chap8 计算机动画

2020-03-01 134浏览

  • 1.第 8 章 计算机动画 8.1 8.2 8.3 8.4 动画技术的起源、发展与应用 计算机动画 计算机动画中常用技术简介 常用的动画软件 1
  • 2.8.1 动 画 动 技动 的起源、 动动动动动动 展与 动动 用 是 计算机图形学 和 艺术 相结合的产物 综合利用 计算机科学 、 艺术 、 数学 、 物理学 、 生物学 和其它相关学科的知识 2
  • 3.动画技术的起源、发展 1831 年，法国人 J.A.Plateau 发明   传统的图片动画 Phenakistoscope 机器 《 恐龙专家格尔梯 》    1909 年，美国人 W.McCay 制作 世界第一部卡通动画片 虽然片子时间很短，但 McCay 却用了大约一万幅画面。 3
  • 4.动画技术的起源、发展 1913 至 1917 年间，美国卡通系列动画片  以由 P.Sullivan 制作的 《 小猫菲利斯 》 最为著名。 1928 至 1938 年间， 《 米老鼠和唐老鸭 》 等系 列动画片  美国人 Walt Disney 制作 1928 年制作的第一个 《 米老鼠 》 短片  第一部具有同步音响效果的影片 4
  • 5.动 画 动 技动 动 的起源、 动动动动 展 计算机动画  是二十世纪 60 年代中期发展起来的 Peter Foldes 以他的计算机动画片 《 饥饿 》  1974 年，在法国嘎纳电影节上，获得评委会奖 5
  • 6.动画技术的起源、发展 二十世纪 90 年代，计算机动画在好莱坞掀 起了一场电影技术的风暴 詹姆斯 . 卡麦隆导演 《 终结者 Ⅱ》   创下了全球 5.14 亿美元的非凡票房收入 追赶主角的穷凶恶极的液态金属机器人可以从一种 形状神奇地变化成另外一种形状 6
  • 7.动 画 动 技动 动 的起源、 动动动动 展 1993 年，导演斯皮尔伯格开始制作影 片 《 侏罗纪公园 》   ILM （ Industrial Light & Magic ）实验室 制作的恐龙片断 该年度的奥斯卡最佳视觉效果奖 7
  • 8.动画技术的起源、发展 1996 年， 《 玩具总动员 》 世界上第一部 完全用计算机动画制作 的电影 3000 万美元的投资 获得了破记录的 3.5 亿美元的票房收入 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 8
  • 9.国内作品里程碑 电影 《 相似 》  92 年，北方工大 CAD 中心， SGI 工作站，用 C 语言 编写  93 年北京科教厂优秀电影特别奖  93 年广电部科技进步二等奖 儿童寓言电视片 《 咪咪钓鱼 》  386 上， C 语言编写， 10 分钟， 5 人 10 个月 9
  • 10.计算机动画的应用  商业广告制作  建筑装潢设计      随着 VR 技术的发展，照片式效果图 将会被三维漫游动画录象所替代 电脑游戏制作 影视特技制作 国防军事（火箭发射、飞行模拟）、工业 制造、医疗卫生、法律（如事故分析）、 娱乐、 可视化教学、生物工程、艺术等 10
  • 11.计算机动画的未来 最令人激动不已的当属 影视制作 方面 展望 1 虚拟演员   美国沃尔特 · 迪斯尼公司就曾预言 : 21 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千万美元的报酬或头牌 位置 11
  • 12.计算机动画的未来 “ 听话的计算机程序 ”就是虚拟角色， 也称为 虚拟演员 (Virtual Actor) 广义上它包含两层含义：   用电脑处理手法使已故的著名影星 “起死回生 ” 完全由电脑塑造出来的电影明星 如《蚁哥正传》 中的蚁哥 《 最终幻想 》 中的艾琪 12
  • 13.计算机动画的未来 展望 2 交互式电影 (Interactive Movie)   VR 是实现途径 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 13
  • 14.计算机动画的未来 展望 3 以前  采用 程序设计语言编程 制作 今后  面向动画师 的界面良好的 交互式系统 基于人工智能理论的 面向用户的动画系统   基于自然语言描述的脚本 用计算机自动产生动画 14
  • 15.第 8 章 计算机动画 8.1 用 8.2 8.3 8.4 动画技术的起源、发展与应 计算机动画 计算机动画中常用技术简介 常用的动画软件 15
  • 16.8.2 计算机 动画 什么是动画？ 世界著名的动画大师 John Halas 曾经说过： “动 画的本质在于运动 ” 动画是指将一系列静止、独立而又存在一定内在 联系的画面（ Frame ）连续拍摄到电影胶片上再 以一定的速度（一般不低于 24 帧 / 秒）放映来获 得画面上人物运动的视觉效果。 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 16
