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1、哈尔滨工业大学计算机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2 2动画技术的起源、发展与应用是是计算机图形学计算机图形学和和艺术艺术相结合的产物相结合的产物综合利用综合利用计算机科学计算机科学、艺术艺术、数学数学、物理学物理学、生物学生物学和其它相关学科的知识和其它相关学科的知识 3 3动画技术的起源、发展与应用18311831年，法国人年，法国人年，法国人年，法国人J.A.PlateauJ.A.Plateau发明发明发明发明 n n传统的图片动画传统的图片动画传统的图片动画传统的图片动画n nPhenakistoscopeP
2、henakistoscope机器机器机器机器 恐龙专家格尔梯恐龙专家格尔梯恐龙专家格尔梯恐龙专家格尔梯n n19091909年，美国人年，美国人年，美国人年，美国人W.W.McCayMcCay制作制作制作制作n n世界第一部卡通动画片世界第一部卡通动画片世界第一部卡通动画片世界第一部卡通动画片n n虽然片子时间很短，但虽然片子时间很短，但虽然片子时间很短，但虽然片子时间很短，但McCayMcCay却用了大约一万幅画面。却用了大约一万幅画面。却用了大约一万幅画面。却用了大约一万幅画面。 4 4动画技术的起源、发展与应用19131913至至至至19171917年间，美国卡通系列动画片年间，美国卡通
3、系列动画片年间，美国卡通系列动画片年间，美国卡通系列动画片n n以由以由以由以由P.SullivanP.Sullivan制作的制作的制作的制作的小猫菲利斯小猫菲利斯小猫菲利斯小猫菲利斯最为著名。最为著名。最为著名。最为著名。 19281928至至至至19381938年间，年间，年间，年间，米老鼠和唐老鸭米老鼠和唐老鸭米老鼠和唐老鸭米老鼠和唐老鸭等系列动等系列动等系列动等系列动画片画片画片画片n n美国人美国人美国人美国人Walt DisneyWalt Disney制作制作制作制作19281928年制作的第一个年制作的第一个年制作的第一个年制作的第一个米老鼠米老鼠米老鼠米老鼠短片短片短片短片n
4、n第一部具有同步音响效果的影片第一部具有同步音响效果的影片第一部具有同步音响效果的影片第一部具有同步音响效果的影片 5 5动画技术的起源、发展与应用计算机动画计算机动画n n是二十世纪是二十世纪是二十世纪是二十世纪6060年代中期发展起来的年代中期发展起来的年代中期发展起来的年代中期发展起来的 Peter Foldes以他的计算机动画片以他的计算机动画片饥饿饥饿 n n19741974年，在法国嘎纳电影节上，获得评委会奖年，在法国嘎纳电影节上，获得评委会奖年，在法国嘎纳电影节上，获得评委会奖年，在法国嘎纳电影节上，获得评委会奖6 6动画技术的起源、发展与应用二十世纪二十世纪二十世纪二十世纪90
5、90年代，计算机动画在好莱坞掀起了年代，计算机动画在好莱坞掀起了年代，计算机动画在好莱坞掀起了年代，计算机动画在好莱坞掀起了一场电影技术的风暴一场电影技术的风暴一场电影技术的风暴一场电影技术的风暴 詹姆斯詹姆斯詹姆斯詹姆斯. .卡麦隆导演卡麦隆导演卡麦隆导演卡麦隆导演终结者终结者终结者终结者n n创下了全球创下了全球创下了全球创下了全球5.145.14亿美元的非凡票房收入亿美元的非凡票房收入亿美元的非凡票房收入亿美元的非凡票房收入 n n追赶主角的穷凶恶极的液态金属机器人可以从一种追赶主角的穷凶恶极的液态金属机器人可以从一种追赶主角的穷凶恶极的液态金属机器人可以从一种追赶主角的穷凶恶极的液态金
6、属机器人可以从一种形状神奇地变化成另外一种形状形状神奇地变化成另外一种形状形状神奇地变化成另外一种形状形状神奇地变化成另外一种形状 7 7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年，导演斯皮尔伯格开始制作影片侏罗纪公园侏罗纪公园 n nILMILM（Industrial Light & MagicIndustrial Light & Magic）实验室制实验室制实验室制实验室制作的恐龙片断作的恐龙片断作的恐龙片断作的恐龙片断 n n荣膺该年度的奥斯卡最佳视觉效果奖荣膺该年度的奥斯卡最佳视觉效果奖荣膺该年度的奥斯卡最佳视觉效果奖荣膺该年度的奥斯卡最佳视觉效果奖 8 8动画
