第 4 章计算机动画技术

第4章 计算机动画技术

4.1 计算机动画基础 传统动画：通常认为第一部动画影片是由J.Stewart Blackton于1906年创作的滑稽脸的幽默面。 1946年美国创作第一部长篇真人与动画合演的动画片《南方之歌》。制作流程：根据剧本中的人物和活动场景，先用铅笔画在动画纸上，然后用钢笔把线条描在透明的化学板(赛璐璐)上，再用毛笔在化学板的反面涂上各种颜色。把已绘制好的背景和人物合在一起，放在平面的摄影台上，由摄影师一张一张地拍成电影胶片，再冲洗出电影影像。 4-2

在拍摄动画片大闹天宫时，几十位动画工作者花了近两年的时间才完成,共绘制了600多万张图画。 4.1 计算机动画基础美国迪士尼公司于1937年创作的第一部长达83分钟的大型动画片《白雪公主和七个小矮人》，共绘制了两亿张草图，最后用来拍摄的图画有250000张。 4-3

计算机动画：1964年,Bell实验室的Ken Knowlton博士制作了第一部计算机动画片。1971年，被称为计算机动画之父的Nestor Burtnyk和Marceli Wein 提出了计算机产生关键帧动画技术,并应用该技术开发了MSGEN二维动画系统。《玩具总动员》《侏罗纪公园》《泰坦尼克号》 4.1 计算机动画基础 4-4

一、动画与计算机动画 动画是通过一定速度播放的连续画面来显示运动和变化的过程。其含义有： ①播放速度：24f/s、25f/s、30f/s。 ②运动过程：动画的本质。 ③变化过程：色彩变化、光强变化。计算机动画是借助于计算机生成一系列连续图像并动态播放的计算机技术。 4.1 计算机动画基础 4-5

二、计算机动画的分类 1.按动画的系统功能分类第一级：用于交互产生、着色、存储、检索和修改图像，不考虑时间(图像编辑器)。第二级：实现中间帧的计算。第三级：提供形体的操作(平移、旋转)。虚拟摄像机的操作(镜头推移)。第四级：定义角色。第五级：智能动画系统(自学习能力)。 4.1 计算机动画基础 4-6

2.按动画的制作原理分类 ⑴二维动画(计算机辅助动画) 二维动画可实现中间帧生成，即根据两个关键帧生成所需的中间帧(插补技术)。二维动画系统的功能(第二级) ①中间帧画面生成 ②着色 ③预演 ④后期制作 4.1 计算机动画基础 4-7

⑵三维动画(计算机生成动画) 三维动画是采用计算机技术来模拟真实的三维空间(虚拟真实性)。三维动画系统的功能(第三、四级) ①定义角色 ②构造几何造型 ③设置运动和灯光 ④调整材质和贴图 ⑤生成连续画面 4.1 计算机动画基础 4-8

三、计算机动画文件格式 1.GIF(Graphics Interchange Format) 在一个文件中同时存储若干幅静止图像，并进而形成连续的动画。 2.SWF(Shock Wave Flash) Flash软件的专用格式，支持矢量图形和点阵图像，可与HTML文件充分结合，广泛应用于网页。 3.FLIC(FLI/FLC) Autodesk公司在其2D/3D动画制作软件中采用的彩色动画文件格式，FLIC是FLC和FLI的统称。 4.1 计算机动画基础 4-9

4.QTM（Quick Time） Apple公司的动画文件格式，能通过Internet提供实时的数字化信息流、工作流与文件回放，可用于保存音频和运动视频信息。 5.VRML（Virtual Reality Modeling Language）面向Web，用于建立真实世界的场景模型或虚构三维世界的场景建模语言，具有平台无关性。 4.1 计算机动画基础 4-10

四、计算机动画的应用 1.影视广告主要用于制作电视广告、电视片头、卡通片、电影片头和电影特技等。电视广告：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。电影《玩具总动员》：没有真人演员表演的故事片，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。 4.1 计算机动画基础 4-11

2.工程设计 计算机辅助设计/制图，正朝着利用计算机动画的后期预览发展。工程图纸设计完后，指定立体模型材质，制作三维动画。如机械运动的效果、楼房建筑的透视和整体视觉效果。 4.1 计算机动画基础 4-12

3.飞行模拟 飞行模拟器：它能训练飞行员模拟起飞和着陆、操纵各种手柄、观察各种仪器以及在舷窗能看到机场跑道或自然景象等。在航天、导弹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。 4.1 计算机动画基础 4-13

4.教育与娱乐 教育：利用计算机动画可将各种现象或模型形象生动地表现出来，如化学反应时分子结构变化、机器结构模型拆装。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。 4.1 计算机动画基础 4-14