  • 17.随着计算机动画技术的发展，尤其是以 实时动画为基础的 Video game 的出现， 动画不只是产生运动的效果 , 还包括变形 、变色、变光等。 17
  • 18.计算机在动画中所起的作用 早期：    主要表现在 帧的制作 上 关键帧 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 以通过编程来生成 插补帧 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 ，包括复杂的运动也由计算机直接完成。 18
  • 19.计算机在动画中所起的作用 随着三维造型技术和计算机动画技术的发展    在 着色 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工作 在 拍摄 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 在 后期制作 阶段，用计算机完成编辑和声音合成 19
  • 20.计算机动画分类一 时动画和逐帧动画 实 逐帧动画 ：  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 24 帧的速度放映 实时动画 ：   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 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 20
  • 21.计算机动画分类二 二 维动画和三维动画 计算机辅助二维动画 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 设计脚本 ——前期 绘制关键画面 加层控制 中间画面实时预演 着色渲染 生成文件进行编辑 输出到录像带 动画片段制 作 后期制作 21
  • 22.计算机动画分类二 维动画和三维动画 二 二维动画：    仍然基于人的手在平面上绘制 画面效果在很大程度上取决于人的绘画水平 绘画过程只是在平面中表现，表现力受限 三维动画：    三维动画模拟一个真实的摄影舞台 这个舞台上既包括拍摄的主体对象 还包括灯光、背景、摄像机等 22
  • 23.计算机动画分类二 维动画和三维动画 二 计算机辅助三维动画  前期  脚本设计  造型设计  包括人物造型、动物造型、器物造型等设计  设计内容包括角色的外形设计和基本动作设计  场景设计  景物和环境的来源，包括平面图、结构分解图、色 彩氛围图 23
  • 24.计算机动画分类二 维动画和三维动画  二 动画片段制作  建模：利用三维建模软件在计算机中绘制 出角色模型    多边形建模 样条曲线建模 细分建模 24
  • 25.样条描述 三维的 n 次样条参数多项式曲线的矩 阵 �x(t )  ant n  L  a2t 2  a1t 1  a0 � n 2 1 �y (t )  bnt  L  b2t  b1t  b0 �z (t )  c t n  L  c t 2  c t 1  c n 2 1 0 � t �[0,1] 25
  • 26.样条描述 an bn cn � � x(t ) � � � � L L L � � n � � � p (t )  � y (t ) �  � t L t 1 � � �� a1 b1 c1 � � z (t ) � � � � � a0 b0 c0 � � T � C T � MS � G t �[0,1] T 26
  • 27.插值与逼近 曲线 / 曲面的拟合：当用一组型值点来 指定曲线曲面的形状时，形状完全通过 给定的型值点列。 曲线的拟合 27
  • 28.插值与逼近 曲线 / 曲面的逼近：当用一组控制点来指 定曲线曲面的形状时，求出的形状不必通 过控制点列。 曲线的逼近 28
  • 29.计算机动画分类一 维动画和三维动画 二  动画片段制作  材质  物体的颜色、透明度、反光度、反光强度 、自发光及粗糙程度  灯光  一般动画软件中提供平行光、聚光灯和球 镜光三种光照效果 29
  • 30.计算机动画分类二 维动画和三维动画  二 动画片段制作  摄像机控制     实现分镜头剧本设计的镜头效果 动画 渲染 根据场景的设置、赋予物体的材质和贴图、灯光等 ，由程序绘出一幅完整的画面或一段动画  后期制作 30
  • 31.第 8 章 计算机动画 8.1 用 8.2 8.3 8.4 动画技术的起源、发展与应 计算机动画 计算机动画中常用技术简介 常用的动画软件 31
  • 32.主要的动画技术 参数 关键帧技术 关键 样条驱动技术 变形技术 过程动画技术 关节动画与人体动画技术 基于物理模型的动画技术 行为动画技术 运动捕获技术 32