7、技术的起源、发展与应用19961996年，年，年，年，玩具总动员玩具总动员玩具总动员玩具总动员 世界上第一部世界上第一部世界上第一部世界上第一部完全用计算机动画制作完全用计算机动画制作完全用计算机动画制作完全用计算机动画制作的电影的电影的电影的电影30003000万美元的投资万美元的投资万美元的投资万美元的投资 获得了破记录的获得了破记录的获得了破记录的获得了破记录的3.53.5亿美元的票房收入亿美元的票房收入亿美元的票房收入亿美元的票房收入还获得奥斯卡最佳剧本奖的提名还获得奥斯卡最佳剧本奖的提名还获得奥斯卡最佳剧本奖的提名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其意义
8、在于：给电影制作开辟了全新道路其意义在于：给电影制作开辟了全新道路其意义在于：给电影制作开辟了全新道路 9 9国内作品里程碑电影电影电影电影相似相似相似相似n n 92 92年，北方工大年，北方工大年，北方工大年，北方工大CADCAD中心，中心，中心，中心，SGISGI工作站，用工作站，用工作站，用工作站，用C C语言编写语言编写语言编写语言编写n n9393年北京科教厂优秀电影特别奖年北京科教厂优秀电影特别奖年北京科教厂优秀电影特别奖年北京科教厂优秀电影特别奖n n9393年广电部科技进步二等奖年广电部科技进步二等奖年广电部科技进步二等奖年广电部科技进步二等奖儿童寓言电视片儿童寓言电视片儿童
9、寓言电视片儿童寓言电视片咪咪钓鱼咪咪钓鱼咪咪钓鱼咪咪钓鱼n n386386上，上，上，上，C C语言编写，语言编写，语言编写，语言编写，1010分钟，分钟，分钟，分钟，5 5人人人人1010个月个月个月个月浙江大学，中科院计算所，数学所等浙江大学，中科院计算所，数学所等浙江大学，中科院计算所，数学所等浙江大学，中科院计算所，数学所等1010计算机动画的应用计算机动画的应用1.1.商业广告制作商业广告制作2.2.建筑装潢设计建筑装潢设计n随着VR技术的发展，照片式效果图n将会被三维漫游动画录象所替代 3.3.电脑游戏制作电脑游戏制作4.4.影视影视特技特技制作制作5.5.国防军事、工业制造、医国
10、防军事、工业制造、医 疗卫生、法疗卫生、法律（如事故分析）、娱乐、律（如事故分析）、娱乐、 可视化教学可视化教学、飞行模拟、生物工程、艺术等、飞行模拟、生物工程、艺术等1111计算机动画的未来（1/4）最令人激动不已的当属最令人激动不已的当属影视制作影视制作方面方面展望展望1虚拟演员虚拟演员n n美国沃尔特美国沃尔特美国沃尔特美国沃尔特 迪斯尼公司就曾预言迪斯尼公司就曾预言迪斯尼公司就曾预言迪斯尼公司就曾预言: :n n2121世纪的明星将是一个听话的计算机程序，它世纪的明星将是一个听话的计算机程序，它世纪的明星将是一个听话的计算机程序，它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
11、千万美元的报酬或头牌位置们不再要求成百上千万美元的报酬或头牌位置们不再要求成百上千万美元的报酬或头牌位置们不再要求成百上千万美元的报酬或头牌位置 1212计算机动画的未来（2/4）“听话的计算机程序听话的计算机程序”就是虚拟角色，就是虚拟角色，也称为也称为虚拟演员虚拟演员(Virtual Actor)广义上它包含两层含义：广义上它包含两层含义：n用电脑处理手法使已故的著名影星用电脑处理手法使已故的著名影星“起死回生起死回生” n完全由电脑塑造出来的电影明星完全由电脑塑造出来的电影明星如如蚁哥正传蚁哥正传中的蚁哥中的蚁哥 最终幻想最终幻想最终幻想最终幻想中的艾琪中的艾琪中的艾琪中的艾琪1313计
12、算机动画的未来（3/4）展望展望2交互式电影交互式电影(Interactive Movie) n nVRVR是实现途径是实现途径是实现途径是实现途径n n由观众亲涉其间，控制角色的举动，从而对场由观众亲涉其间，控制角色的举动，从而对场由观众亲涉其间，控制角色的举动，从而对场由观众亲涉其间，控制角色的举动，从而对场景产生互动后果景产生互动后果景产生互动后果景产生互动后果 1414计算机动画的未来（4/4）展望展望3以前以前n采用采用程序设计语言编程程序设计语言编程制作制作 今后今后n面向动画师面向动画师的界面良好的的界面良好的交互式系统交互式系统 基于人工智能理论的基于人工智能理论的面向用户的动