5.科学计算可视化 通过计算机动画将科学计算过程及结果转换为图形或图像并显示出来，如计算标量数据场、流体动力学分析等。 4.1 计算机动画基础 4-15

6.虚拟现实技术 利用计算机动画模拟产生一个三维空间的虚拟环境系统。视觉、听觉、触觉、嗅觉等。 4.1 计算机动画基础 4-16

4.2 计算机动画的制作环境 一、计算机硬件与软件环境 1.硬件配置图形工作站：SGI、SUN、IBM、HP 高档微型机：Pentium、Macintosh 输入设备：图形输入板、扫描仪输出设备：视频输出、胶片输出 4-17

4.2 计算机动画的制作环境 2.软件环境 ⑴系统软件操作系统、诊断程序、开发环境和工具 ⑵动画软件二维动画软件： TOONZ：二维卡通动画制作系统 SGI/IRIX，PC/Windows 4-18

4.2 计算机动画的制作环境 RETAS PRO：专业二维动画制作系统适用于PC、Apple机 USAnimation：二维卡通制作系统代表作——《美女和野兽》点睛辅助动画制作系统：我国第一个拥有自主版权的计算机辅助制作动画系统。代表作——《海尔兄弟》 4-19

4.2 计算机动画的制作环境 三维动画软件： Softimage 3D：擅长于卡通造型和角色动画，如《侏罗纪公园》中恐龙的制作。 MAYA：擅长于人物或动物动画，如《泰坦尼克号》中许多画面的制作。 3DS Max：广泛应用于的三维建模、动画、渲染软件，制作高质量动画、广告等。 Poser：专门用来制作人体，它可以产生各种类型的人物，如男人、女人、小孩等。 4-20

4.2 计算机动画的制作环境 二、二维动画基本制作过程 1.二维动画制作与三维动画制作的区别二维动画制作在方法上沿用传统的动画制作技术，关键帧画面需手工绘制，对动画人员的绘画艺术能力要求较高。三维动画的制作是由物体建模、设计材质、放置灯光和摄像机、设置动画和渲染输出等一系列过程来完成的。传统手绘方法被完全取消，更多取决于计算机和相应软件的性能，更注重动画人员在技术方面的操作能力。 4-21

4.2 计算机动画的制作环境 2.二维动画基本制作过程 (1)前期策划。包括制定企划草案，进行市场调研，创作文学剧本与分镜头剧本，以及美术设计等方面。 (2)素材制作。根据前期策划收集或者绘制合适的素材。素材包括背景图片、音效、视频剪辑等多种形式。 (3)动画制作。首先需要根据动画分镜头剧本中的每个小画面设计角色动作并为动画角色设计每个镜头的关键画面，然后利用绘图工具绘制动画中的关键帧画面，再利用Flash制作中间帧等。 4-22

4.2 计算机动画的制作环境 ⑷调试优化。优化动画节奏、色彩、声音以及播放效果等的过程，保证作品的最终效果与质量。 ⑸测试动画。在不同配置的电脑上对动画进行播放、下载等测试，根据测试结果对动画作品进行调整和优化，保证动画在不同环境下保持良好的播放效果。 ⑹发布动画。根据动画的用途、使用环境进行输出格式、画面品质和声音等的设置，用于网络传播的动画作品应充分考虑网速对动画播放速度的影响，权衡设置。 4-23

4.2 计算机动画的制作环境 三、三维动画基本制作过程 ⑴建模。是动画师根据前期的造型设计，通过三维建模软件在计算机中绘制出角色模型的过程。 ⑵材质贴图。材质就是对模型赋予生动的表面特性，如物体的颜色、透明度、反光度、反光强度、自发光及粗糙程度等。贴图是指把二维图片通过软件的计算贴到三维模型上，形成表面细节和结构。 4-24

4.2 计算机动画的制作环境 ⑶灯光。设置灯光目的是最大限度地模拟自然界的光线类型和人工光线类型。 ⑷摄像机控制。依照摄影原理在三维动画软件中使用摄影机工具，实现分镜头剧本设计的镜头效果。摄影机功能只有情节需要才使用，不是任何时候都使用。 ⑸动画。根据分镜头剧本与动作设计，运用已设计的造型在三维动画制作软件中制作出一个个动画片段。 4-25

4.2 计算机动画的制作环境 ⑹渲染。渲染是指根据场景的设置、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。 ⑺合成剪接。主要是将之前所做的动画片段、声音等素材，按照分镜头剧本的设计，通过非线性编辑软件的编辑，最终生成动画影视文件。 4-26

4.3 计算机动画的设计方法 一、计算机动画创意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构思，这些在制作之前的方案性思考，称为创意。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)。 4-27

4.3 计算机动画的设计方法 创意思考的技巧： ①拟人：把事物人格化，使之具有人的灵性和感情，从而使作品内容具体形象、生动活泼。 ②反成：人们对某种事物的认识往往形成思维定势，按常规去表现该事物，难免落入俗套。如果一反常规，改变事物的形态，反而给人耳目一新、出其不意的感觉。 ③夸张：对事物固有的形态、特点作出出人意料的发挥，往往能强烈的表达作品主题思想。 4-28

