐珞片上的一幅幅图片拍摄成动画电影。多少年来，这种动画片的制作工艺一直沿用至今。 1928 年， 世人皆知的 Walt Disney 逐渐把动画影片的制作推向颠峰。 他在完善了动

5、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影片之父。Walt Disney 带领着他的一班人马为世人创造出无以伦比的大量动画精品。例如，米老鼠和唐老鸭、木偶奇遇记和白雪公主等。直到今天，Walt Disney 创办的迪斯尼公司还在为全世界的人们创造出丰富多样的动画片。 动画从最初发展到现在经过了一个漫长的历程，从最初的动画雏形到现在的大型豪华动画片，其本质没有太大的变化，而动画制作手段却发生着日新月异地变化。今天，“计算机动画”、“计算机动画特技发展”不绝于耳，可见计算机对动画制作领域的强烈震撼。随着动画的进一步发展，除了动作的变化，还发展出五彩颜色的变化、

6、材料质地的变化、光线强弱的变化等，这些因素或许赋予了动画新的本质。 3.1.2 动画的原理动画的原理 动画的英文 Animation 源自于拉丁文字根的 anima，意思为灵魂，动词 animare 是赋予生命，引申为使某物活起来的意思，所以 animation 可以解释为经由创作者的安排，使原本不具生命的东西像获得生命一般地活动。广义而言，把一些原先不活动的东西，经过影片制作与放映，变成会活动的影像，即为动画。 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。其基本原理与电影和电视一样，都是视觉原理。医学已证明，人类具有“视觉暂留（Persistence of Vision）”特性，

7、即人眼看到一幅画或一个物体后，在 1/24 秒内不会消失。基于此原理，如果在一幅画还没有消失前播放出下一幅画，则就会给人造成一种流畅的视觉变化效果。因此，电影采用了 24 幅/秒画面的速度拍摄播放，电视采用了 25 幅/秒（PAL制）或 30 幅/秒（NSTC 制）的速度拍摄播放。如果以每秒低于 24 幅画面速度拍摄播放则就会出现停顿。 定义动画的方法，不在于使用的材质或创作的方式，而是作品是否符合动画的本质。时至今日，动画媒体已经包含了各种形式，但不论何种形式，它们具体有一些共同点：其影像是以电影胶片、录像带或数字信息的方式逐格记录的；另外，影像的“动作”是被创造出来的幻觉，而不是原本就存在

8、的。 多媒体技术 第 3 讲 动画获取与处理 彭波 3 3.1.3 动画的构成动画的构成 毫无规律和杂乱的画面并不能构成真正意义上的动画，动画构成及动画表现都应该遵循一定的规则。 1. 动画构成规则动画构成规则 (1) 动画由多画面组成，并且画面必须连续。 (2) 画面之间的内容必须存在差异。 (3) 画面表现的动作必须连续，即后一幅画面是前一幅画面的继续。 图 3-1 给出了构成“小鸟飞翔”动画的七幅画面，进一步说明动画构成规则。 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) 图 3-1 构成“小鸟飞翔”动画的七幅画面 2. 动画表现手法动画表现手法 (1) 在严格遵循运动规律的前

9、提下，可以进行适度地夸张和发展。 (2) 动画节奏的掌握以符合自然规律为主要标准。要求夸张表现时，可以适度调整节奏的快慢。适度的节奏靠最终播放效果来检验，如果违背了自然规律，则制作出的动画会怪诞和不可信。 (3) 动画的节奏通过画面之间物体相对位移量进行控制。相对位移量越大，物体移动距离越长，视觉速度越快，节奏也就越快；相对位移量越小，节奏就越慢。 3.1.4 动画的分类动画的分类 动画分类没有一定之规。如果从制作技术和手段来划分，则可以分为以手工绘制为主的传统动画和以计算机为主的计算机动画。如果从动作的表现形式来划分，则可以分为接近自然动作的“完善动画”（动画电视）和采用简化及夸张的“局限动

10、画”（幻灯片动画） 。如果从空间的视觉效果来划分，则可以分为二维动画（卡通片）和三维动画（木偶） 。如果从播放的效果上来划分，则可以分为顺序动画（连续动作）和交互式动画 （反复动作） 。 如果从每秒播放的画面幅数来划分， 则可以分为全动画 （每秒 24 幅） 和半动画 （每秒少于 24 幅） 。 1. 传统动画传统动画 多媒体技术 第 3 讲 动画获取与处理 彭波 4 动画与运动是分不开的，可以说运动是动画的本质，动画是运动的艺术。从传统意义上说，动画是一门通过在连续多格的胶片上拍摄一系列单个画面，从而产生动态视觉的技术和艺术，这种视觉是通过将胶片以一定的速率放映的形式体现出来的。一般说来，动