13、画系统面向用户的动画系统n基于自然语言描述的脚本基于自然语言描述的脚本n用计算机自动产生动画用计算机自动产生动画 1515传统动画传统动画 什么是动画？什么是动画？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：“动画动画的本质在于运动的本质在于运动”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。动画就是动态的产生
14、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1616计算机计算机动画动画 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的出现的出现不全面，局限不全面，局限动画不只是产生运动的效果动画不只是产生运动的效果还包括变形、变色、变光等还包括变形、变色、变光等1717每秒每秒每秒每秒24-3024-3024-3024-30帧，帧，帧，帧，18181818帧帧帧帧1.1.创意：描述故事：故事梗概、脚本、故事版。创意：描述故事：故事
15、梗概、脚本、故事版。创意：描述故事：故事梗概、脚本、故事版。创意：描述故事：故事梗概、脚本、故事版。制作动画的传统方法（1/2）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1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 1818制作动画的传统方法（2/2）2.2.设计：设计：设计：设计：具体场景及演员动作、音乐、具体场景及演员动作、音乐、具体场景及演员动作、音乐、具体场景及演员动作、音乐、布景，背景图，布景，背景图，布景，背景图，布景，背景图，3.3.音轨音轨音轨音轨: :动画制作前录音，对话，音乐与动作保持同步动画制作前录音，对话，音乐与动作保持同步动画制作
16、前录音，对话，音乐与动作保持同步动画制作前录音，对话，音乐与动作保持同步4.4.动画制作动画制作动画制作动画制作5.5.中间帧中间帧中间帧中间帧6.6.静电复制和墨水加描：草图静电复制和墨水加描：草图静电复制和墨水加描：草图静电复制和墨水加描：草图 醋酸纤维胶片醋酸纤维胶片醋酸纤维胶片醋酸纤维胶片7.7.绘制（渲染），着色绘制（渲染），着色绘制（渲染），着色绘制（渲染），着色8.8.检查检查检查检查9.9.拍摄拍摄拍摄拍摄10.10.剪辑剪辑剪辑剪辑1919计算机在动画中所起的作用（1/2） 早期：早期：n主要表现在主要表现在帧的制作帧的制作上上n关键帧关键帧通过数字化采集方式得到，或者用交通
17、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n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，而是利用计算机进行自动完成插补帧的制作，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。包括复杂的运动也由计算机直接完成。 2020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随着三维造型技术和计算机动画技术的发展 n n在在在在着色着色着色着色方面，画面图像通过交互式计算机系统由用方面，画面图像通过交互式计算机系统由用方面，
18、画面图像通过交互式计算机系统由用方面，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户选择颜色，指定着色区域，并由计算机完成着色户选择颜色，指定着色区域，并由计算机完成着色户选择颜色，指定着色区域，并由计算机完成着色工作工作工作工作n n在在在在拍摄拍摄拍摄拍摄方面，用计算机控制摄像机的运动，也可用方面，用计算机控制摄像机的运动，也可用方面，用计算机控制摄像机的运动，也可用方面，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编程的方法形成虚拟摄像机模拟摄像机的运动编程的方法形成虚拟摄像机模拟摄像机的运动编程的方法形成虚拟摄像机模拟摄像机的
19、运动n n在在在在后期制作后期制作后期制作后期制作阶段，用计算机完成编辑和声音合成阶段，用计算机完成编辑和声音合成阶段，用计算机完成编辑和声音合成阶段，用计算机完成编辑和声音合成2121计算机动画系统的分类根据系统的功能分五级根据系统的功能分五级根据系统的功能分五级根据系统的功能分五级五级五级四级四级一级一级二级二级三级三级交互式造型、着色，相交互式造型、着色，相交互式造型、着色，相交互式造型、着色，相当于一个图形编辑器当于一个图形编辑器当于一个图形编辑器当于一个图形编辑器计算并生成插补帧，代计算并生成插补帧，代计算并生成插补帧，代计算并生成插补帧，代替插补员的工作替插补员的工作替插补员的工作