  • 33.参数 关键帧技术 关键 关键帧技术  给出两幅关键帧，计算机生成中间画面  适合刚体运动模拟 早期  仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状 后来  对运动参数插值，实现对动画的运动控制 33
  • 34.参数 关键帧技术 关键 可归结为 关键参数 的插值问题  位置、方向、大小 9 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,Sz 关键帧插值要求： 关键   能产生逼真的运动效果 用户能方便有效地 控制物体运动的运动学特性 例如，通过调整插值函数改变物体运动的速度和加速度 34
  • 35.参数 关键帧技术 关键 匀速运动的模拟 假定需在时间段 t1 与 t2 之间插入 n(n=5) 帧 终始关键帧之间的时间段被分为 n+1 个子段 其时间间隔为 : △t = (t2 –t1)/(n +1) : t则任一插值帧的时刻为 fj t1  jΔt j = 1, 2, … ,n t1 △t t2 35
  • 36.参数 关键帧技术 关键 加速运动的模拟 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： 1 - cosθ, 0 <θ< π/2 对于插值帧来说，第 j 个插值帧的时刻可由下式得 到: 1 0.9 t fj t1  t (1  cos( j /( 2(n  1)))) 0.8 1-cosθ 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 cosθ 0.2 j = 1,2,…,n 0.1 0 0 t1 0.5 1 1.5 2 t2 36
  • 37.参数 关键帧技术 关键 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： sinθ, 0 < θ < π/2 , 则第 j 个插值帧的时间位置被定义成： 1 t fj t1  t sin( j /(2(n  1))) 0.9 0.8 sinθ 0.7 0.6 0.5 j = 1,2,…,n 0.4 0.3 0.2 0.1 0 t1 0 0.5 1 1.5 2 t2 37
  • 38.参数 关键帧技术 关键 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 所使用的时间变化函数是 : 1/2 (1 – cos θ) 0 < θ < π 得到第 j 个插值帧的时刻为 : t fj t1  t (1  cos( j /( n  1))) 1 0.8 (1-cos)/2θ 0.6 0.4 j = 1, 2,…, n 0.2 0 -0.2 -0.4 cosθ -0.6 -0.8 -1 0 t1 1 2 3 4 t2 38
  • 39.参数 关键帧技术 关键 关键帧动画存在的主要问题   交互响应慢 物体运动的物理正确性和自然真实性难以保 证 39
  • 40.样条驱动技术 样条驱动技术     基于运动学描述 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 指定物体沿该轨迹运动 也称 运动轨迹法 所要解决的基本问题    通过对样条曲线等间隔采样 求出物体在某一帧的位置 从而生成整个动画序列 40
  • 41.样条驱动技术 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 匀速运动时，需要对样条进行弧长参数化 41
  • 42.样条驱动技术 为解决插值的 时间控制 问题  Steketee 提出用双插值方法 位置样条   空间轨迹曲线 物体位置对关键帧的函数 物体位置对关键 运动样条   速度曲线 关键帧对时间的函数 关键 42
  • 43.变形技术   柔性物体 （ soft object ）动画技术 许多商用动画软件都提供变形工具 Softimage 、 Maya 、 3DS MAX 43
  • 44.变形技术 Morphing 技术  指将一个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 个数字图像或者几何形状 T 。 44
  • 45.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 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  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 适用于物体拓扑结构不发生变化的变形操作 45