11、画是一种动态生成一系列相关画面的处理方法，其中的每一幅与前一幅略有不同。 传统动画是相对于计算机而言的， 它是由大量画面构成的， 制作动画的工作量主要是绘制每一幅画面。传统动画发展得很早，在计算机出现之前，从造型设计、表现手法，到绘制工艺，甚至考虑到经济性，都已经趋于成熟。 2. 计算机动画计算机动画 人们在沿用传统动画制作工艺的同时，开始使用计算机来制作动画，习惯上把计算机制作的动画就叫做“计算机动画”。 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，也就是使用计算机产生图形、图像运动的技术。计算机动画的原理与传统动画的原理基本相同，只是在传统动画的基础上把计算机技术用于动画的处

12、理和应用， 并可以达到传统动画所达不到的效果。 由于采用的是数字处理方式， 动画的运动轨迹、纹理色调、光影效果等可以不断改变，输出方式也是多种多样。 3. 全动画全动画 全动画是指在动画制作中，为了追求画面的完美、动作的细腻和流畅，按照每秒播放 24 幅画面的数量制作的动画。全动画对花费的时间和金钱在所不惜，迪斯尼公司出品的大量动画产品就属于这种动画。全动画的观赏性极佳，常用来制作大型动画片和商业广告。 4. 半动画半动画 半动画又叫“有限动画”，采用少于每秒 24 幅的绘制画面来表现动画，常见画面数一般为每秒 6 幅。由于半动画画面少，因而在动画处理上，采用重复动作、延长画面动作停顿的画面数

13、来凑足每秒 24 幅画面。半动画不需要全动画那样高昂的经济开支，也没有全动画那样巨大的工作量。对于动画制作者来说，制作这种经济动画与制作全画面动画几乎需要完全相同的技巧，不同之处仅在于制作画面工作量和经济原因。 3.2 计算机动画计算机动画 随着计算机图形学和计算机硬件的不断发展，以及超级个人计算机和大容量数据存储器的出现，传统多媒体技术 第 3 讲 动画获取与处理 彭波 5 动画的制作工艺也发生了变化。有些人在完成动画画面的绘制工作以后，不再复制赛珞璐片，而是采用图像扫描仪把画稿转换成数字图像，然后在计算机中进行上色、编辑和其他处理，最后再利用专门设备把数字图像转换成录像带，供电视播放用。计

14、算机的出现，使传统动画在经历了几代人不断探索、艰辛劳动和不断创新之后，被注入了新的活力。 3.2.1 计算机动画的概念计算机动画的概念 早期的计算机动画灵感来源于传统卡通片，在生成几幅被称做“关键帧”的画面后，由计算机对两幅关键帧进行插值生成若干“中间帧”，其中当前帧是前一帧的部分修改，连续播放时两个关键帧就被有机地结合起来了。计算机动画内容丰富多彩，生成动画的方法也多种多样，比如图 3-2 所示的基于特征的图像变形。因此，计算机动画基于计算机图形图像技术，可以达到传统动画所达不到的效果。 图 3-2 基于特征的图像变形（猫变虎） 1. 计算机动画的发展计算机动画的发展 20 世纪 60 年代

15、， 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。这些早期的计算机动画系统基本上是二维辅助动画系统，也称为二维动画。随着计算机图形技术的迅速发展，计算机动画技术也很快发展和应用起来，主要经历了三个阶段。 第一个阶段：用计算机画出简单的线条和几何图形，计算机把绘画过程记录下来。在需要时，再由计算机重复绘画过程，使人们看到活动的画面。 第二个阶段：计算机动画中活动的主体开始从简单的线条、几何图形过渡到比较复杂的图形。画面上的变化模式和多种颜色的运用使这一阶段的动画具有良好的视觉效果，开始体现计算机动画的风格。 多媒体技术 第 3 讲 动画获取与处理 彭波

16、 6 第三个阶段：以先进的计算机软件和硬件为条件，逼真地模拟手工动画，并进一步制作手工动画难以表现的题材。动画主体从图形过渡到图像，并能够生成数字化的主体模型，进而产生纯计算机动画。 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，它以计算机图形学，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。 从计算机动画的发展来看，计算机从记录动画开始，随后模拟传统动画，直到现在形成了独特风格的计算机动画。可以看出，计算机在动画制作中扮演的角色，已经从纯粹的制作工具，发展到了处理工具和设计工具。 2. 计算机动画的特点计算机动画的特点 从制作的角度看，计算机动画可能相对比较简单，比如一行字幕从屏幕的左边移入，然后从屏幕的右边移出，这一功能通过简单的编程就能实现。计算机动画也