20、替插补员的工作模拟虚拟摄像机操作模拟虚拟摄像机操作模拟虚拟摄像机操作模拟虚拟摄像机操作定义角色，动画形体定义角色，动画形体定义角色，动画形体定义角色，动画形体具有学习能力，有待于具有学习能力，有待于具有学习能力，有待于具有学习能力，有待于人工智能技术的发展人工智能技术的发展人工智能技术的发展人工智能技术的发展 2222计算机辅助二维动画1.设计脚本设计脚本设计脚本设计脚本 2.绘制关键画面绘制关键画面绘制关键画面绘制关键画面3.加层控制加层控制加层控制加层控制4.中间画面实时预演中间画面实时预演中间画面实时预演中间画面实时预演5.着色渲染着色渲染着色渲染着色渲染6.生成文件进行编辑生成文件进行
21、编辑生成文件进行编辑生成文件进行编辑7.输出到录像带输出到录像带输出到录像带输出到录像带计算机辅助制作动画的系统与动画师的关系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就像文字处理机与文字作家的关系一样2323计算机辅助三维动画（1/2）二维动画：二维动画：n n仍然基于人的手在平面上绘制仍然基于人的手在平面上绘制仍然基于人的手在平面上绘制仍然基于人的手在平面上绘制n n画面效果在很大程度上取决于人的绘画水平画面效果在很大程度上取决于人的绘画水平画面效果在很大程度上取决于人的绘画水平画面效果在很大程度上取决于人的绘画水平n n绘画过程只是在平面中表现，表现力受限绘
22、画过程只是在平面中表现，表现力受限绘画过程只是在平面中表现，表现力受限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：n n三维动画模拟一个真实的摄影舞台三维动画模拟一个真实的摄影舞台三维动画模拟一个真实的摄影舞台三维动画模拟一个真实的摄影舞台n n这个舞台上既包括拍摄的主体对象这个舞台上既包括拍摄的主体对象这个舞台上既包括拍摄的主体对象这个舞台上既包括拍摄的主体对象n n还包括灯光、背景、摄像机等还包括灯光、背景、摄像机等还包括灯光、背景、摄像机等还包括灯光、背景、摄像机等 2424计算机辅助三维动画（2/2）1.进行创意，形成动画制作的脚本进行创意，形成动画制作的脚本进行创意，形成
23、动画制作的脚本进行创意，形成动画制作的脚本 2.建立画面中各种物体的三维线框模型建立画面中各种物体的三维线框模型建立画面中各种物体的三维线框模型建立画面中各种物体的三维线框模型 3.确定并调整物体的颜色、材质、纹理等属性确定并调整物体的颜色、材质、纹理等属性确定并调整物体的颜色、材质、纹理等属性确定并调整物体的颜色、材质、纹理等属性 4.调整灯光，确定背景、环境调整灯光，确定背景、环境调整灯光，确定背景、环境调整灯光，确定背景、环境 5.模拟虚拟摄像机的运动，让目标运动起来模拟虚拟摄像机的运动，让目标运动起来模拟虚拟摄像机的运动，让目标运动起来模拟虚拟摄像机的运动，让目标运动起来 6.对动画进
24、行预演对动画进行预演对动画进行预演对动画进行预演 7.加工处理加工处理加工处理加工处理 8.将存储在计算机中的图像序列录制到录像带将存储在计算机中的图像序列录制到录像带将存储在计算机中的图像序列录制到录像带将存储在计算机中的图像序列录制到录像带 2525实时动画和逐帧动画逐帧动画逐帧动画：n n制作一帧需要几分钟甚至更长的时间，这些制作一帧需要几分钟甚至更长的时间，这些制作一帧需要几分钟甚至更长的时间，这些制作一帧需要几分钟甚至更长的时间，这些帧录制好后，以每秒帧录制好后，以每秒帧录制好后，以每秒帧录制好后，以每秒2424帧的速度放映帧的速度放映帧的速度放映帧的速度放映实时动画实时动画：n n
25、动画的生成是直接的，用户可以用交互式的动画的生成是直接的，用户可以用交互式的动画的生成是直接的，用户可以用交互式的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方式让画面中的形体快速移动方式让画面中的形体快速移动方式让画面中的形体快速移动n n用户现场选择的时刻就是实现的时刻，结果用户现场选择的时刻就是实现的时刻，结果用户现场选择的时刻就是实现的时刻，结果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直接反映到计算机屏幕上直接反映到计算机屏幕上直接反映到计算机屏幕上 2626电影拍摄与电视拍摄基本原理相同，不同之处主要表现在：基本原理相同，不同之处主要表现在：n
