第4章计算机动画技术.ppt

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1、1,计算机动画是在传统动画的基础上引入了计算机图形技术，它不仅缩短了动画制作的周期，而且还产生了原有动画制作不能比拟的具有震撼力的视觉效果。计算机动画技术的广泛应用，使我们的世界发生了翻天覆地的变化。,第四章 计算机动画技术,2,4.1 计算机动画概述,4.2 计算机动画的设计方法,4.3 矢量动画制作软件,目录,3,4.1 计算机动画概述,4.1.1 什么是计算机动画,4.1.2 计算机动画的分类,4.1.3 计算机动画的应用,4.1.4 计算机动画的制作环境,4,动画由多幅连续画面组成，当画面快速、连续地播放时，由于人类眼睛存在“视觉滞留效应”而产生动感。,什么是动画,4.1.1 什么是计

2、算机动画,5,最原始的动画,1831年，法国人约瑟夫 安东尼 普拉特奥(Joseph Antoine Plateau)在一个可以转动的圆盘上按照顺序画了一些图片,6,动画的历史,1906年 美国人J斯泰瓦德（JSteward）制作了一部名叫“滑稽面孔的幽默 形象”的短片，非常接近现代动画概念,1908年 法国人Emile Cohl首创用负片制作动画影片，负片从概念上解决了 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,1915年 美国人Eerl Hurd创造了在赛珞璐片上画动

3、画片，再拍成胶片电影 的动画制作工艺，这种工艺一直沿用至今,1928年 美国人华特迪斯尼(Walt Disney)完善了动画体系和制作工艺，被 誉为商业动画影片之父，他把动画影片推向颠峰,今 天 动画本质没有多大变化，而动画制作手段却发生了巨大变化，如：电脑动画、电脑特技动画,7,动画的构成规则,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,8,全动画与半动画,半动画 又名“有限动画”，为追求经济效益，6帧s的动画,1 2 3 4 5 6,9,传统动画,6)上色人员为赛珞璐片上色,传统动画是怎样制成的,10,计算

4、机动画,计算机动画的发展,11,计算机动画是借助计算机技术生成一系列的画面，其中当前帧画面是对前一帧的部分修改，是采用连续播放静止图像的方法产生景物运动的效果。这里的运动泛指使画面发生改变的所有动作，比如放大、缩小、变形、旋转、颜色变化等。,计算机动画,12,由多帧连续图像组成的动画效果,13,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”。它们最重要的特征有两点：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

5、设计者的想像和虚幻创造出来的，而不是原本就存在由摄影机记录下来的景物。,14,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。以传统的电影胶片为例，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。,计算机动画的视觉原理,15,电影中动画的播放速度是24帧/秒，画面中的情景是连续和流畅的。但仔细观看电影胶片会发现画面并不连续。只有以一定的速率把胶片投影到银幕上才有运动的效果，这种现象可由视觉滞留原理来解释，即人

6、眼所看到的影像会在视网膜上滞留十分之一秒。这是动画制作的主要理论基础。,16,4.1.2 计算机动画的分类,1.按系统的功能强弱分为5级：第一等级：只用于交互产生、着色、存储、检索和修改图像，由于不考虑时间因素,相当于一个图像编辑器 第二等级：实现中间帧的计算，并能使物体沿着某条轨迹运动，可代替人工制作中间帧。第三等级：可以提供一些形体的操作(平移、旋转等)，同时也包括虚拟摄像机的操作(镜头推移、倾斜变化等),17,第四等级：提供了定义角色的方法，这些角色具有自己的运动特色。第五等级：智能动画系统，系统可以自学习。前四个等级的动画系统已有许多商品化的产品问世，而智能动画系统正在研究中。现在又出