  • 46.变形技术 自由变形技术（ FFD ）    Free Form Deformation Sederberg 和 Parry 1986 年提出 基本思想    不对物体直接进行变形 而是对物体所嵌入的空间进行变形 引入一种基于三变量 B 样条体的变形工具 Lattice 46
  • 47.三维 FFD 得到鱼 的变形 优点 ：     最实用，适用面最广 间接的与物体表示无关的变形方法 物体的变形是任意的，可由动画师任意控制 对变形的可控性更强 缺点 ：  缺乏对变形的细微控制，如人脸表情 47
  • 48.过程动画 技术  Procedural Animation 或 Random Animation  物体的运动和变形可由一个过程来控制  物体的变形不是任意的  遵循一定的 数学模型 或 物理规律  水波运动，三维森林、草叶随风飘动，火光、 烟雾等特殊光效 48
  • 49.基于物理模型的动画技术   考虑了物体在真实世界中的属性 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  如刚体运动模拟、塑性物体变形运动以及流 体运动模拟等 49
  • 50.关节动画与人体动画技术 50
  • 51.运动捕获技术 Motion Capture 运动捕获的过程：     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，在计算机中以动 条形式表动 出来，形成 动动动动动动动 影中角色的基 动动动动动动 增加皮动动 和外壳之后，那些 动 动 动 动 动 动 动 动动 条就成 动 动 动动 了虚 动 动动 角色 动 51
  • 52.运动捕获技术 好莱坞的 CG 人体动作一般都会采用昂贵的动 作捕获系统录制完成 1998 年获奥斯卡视觉效果成就奖的 《 泰坦尼 克》  沉船时乘客落水的镜头 全三维 CG 影片 《 最终幻想 》  人类面部表情 52
  • 53.运动捕获技术 应用：  电影特效  医学康复动作分析  运动员的动作训练  商业广告  电子游戏娱乐事业 53
  • 54.第 8 章计算机动画 8.1 用 8.2 8.3 8.4 动画技术的起源、发展与应 计算机动画 计算机动画中常用技术简介 常用的动画软件 54
  • 55.微机上的二维动画软件 Adobe 公司出品的 Flash   采用流式播放技术 被广泛用于制作网页动画 Animator Studio  集图像处理、动画设计、音乐编辑、音乐 合成、脚本编辑和动画播放于一体 Fireworks 等 55
  • 56.常用的三维动画软件 3D Studio 与 3DS MAX   美国 Autodesk 公司 3DS MAX 广泛应 应 用于三 应 应应 应 应 画应 应 计、影 应 应 应应 广告 应应 应 计、室内外装 应应 应应 应应 设计等领域 (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 56
  • 57.常用的三维动画软件 Softimage 3D     Microsoft 收购加拿大 Softimage 后，将工作 站上的 Softimage 移植到了 Windows NT 下 用户界面设计很有特色 Mental Ray 渲染器和粒子系统功能，具有很 高的渲染应 量，很快的渲染速度，超 应应 应应应 应应 应应 应应应应 的应 画能力 杰出的应 作控制技 应 应应 应应应 ，如《侏罗纪公园》里 应 身手敏捷的速龙 57
  • 58.常用的三维动画软件 Maya 3D   美国的 Wavefront 公司兼并法国的 TDI 公司，美国的 SGI 公司兼并加拿大的 Alias 公司，其后是 Alias 兼并 Wavefront 改名成为 SGI 属下的加拿大 Alias/Wavefront 公司 1998 年推出超强级三维动画软件 Maya 优点：       交互方便 图形绘制效率高 引进了许多新的动画工具，如 FFD 技术等 强大的粒子系统 强大的三维人物建模工具 其发展大有超过 Softimage 3D 之势 58
  • 59.常用的三维动画软件 LIGHTWAVE 3D   价格低廉，品质出色 全球唯一支持大多数工作平台的 3D 系统 在 Intel(Windows NT/95/98) 、 SGI 、 Sun MicroSystem 、 PowerMac 、 DEC Alpha 等各 种平台上都有一致的操作界面  影视制作的首选软件 使用比例大大高于其它软件 连 Softimage 3D 也甘拜下风 59
  • 60.动画的后期处理 动画的后期处理   影视片段剪辑与特技处理 包括抠像、合成、图像 Morphing 、特殊光效等 软件主要有：     Discreet Logic 公司的 Flint Softimage 公司的 Eddie Alias 公司的 Composer Adobe 公司的 After Effects 、 Premier 60
  • 61.The End ！ 61