26、 n存储介质不同存储介质不同存储介质不同存储介质不同 n n播放速度不同播放速度不同播放速度不同播放速度不同 电影电影n n每秒每秒每秒每秒2424帧帧帧帧电视：电视：n nPALPAL制：每秒制：每秒制：每秒制：每秒2525帧帧帧帧n nNTSCNTSC制：每秒制：每秒制：每秒制：每秒3030帧帧帧帧 2727特殊效果（1/2）慢动作慢动作n n高速拍摄、正常播放高速拍摄、正常播放高速拍摄、正常播放高速拍摄、正常播放快动作快动作n n低速拍摄、正常播放低速拍摄、正常播放低速拍摄、正常播放低速拍摄、正常播放2828运动序列中画面的切换运动序列中画面的切换n直接切换直接切换n推拉（推拉（zoom
27、）n摇移（摇移（ pan ）n俯仰（俯仰（Tilt）n淡入淡入/淡出淡出(fade in/fade out)n软切，也称溶镜（软切，也称溶镜（Dissolve） n交叉淡化交叉淡化 n滑入，也称抹擦（滑入，也称抹擦（Wipe） 特殊效果（2/2）场景n+1场景n场景n+1场景n场景n+1场景n场景n场景n+12929主要的动画技术（1/24）参数参数参数参数关键关键关键关键帧技术帧技术样条驱动技术样条驱动技术变形技术变形技术过程动画技术过程动画技术关节动画与人体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基于物理模型的动画技术行为动画技术行为动画技术运动捕获技术运动捕获技术3030主要
28、的动画技术（2/24）1. 参数参数keyframen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n刚体运动模拟刚体运动模拟早期早期早期早期n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后来后来n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3131主要的动画技术（3/24）可归结为可归结为可归结为可归结为关键参数关键参数关键参数关键参数的插值问题的插值问题的插值问题的插值问题n位置位置、色彩、纹理、色彩、纹理9 9个运动参数决定个运动参数决定n位置参数：Tx,Ty,Tz,n方向参数：Rx,Ry,Rz,n比例参数：Sx,
29、Sy,Sz3232主要的动画技术（4/24）与纯数学插值问题不同：与纯数学插值问题不同：n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n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，则可能是错误的关键关键关键关键帧插值要求：帧插值要求：n能产生逼真的运动效果能产生逼真的运动效果n用户能方便有效地用户能方便有效地控制运动的运动学特性控制运动的运动学特性控制运动的运动学特性控制运动的运动学特性n n例如，通过调整插值函数改变运动的速度和加速度例如，通过调整插值函数改变运动的速度和加速度例如，通过调整插值函数改变运动的速度和加速度例如，通过
30、调整插值函数改变运动的速度和加速度3333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: j = 1, 2, ,n 主要的动画技术（5/24）tt1t23434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 - co
31、s, 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: j = 1,2,n主要的动画技术（6/24）1-coscost1t23535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： j = 1,2,n主要的动画技术（7/24）sint1t23636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