7、现了一些新的研究方向，像人工生命、虚拟生物等。,18,2.按运动的控制方法分为关键帧动画和算法动画：关键帧动画是通过一组关键帧或关键参数值得到中间的动画帧序列。二维形状插值插值关键帧本身关键参数插值插值物体模型的关键参数值 算法动画又称模型动画或过程动画，是采用算法实现对物体的运动控制或模拟摄像机的运动控制，一般适用于三维动画。运动学算法 动力学算法 逆运动学算法 逆动力学算法 随机运动算法,19,3.按动画制作原理分为二维和三维动画：二维动画(计算机辅助动画)：用来实现中间帧生成，即根据两个关键帧生成所需的中间帧(插补技术)。从功能上看，属于第二等级。三维动画(计算机生成动画)：是采用计算机

8、技术来模拟真实的三维空间，从功能上看，属于第三、四等级。计算机动画真正具有生命力是由于三维动画的出现，它与二维动画相比有一定的真实性，同时与真实物体相比又具有虚拟性，二者构成了三维动画所特有的性质，即虚拟真实性。,20,4.1.3 计算机动画的应用,21,1.影视与广告 主要用于制作电视广告、卡通片、电影片头和电影特技等。影视广告：计算机动画可制作出神奇的视觉效果，以取得特殊宣传效果和艺术感染力。玩具总动员：没有真人演员表演故事片，这部长达77分钟的影片全部由计算机动画和计算机合成图像组成。侏罗纪公园：是计算机动画在影视制作中的得意之作，曾获奥斯卡最佳视觉效果奖。,22,2.科学计算与工程设计

9、 科学计算可视化：通过计算机动画以直观的方式将科学计算过程及结果转换为几何图形图像显示出来，便于研究和交互处理。工程设计：工程图纸设计完后，指定立体模型材质，制作三维动画。如建筑行业中楼房建筑的透视和整体视觉效果。,23,24,25,26,27,3.模拟与仿真 计算机动画技术第一个用于模拟的产品是飞行模拟器，它在室内就能训练飞行员模拟起飞和着陆，飞行员可以在模拟器中操纵各种手柄，观察各种仪器以及在舷窗能看到机场跑道和山、水等自然景象。在航天、导弹和原子武器等复杂的系统工程中，先建立模型，再用计算机动画模拟真实系统的运行，调节参数，获得最佳运行状态。,28,29,4.教育与娱乐,多媒体教学：计算

10、机动画为教师改进教学手段、提高教学质量提供了强有力的工具。,娱乐：利用计算机动画产生模拟环境，使人有身临其境的感觉。,5.虚拟现实技术,虚拟现实是利用计算机动画技术模拟产生的一个三维空间的虚拟环境。人们可借助系统体提供的视觉、听觉甚至嗅觉和触觉等多种设备，身临其境地沉侵在虚拟的环境中，就像在真实世界中。,30,硬件配置,图形工作站或多媒体电脑 高速CPU 足够大的内存 大量的硬盘空间,1,特殊的输入输出设备，如 扫描仪、摄像机、视频卡等,4,4.1.4 计算机动画制作环境,31,Animator Pro 平面动画制作软件。用于制作帧动画，绘制功能强,Animation Studio 平面动画处

11、理软件。用于加工帧动画，处理能力强,Flash MX 网页动画软件。用于绘制帧、矢量动画，可添加声音,WinImage:morph 变形动画软件。根据首、尾画面自动生成变形动画,GIF Construction 网页动画软件。把动画和图片序列转换成网页动画,3D Studio Max 三维动画制作软件。用于制作三维造型动画,Cool 3D 三维文字动画软件。用于制作帧动画、视频,Maya 三维动画制作软件。用于制作动画片、广告、电影等,Premiere 动画视频处理软件。用于处理视频、广告、电影等,软件配置,1.系统软件 操作系统、高级语言、诊断程序等2.动画软件,32,3D Studio M

12、AX动画软件：3DS MAX是美国Autodesk公司在PC机上开发的实体造型、真实感显示和动画制作软件。版本：1.0/2.0/2.5/3.0/3.1/4.0/4.2/5.0/7.0,33,Softimage动画软件：Softimage是加拿大Softimage公司开发的一套三维动画软件，它已被广泛应用于电影、电视和广告制作等领域。曾轰动一时的侏罗纪公园中栩栩如生的恐龙形象的动作，就是该软件设计制作的。该软件系统包括五个模块：Model(造型)Matter(材质)Motion(运动)Tools(工具箱)Actor(演员系统),34,计算机动画是高科技与艺术创作的结合，它需要科学的设计和艺术的构

