哈尔滨工业大学
计算机科学与技术学院
苏小红
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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
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动画技术的起源、发展与应用
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
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动画技术的起源、发展与应用
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。
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动画技术的起源、发展与应用
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
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动画技术的起源、发展与应用
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
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动画技术的起源、发展与应用
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
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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
,侏罗纪公园,
? ILM( Industrial Light & Magic)实验室制
作的恐龙片断
? 荣膺该年度的奥斯卡最佳视觉效果奖
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动画技术的起源、发展与应用
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
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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
浙江大学,中科院计算所,数学所等
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计算机动画的应用
1,商业广告制作
2,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
3,电脑游戏制作
4,影视 特技 制作
5,国防军事、工业制造、医 疗卫生、法
律(如事故分析)、娱乐,可视化教
学、飞行模拟、生物工程、艺术等
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计算机动画的未来 ( 1/4)
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
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计算机动画的未来 ( 2/4)
“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
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计算机动画的未来 ( 3/4)
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
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计算机动画的未来 ( 4/4)
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
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传统动画
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
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计算机 动画
随着计算机动画技术的发展,尤其是以实时
动画为基础的 Vidio game的出现
不全面,局限
动画不只是产生运动的效果
还包括变形、变色、变光等
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每秒 24-30帧,18帧
1,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 二维卡通动画片
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制作动画的 传统方法( 2/2)
2,设计,具体场景及演员动作、音乐,布景,背景图,
3,音轨,动画制作前录音,对话,音乐与动作保持同步
4,动画制作
5,中间帧
6,静电复制和墨水加描:草图 醋酸纤维胶片
7,绘制(渲染),着色
8,检查
9,拍摄
10,剪辑
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计算机在动画中所起的作用( 1/2)
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。
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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
? 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
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计算机动画系统的分类
根据系统的功能分五级
五级
四级
一级
二级
三级
交互式造型、着色,相
当于一个图形编辑器
计算并生成插补帧,代
替插补员的工作
模拟虚拟摄像机操作
定义角色,动画形体
具有学习能力,有待于
人工智能技术的发展
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计算机辅助二维动画
1,设计脚本
2,绘制关键画面
3,加层控制
4,中间画面实时预演
5,着色渲染
6,生成文件进行编辑
7,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
就像文字处理机与文字作家的关系一样
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计算机辅助三维动画 ( 1/2)
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

? 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
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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
2,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
4,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
6,对动画进行预演
7,加工处理
8,将存储在计算机中的图像序列录制到录像带
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实时动画和逐帧动画
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
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电影拍摄与电视拍摄
基本原理相同,不同之处主要表现在:
? 存储介质不同
? 播放速度不同
电影
? 每秒 24帧
电视:
? PAL制:每秒 25帧
? NTSC制:每秒 30帧
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特殊效果( 1/2)
慢动作
? 高速拍摄、正常播放
快动作
? 低速拍摄、正常播放
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运动序列中画面的切换
? 直接切换
? 推拉( zoom)
? 摇移( pan )
? 俯仰( Tilt)
? 淡入 /淡出 (fade in/fade out)
? 软切,也称溶镜( Dissolve)
? 交叉淡化
? 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


n


n+1
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主要的动画技术 ( 1/24)
参数 关键 帧技术
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
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主要的动画技术 ( 2/24)
1,参数 keyframe
? 给出两幅关键帧,计算机生成中间画面
? 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
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主要的动画技术 ( 3/24)
可归结为 关键参数 的插值问题
? 位置,色彩、纹理
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
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主要的动画技术 ( 4/24)
与纯数学插值问题不同:
? 一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的
? 但从运动学或动画设计角度看,则可能是错误的
关键 帧插值要求:
? 能产生逼真的运动效果
? 用户能方便有效地 控制运动的运动学特性
? 例如,通过调整插值函数改变运动的速度和加速度
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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)
则任一插值帧的时刻为,
j = 1,2,…,n
主要的动画技术 ( 5/24)
△ tt1 t2
tjtt fj Δ?? 1
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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,
j = 1,2,…,n
主要的动画技术 ( 6/24)
0 0, 5 1 1, 5 2
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 4
0, 5
0, 6
0, 7
0, 8
0, 9
1
1-cosθ
cosθ
t1 t2
) ) ) )1(2/(c o s (1(1 ????? njttt fj ?
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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:
j = 1,2,…,n
主要的动画技术 ( 7/24)
0 0, 5 1 1, 5 2
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 4
0, 5
0, 6
0, 7
0, 8
0, 9
1
sinθ
t1 t2
)))1(2/(s i n (1 ???? njttt fj ?
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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,
j = 1,2,…,n
主要的动画技术 ( 8/24)
0 1 2 3 4
-1
- 0, 8
- 0, 6
- 0, 4
- 0, 2
0
0, 2
0, 4
0, 6
0, 8
1
(1-cos)/2θ
cosθ
t1 t2
)))1/(c o s (1(1 ????? njttt fj ?
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主要的动画技术 ( 9/24)
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
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主要的动画技术 ( 10/24)
2,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
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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
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
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主要的动画技术 ( 12/24)
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
运动样条
? 速度曲线
? 关键 帧对时间的函数
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主要的动画技术 ( 13/24)
3,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,Alias,Maya,3DS MAX
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主要的动画技术 ( 14/24)
Morphing技术
? 指将一个给定的数字图像或者几何形状 S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。
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主要的动画技术 ( 15/24)
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
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主要的动画技术 ( 16/24)
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
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主要的动画技术 ( 17/24)
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
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主要的动画技术 ( 18/24)
4,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
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主要的动画技术 ( 19/24)
5,关节动画与人体动画技术
? 运动学、动力学方法
? 用球体作为基本体素来构造人体
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主要的动画技术 ( 20/24)
6,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
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主要的动画技术 ( 21/24)
7,行为动画
? Behavioral Animation
? 要求实时性,VR
处于初级阶段,文章少
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主要的动画技术 ( 22/24)
8.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,在计算机中以线条形式表现出来,形成电
影中角色的基础
? 增加皮肤和外壳之后,那些线条就成为了虚拟角色
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主要的动画技术 ( 23/24)
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
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主要的动画技术 ( 24/24)
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
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微机上的二维动画软件
Macromedia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
COOL 3D
Firework等
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常用的三维动画软件( 1/4)
3D Studio与 3DS MAX
? 美国 Autodesk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
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常用的三维动画软件( 2/4)
Softimage 3D
? Microsoft收购加拿大 Softimage后,将工作站上
的 Softimage移植到了 Windows NT下
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常用的三维动画软件( 3/4)
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
? 其发展大有超过 Softimage 3D之势
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常用的三维动画软件( 4/4)
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
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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