32、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: : j = 1, 2, n主要的动画技术（8/24）(1-cos)/2cost1t23737主要的动画技术（9/24）关键帧动画存在的主要问题关键帧动画存在的主要问题关键帧动画存在的主要问题关键帧动画存在的主要问题 n n交互响应慢交互响应慢交互响应慢交互响应慢n n物体运动的物理正确性和自然真实性难以保证物体运动的物理正确性和自然真实性难以保证物体运动的物理正确性和自然真实性难以保证物体运动的物理正确性和自然真实性难以保证3838主要的动画技术（10/24）2. 2. 样条驱动技术样条驱动技术n n
33、基于运动学描述基于运动学描述基于运动学描述基于运动学描述n n用户事先指定一条物体运动的轨迹用户事先指定一条物体运动的轨迹用户事先指定一条物体运动的轨迹用户事先指定一条物体运动的轨迹通常用三次参数样条表示通常用三次参数样条表示通常用三次参数样条表示通常用三次参数样条表示n n指定物体沿该轨迹运动指定物体沿该轨迹运动指定物体沿该轨迹运动指定物体沿该轨迹运动 n也称也称运动轨迹法运动轨迹法所要解决的基本问题所要解决的基本问题所要解决的基本问题所要解决的基本问题n n通过对样条曲线等间隔采样通过对样条曲线等间隔采样通过对样条曲线等间隔采样通过对样条曲线等间隔采样n n求出物体在某一帧的位置求出物体在
34、某一帧的位置求出物体在某一帧的位置求出物体在某一帧的位置n n从而生成整个动画序列从而生成整个动画序列从而生成整个动画序列从而生成整个动画序列 3939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匀速运动时，需要对样条进行弧长参数化4040主要的动画技术（12/24）为解决插值的为解决插值的时间控制时间控制问题问题n nSteketeeSteketee提出用双插值方法提出用双插值方法提出用双插值方法提出用双插值方法位置样条位置样条n空间轨迹曲线空间轨迹曲线 n n
35、物体位置对关键物体位置对关键物体位置对关键物体位置对关键帧的函数帧的函数运动样条运动样条n速度曲线速度曲线 n n关键关键关键关键帧对时间的函数帧对时间的函数4141主要的动画技术（13/24）3. 变形技术变形技术 n柔性物体柔性物体（soft object）动画技术动画技术n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Softimage、Alias、Maya、3DS MAX 4242主要的动画技术（14/24）Morphing技术技术n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
36、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。4343主要的动画技术（15/24）基本思想基本思想：n n移动顶点，通过顶点改变，达到变形移动顶点，通过顶点改变，达到变形移动顶点，通过顶点改变，达到变形移动顶点，通过顶点改变，达到变形n n给出物体形变的几个状态给出物体形变的几个状态给出物体形变的几个状态给出物体形变的几个状态如两个物体或两幅画面之间如两个物体或两幅画面之间如两个物体或两幅画面之间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特征的对应关系以及相应的时间控制关系特征的对应关系以及相应的时间控制关系特征的对应关系以及相应的时间控制关系n n物体沿给定
37、的插值路径进行线性或非线性的形变物体沿给定的插值路径进行线性或非线性的形变物体沿给定的插值路径进行线性或非线性的形变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适用于物体拓扑结构不发生变化的变形操作适用于物体拓扑结构不发生变化的变形操作适用于物体拓扑结构不发生变化的变形操作4444主要的动画技术（16/24）自由变形技术（自由变形技术（FFD）n nFree Form DeformationFree Form Deformationn nSederbergSederberg和和ParryParryn n198619