13、思，这些在制作之前的方案性思考，称为创意，是动画的灵魂。创意有宏观和微观两个层面。宏观(战略创意)：指整个设计行动的统筹安排(战略策划高度)。微观(战术创意)：指具体动画作品的意境构思及手法选择(小点子、小安排)。,一、计算机动画创意的概念,4.2 计算机动画的设计方法,35,创意技巧 创意不会凭空而来，需要各方面知识的积累。技巧：拟人反向夸张判断标准：创意独特、立意新颖 主题突出、构思完整 情节合理、定位准确,36,1.动画时间分配的技巧 动画的时间：动作需要多少帧完成（放映速度固定）飘动的旗帜：6帧 雪花：3种，两秒 急速跑步：4帧 快跑动作：8帧 慢跑：12帧 大象：1-1.5秒 猫：0

14、.5 秒 老鹰：9帧 小麻雀：2帧,二、动作的设计与创意,37,2.自然物体规律及设计 旋转物体：当物体抛向空中时，其重心沿抛物线运动，到顶点时速度减慢，下降时速度加快 强调运动：为了强调运动，有时要加入一些视觉效果。如开枪射击时枪管突然后退，射击本身是通过很强烈的猛推效果和随枪管再冲向前时一股较慢的喷烟在视觉上展现的。,38,振动物体：快速振动 弹簧片的震动 柔性振动 旗帜的飘动,39,3.动物动作规律及设计 鸟类：鸟越大，动作越慢 鸟越小，动作越快 翅膀越大，鸟躯干上下运动越明显,40,昆虫：昆虫翅膀的扇动速度远远快于普通鸟类，利用翅膀模糊技术（如蜜蜂）。设计时应先勾勒出路线。,41,兽类

15、：四条腿的兽类在运动时，必须注意前腿动作如何与后腿动作相配合。如牛的右前腿向前时，右后腿在后；在右前腿向后时，右后腿向前。,42,3.人物动作规律及设计 人的走路动作：左右两脚交替向前；为了求得平衡，当左脚向前时左手向后摆动，当右脚向前时右手向后摆动。,43,人的奔跑动作：身体中心前倾，手臂成屈曲状，两手自然握拳，双脚的跨步动作幅度较大，头的高低变化也比走路动作大。,44,人的面部表情：面部的动作变化能体现人物的情绪和性格，但也更加复杂。,45,46,1.片头设计的长度 电视栏目片头：20s 电视台台标：30s 明白的片头长度：12s 印象感：0.4s 形象感:0.7s 分辨微小动作:1s 静

16、止画面，想看其他画面:3-5s 静止画面，产生厌烦感:5s,三、片头的设计与创意,47,2.电影片头的设计 电影片头可以通过把影片最扣人心弦的核心展示出来，可只提问题不解决问题，以造成一定的悬念使观众急于相探索其中的究竟。右图是第十一届亚运会“体育大舞台”电影片头的一个镜头。,48,3.电视片头的设计 电视节目片头：5,10,15,20,60秒 电视栏目片头：12-20秒，字幕是栏目片头设计中主要的艺术设计形象。4.电视广告的设计 电视广告通过近在咫尺的屏幕，能使观众见其形而闻其声，具有极大的感染力。制作电视广告，要让观众接受重点内容，除必要重复外，还应多选中、近镜头。,49,4.3实现计算机

17、动画的主要技术方法,1 关键帧动画2 路径动画3 变形动画4 过程动画5 粒子动画6 人物动画,50,1 关键帧动画,动画制作中的一段连续画面是由一系列静止的画面来表现的，但在制作过程中并不需要逐个画面进行绘制，只需选出少数几个画面加以绘制。被选出的画面一般都出现在动作变化的转折点处，对这段连续的动作起着关键的控制作用，因此称为关键帧(Key Frame)。关键帧技术是计算机动画中最基本并且运用最广泛的方法。,51,第1帧和第8帧是关键帧，其余各帧(2-7帧)可由插值算法生成,绘制出关键帧之后，再由计算机对关键帧进行插值，插入中间画面，就完成了动画制作，因此称作关键帧动画。,52,2 路径动画