38、86年提出年提出基本思想基本思想n n不对物体直接进行变形不对物体直接进行变形不对物体直接进行变形不对物体直接进行变形n n而是对物体所嵌入的空间进行变形而是对物体所嵌入的空间进行变形而是对物体所嵌入的空间进行变形而是对物体所嵌入的空间进行变形n n引入一种基于三变量引入一种基于三变量引入一种基于三变量引入一种基于三变量B B样条体的变形工具样条体的变形工具样条体的变形工具样条体的变形工具latticelattice4545主要的动画技术（17/24）优点优点：n n最实用，适用面最广最实用，适用面最广最实用，适用面最广最实用，适用面最广n n间接的与物体表示无关的变形方法间接的与物体表示无关
39、的变形方法间接的与物体表示无关的变形方法间接的与物体表示无关的变形方法n n物体的变形是任意的，可由动画师任意控制物体的变形是任意的，可由动画师任意控制物体的变形是任意的，可由动画师任意控制物体的变形是任意的，可由动画师任意控制n n对变形的可控性更强对变形的可控性更强对变形的可控性更强对变形的可控性更强缺点缺点：n n缺乏对变形的细微控制，如人脸表情缺乏对变形的细微控制，如人脸表情缺乏对变形的细微控制，如人脸表情缺乏对变形的细微控制，如人脸表情4646主要的动画技术（18/24）4. 过程动画过程动画技术技术n nProcedural AnimationProcedural Animatio
40、n或或或或Random AnimationRandom Animationn n物体的运动和变形可由一个过程来控制物体的运动和变形可由一个过程来控制物体的运动和变形可由一个过程来控制物体的运动和变形可由一个过程来控制n n物体的变形不是任意的物体的变形不是任意的物体的变形不是任意的物体的变形不是任意的n n遵循一定的遵循一定的遵循一定的遵循一定的数学模型数学模型数学模型数学模型或或或或物理规律物理规律n水波运动，三维森林、草叶随风飘动，火光、烟水波运动，三维森林、草叶随风飘动，火光、烟雾等特殊光效雾等特殊光效 4747主要的动画技术（19/24）5. 5. 关节动画与人体动画技术关节动画与人体
41、动画技术n n运动学、动力学方法运动学、动力学方法运动学、动力学方法运动学、动力学方法n n用球体作为基本体素来构造人体用球体作为基本体素来构造人体用球体作为基本体素来构造人体用球体作为基本体素来构造人体4848主要的动画技术（20/24）6. 基于物理模型的动画技术基于物理模型的动画技术n n考虑了物体在真实世界中的属性考虑了物体在真实世界中的属性考虑了物体在真实世界中的属性考虑了物体在真实世界中的属性n n基于动力学原理来自动产生物体的运动基于动力学原理来自动产生物体的运动基于动力学原理来自动产生物体的运动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特别适合于对自然物理
42、现象的模拟n n如刚体运动模拟、塑性物体变形运动以及流体如刚体运动模拟、塑性物体变形运动以及流体如刚体运动模拟、塑性物体变形运动以及流体如刚体运动模拟、塑性物体变形运动以及流体运动模拟等运动模拟等运动模拟等运动模拟等4949主要的动画技术（21/24）7. 行为动画行为动画n nBehavioral AnimationBehavioral Animationn n要求实时性、要求实时性、要求实时性、要求实时性、VRVR处于初级阶段，文章少处于初级阶段，文章少5050主要的动画技术（22/24）8.8.运动捕获技术运动捕获技术Motion CaptureMotion Capture运动捕获的过程
43、：运动捕获的过程：运动捕获的过程：运动捕获的过程：n n真实演员按导演的要求做动作真实演员按导演的要求做动作n n动作被转换为数字信息，通过感应器记录到计算机中动作被转换为数字信息，通过感应器记录到计算机中n n计算机搜集这些数据后将信息传递到工作室，然后结计算机搜集这些数据后将信息传递到工作室，然后结果被果被3 3D D化，在计算机中以线条形式表现出来，形成电化，在计算机中以线条形式表现出来，形成电影中角色的基础影中角色的基础n n增加皮肤和外壳之后，那些线条就成为了虚拟角色增加皮肤和外壳之后，那些线条就成为了虚拟角色5151主要的动画技术（23/24）好莱坞的好莱坞的好莱坞的好莱坞的CGC
44、G人体动作一般都会采用人体动作一般都会采用人体动作一般都会采用人体动作一般都会采用昂贵的动作捕获系统录制完成昂贵的动作捕获系统录制完成昂贵的动作捕获系统录制完成昂贵的动作捕获系统录制完成 19981998年获奥斯卡视觉效果成就奖的年获奥斯卡视觉效果成就奖的年获奥斯卡视觉效果成就奖的年获奥斯卡视觉效果成就奖的泰坦尼克泰坦尼克泰坦尼克泰坦尼克n n沉船时乘客落水的镜头沉船时乘客落水的镜头沉船时乘客落水的镜头沉船时乘客落水的镜头全三维全三维全三维全三维CGCG影片影片影片影片最终幻想最终幻想最终幻想最终幻想n n人类面部表情人类面部表情人类面部表情人类面部表情 5252主要的动画技术（24/24）应