18、,路径动画就是由用户根据需要设好一个路径后，使场景中的对象沿路径运动。比如模拟飞机的飞行、鱼的游动等都可以使用路径动画来制作。运动路径是用户画出的动画对象运动的曲线，由关键点控制。,53,3 变形动画,变形可以是二维或三维的，基于图像的Morph变形是一种常用的二维动画技术。有两种形式：图像之间的插值变形(Morph)和图像本身的变形(Warp)。图像本身变形方法：先定义图像的特征结构，然后按特征结构变形图像。两幅图像间的变形方法：先分别按特征结构对两幅原图像本身做变形操作，然后从不同的方向渐隐渐显地得到两个图像系列，最后合成变形结果。,54,图像的特征结构是由结构矢量构成的对图像框架的描述结

19、构，比如，两个画面之间的对应点关系。,变形动画,55,4 过程动画,过程动画指的是动画中物体的运动或变形用一个过程来描述。在过程动画中，物体的变形要基于一定的数学模型或物理规律。简单的过程动画是用一个数学模型去控制物体的几何形状和运动，如水波的运动；复杂的过程动画包括物体的变形、弹性理论、碰撞检测等。,过程动画模拟的水波效果,56,5 粒子动画,对一些随机景物(如火焰、气流、瀑布等)的描述，可采用粒子系统的原理，将随机景物想象成由大量的具有一定属性的粒子构成，每个粒子都有自己的粒子参数，如初速度、加速度、运动轨迹和生命周期等，它们决定了随机景物的变化。,粒子动画创作的真实感云层,57,6 人物

20、动画,人物动画技术一直是计算机图形学中的难题，目前常用的有运动捕捉技术、三维扫描技术。运动捕捉技术是通过分析人体运动序列图像来提取人体关节点的三维坐标，从而得到人体的运动参数，因此能够获得完全真实的人体动画。左图是一个被贴了标示物(白色小球)的演员在场地中跑步，右图是Vicon370系统所采用的特殊红外照相机，只捕捉白色标示物。,58,三维扫描技术又称为三维数字化技术，它能对立体的实物进行三维扫描，迅速获得物体表面各采样点的三维空间坐标和色彩信息，从而得到物体的三维彩色数字模型。部分特殊的三维扫描装置甚至能得到物体的内部结构。,三维激光扫描成像,三维扫描仪,59,4.3 矢量动画制作软件,4.

21、3.1 Flash MX 概述,4.3.2 Flash MX 基本操作,4.3.3 图形与图像的绘制,4.3.4 元件与图库,4.3.5 Flash MX 动画制作,60,4.3.1 Flash MX 概述,Flash是由美国Macromedia公司出品的用于矢量图编辑和动画创作的专业软件。Flash号称“网页制作三剑客”(Dreamweaver、Fireworks和Flash）之一。它以其强大的矢量动画制作和灵活的交互功能，成为多媒体网页动画制作软件的主流，逐渐占据了网络广告的主体地位。它的动画文件格式SWF甚至已经成为当前网络动画的标准格式。,61,Flash MX 的窗口组成,62,63

22、,场景和工作区,场景：是用户在创作时观看自己作品的场所，也是用户对动画中的对像进行编辑和修改的场所。工作区：是场景周围的灰色区域，通常用作动画的开始点和结束点的设置。即动画对像进入和退出场景时的位置设置。,64,时间轴面板（一）,65,时间轴面板（二）,66,帧动作面板,属性面板,67,4.3.2 Flash MX 基本操作,2.导入对象:【文件】|【导入】，执行命令前要先在时间轴上确定导入文件所在的帧。,3.预览动画：【控制】|【测试影片】，或按下【Ctrl+Enter】组合键。,4.输出动画：【文件】|【导出影片】，导出文件的默认格式是*.swf。,1.创建Flash文件:【文件】|【新建