45、用：应用：n n电影特效电影特效电影特效电影特效n n医学康复动作分析医学康复动作分析医学康复动作分析医学康复动作分析n n运动员的动作训练运动员的动作训练运动员的动作训练运动员的动作训练n n商业广告商业广告商业广告商业广告n n电子游戏娱乐事业电子游戏娱乐事业电子游戏娱乐事业电子游戏娱乐事业5353微机上的二维动画软件Macromedia公司出品的Flash n n采用流式播放技术采用流式播放技术采用流式播放技术采用流式播放技术n n被广泛用于制作网页动画被广泛用于制作网页动画被广泛用于制作网页动画被广泛用于制作网页动画 Animator StudioCOOL 3DFirework等545
46、4常用的三维动画软件（1/4）3D Studio与3DS MAXn n美国美国AutodeskAutodesk公司公司 (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5555常用的三维动画软件（2/4）Softimage 3D n nMicrosoftMicrosoft收购加拿大收购加拿大SoftimageSoftimage后，将工作站上后，将工作站上的的SoftimageSoftimage移植到了移植到了Windows NTWindows NT下下5656常用的三维动画软件（3/4）Maya 3D n美国的美国的Wavefront公司兼并
47、法国的公司兼并法国的TDI公司，美国的公司，美国的SGI公司兼并加拿大的公司兼并加拿大的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 n19981998年推出超强级三维动画软件年推出超强级三维动画软件年推出超强级三维动画软件年推出超强级三维动画软件Maya Maya 优点：优点：n交互方便交互方便n图形绘制效率高图形绘制效率高n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 n强大的粒子系统强大的粒子系统强大的粒子系统强大的粒子系统 n n其发展大有超过
48、其发展大有超过其发展大有超过其发展大有超过Softimage 3DSoftimage 3D之势之势之势之势 5757常用的三维动画软件（4/4） LIGHTWAVE 3D n n价格低廉，品质出色价格低廉，品质出色价格低廉，品质出色价格低廉，品质出色n n全球唯一支持大多数工作平台的全球唯一支持大多数工作平台的全球唯一支持大多数工作平台的全球唯一支持大多数工作平台的3 3D D系统系统系统系统在在在在Intel(Windows NT/95/98)Intel(Windows NT/95/98)、SGISGI、Sun Sun MicroSystemMicroSystem、PowerMacPower
49、Mac、DEC AlphaDEC Alpha等各种等各种等各种等各种平台上都有一致的操作界面平台上都有一致的操作界面平台上都有一致的操作界面平台上都有一致的操作界面n n影视制作的首选软件影视制作的首选软件影视制作的首选软件影视制作的首选软件使用比例大大高于其它软件使用比例大大高于其它软件使用比例大大高于其它软件使用比例大大高于其它软件连连连连Softimage 3DSoftimage 3D也甘拜下风也甘拜下风也甘拜下风也甘拜下风5858动画的后期处理动画的后期处理动画的后期处理n n影视片段剪辑与特技处理影视片段剪辑与特技处理影视片段剪辑与特技处理影视片段剪辑与特技处理n n包括抠像、合成、图像包括抠像、合成、图像包括抠像、合成、图像包括抠像、合成、图像MorphingMorphing、特殊光效等特殊光效等特殊光效等特殊光效等软件主要有：软件主要有：n nDiscreet LogicDiscreet Logic公司的公司的公司的公司的FlintFlintn nSoftimageSoftimage公司的公司的公司的公司的EddieEddien nAliasAlias公司的公司的公司的公司的ComposerComposern nAdobeAdobe公司的公司的公司的公司的After EffectsAfter Effects、PremierPremier 5959