23、】。在开始制作Flash动画前，应该通过属性面板确定屏幕大小等属性。,68,4.3.3 图形与图像的绘制,1、绘图工具2.图形编辑,69,1.绘图工具,直线工具：用来绘制任意的矢量线段。钢笔工具：用来绘制任意形状的图形，通过拖动调节杆调整曲线的弧度。椭圆工具：绘制实心或空心的椭圆，绘制过程中按住Shift键可以绘制正圆。矩形工具：绘制长方形，绘制过程中按住Shift键可以绘制正方形，选中选项区中的圆角矩形半径按钮，可以绘制圆角矩形。铅笔工具：绘制矢量线段和各种图形。文本工具：输入文字。选择一种工具后，可以通过属性面板修改所选工具的相关属性。,70,2.图形编辑工具,箭头工具：可以选取对象、移动

24、对象以及改变对象的形状，将鼠标移到图形的边缘，按下左键拖动就可以改变图形的形状。选取工具：用来编辑对象的形状，将鼠标移到对象的边缘单击后出现许多控制点，调整控制点可改变图形的形状。套索工具：可以拖动出任意形状的选取范围，而箭头工具只能拖动出矩形范围。橡皮工具：擦除对象，有多种擦除方式。自由转换工具：对对象进行旋转、缩放、扭曲等变形操作。填充转换工具：对图形进行各种填充颜色的变形处理。,71,4.3.4 元件与图库,72,元件是指用户在Flash中创建的图形、按钮和影片剪辑三种元素。元件创建后会自动添加到当前文件的库中，可以在当前文件或其他文件中重复使用。图形元件用于创建可反复使用的图形；按钮元

25、件用于创建动画的交互控制按钮，以响应鼠标事件；影片剪辑元件本身也是一个动画，可独立播放。,1.元件概述,73,创建元件：选择插入|新建元件命令，打开创建新元件对话框进行设置。选择元件：在元件编辑窗口中单击场景1，切换至场景1窗口。选择窗口|库命令，打开库面板。将选中的元件拖入场景中即可。编辑元件：双击元件进入元件窗口中编辑；在元件的属性面板中设置元件的颜色和效果。,2.元件操作,74,3.使用图库,图库用于存放和组织可重复使用的元件。将元件从图库拖入场景中，就生成了该元件的一个实例。实例是元件的复制品，元件本身仍存放在图库中，对实例的修改不会影响图库中元件的属性，但改变元件的属性，实例的属性也

26、随之变化。,打开库面板：窗口|库命令。,75,4.3.5 Flash 动画制作,76,1.动画组成,Flash动画由帧、图层及场景組成。帧是存放动画元件的地方，同时设定影片的长度。图层用于区分不同的动画元件，控制动画中元件的出现顺序，设定每一元件的运动轨迹。场景的功能：有如舞台剧的每一幕,77,2.动画类型,动画类型：逐帧动画和补间动画。逐帧动画是将动画中的运动部分分解成多个动作，然后在连续的帧上逐个制作这些分解动作。补间动画只需要制作连续动作的第一帧和最后一帧的内容，中间帧的动画过程由Flash自动完成。,78,补间动画分为运动渐变动画(动作补间)和形状渐变动画(形状补间)，二者最重要的差别

27、在于作用对象不同。运动渐变动画必须作用在元件、群组对象、文字对象、位图上，可以制作出引导动画（路径动画）的特殊效果。形状渐变动画只能作用在矢量图形上，可以制作出遮罩动画的特殊效果。,79,80,3.制作流程,新建文件并安排场景：通过属性面板确定动画的屏幕大小和播放速度 插入动画对象：图形、群组、文字、位图、元件、声音等媒体素材 设定动画效果并测试动画保存文件，输出动画,81,4.注意问题,多运用补间动画设计动画效果，减少逐帧动画中关键帧的数量 尽量将动画对象创建成元件 多使用图库中的元件来制作动画 动画中的静态部分和动态部分要在不同的图层中制作 尽量少用位图，使用文件大小较小的位图，或是将位图转换为矢量图,