二、动画动作的设计 1.动画时间的分配动画时间：一个动作要用几帧来完成。放映速度：24f/s、25f/s、30f/s 动画电影：只画12张，重复1次→1秒 4.3 计算机动画的设计方法 4-29

2. 物体运动规律及设计方法 自然物体都有重量、结构和一定的柔韧性，动画制作时还要考虑牛顿定律。 ⑴旋转物体当物体抛向空中或降落地面时，其重心沿抛物线运动，到顶点时速度减慢，下降时速度加快。不规则的物体在运动过程中还要旋转。 4.3 计算机动画的设计方法 4-30

⑵振动物体 快速振动：弹簧片的震动柔性振动：旗帜的飘动 4.3 计算机动画的设计方法 ⑶往复运动物体 4-31

3.动物动作规律及设计方法 ⑴飞鸟类鸟越大，翅膀动作越慢；鸟越小，翅膀动作越快。 4.3 计算机动画的设计方法 4-32

⑵昆虫类 多数昆虫都有翅膀，但其扇动速度远快于普通鸟类，这就需要用一种特殊方法来处理(翅膀模糊技术)。 4.3 计算机动画的设计方法 4-33

⑶兽类 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。 4.3 计算机动画的设计方法 4-34

4.人物动作规律及设计方法 ⑴人的走路动作左右两脚交替向前。为了保持身体的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。 4.3 计算机动画的设计方法 4-35

⑵人的奔跑动作 身体重心前倾，两手自然握拳，手臂成屈曲状，双脚的跨步动作幅度较大，头的高低变化也比走路动作大。 4.3 计算机动画的设计方法 4-36

⑶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。 4.3 计算机动画的设计方法 4-37

三、影视片头的设计 1.片头设计的长度电视栏目片头的时间长度：20ｓ电视台台标的时间长度：30ｓ 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。二维动画：人物、动物等柔软复杂实体三维动画：变形、真实感强的造型物体 4.3 计算机动画的设计方法 4-38

3.电视片头的设计 电视节目片头：5、12、20、60ｓ新闻、评论类：严肃庄重文艺、少儿类：轻松活泼电视栏目片头：12～20ｓ字幕是电视栏目片头设计中主要的艺术设计形象，这是以线为主的点、线、面组合的表现艺术。 4.3 计算机动画的设计方法 4-39

4.4 矢量动画制作软件 一、Flash概述 1.Flash的发展简史 4-40

4.4 矢量动画制作软件 续表

2.基本功能 绘图功能：可以使用Flash完成图形绘制、特殊字形处理等方面工作。动画功能：即使没有绘画基础也可以使用Flash提供的动画工具,编辑从外部导入的图像，制作出动画。编程功能：Flash提供了几百个关键词,用来制作交互式动画。 4.4 矢量动画制作软件以上3部分功能是相对独立的。 4-42

3.动画特点 Flash动画是一种交互的矢量动画，能在低数据传输率下实现高质量的动画效果。矢量图形：任意调整图形或色块的颜色交互式动画：用户对动画进行控制流式播放技术：边下载边播放多种文件格式：图形图像、声音、视频插件工作方式：Flash Player插件 4.4 矢量动画制作软件 4-43

4.应用领域 MTV、动画短片、广告、交互游戏等。 4.4 矢量动画制作软件 4-44

5.工作界面 标题栏、菜单栏、工具栏、工具箱 4.4 矢量动画制作软件 4-45

4.4 矢量动画制作软件 4-46

舞台和工作区：创作时观看作品的场所 属性面板：取决于当前选定的内容，可显示当前文档、帧或工具的信息和设置。 4.4 矢量动画制作软件时间轴面板：用于组织和控制文档内容在一定时间内播放的层数和帧数。 4-47

二、Flash基本操作 [例题]制作一个移动的变色圆。 ①打开Flash，选择红色。 ②选择椭圆工具，在舞台左上方画一个小圆。 ③右击第30帧，选择插入空白关键帧。 ④选择蓝色，在舞台右下方画一个较大圆。 ⑤选中第1帧，属性面板/补间→形状。 ⑥选择控制/播放。 4.4 矢量动画制作软件 4-48

(1)创建Flash文件 文件/新建，工具栏→“新建”按钮 (2)设置文档属性修改/文档，属性面板→文档属性 4.4 矢量动画制作软件 4-49

(3)简单动画制作 ①新建文件→设置影片属性(400×300) ②导入背景图片：文件/导入调整图像大小→第36帧选择“插入帧” ③插入新图层：单击“插入图层”按钮 ④输入文本：文本工具(隶、60、红) 图层2→5f深、10f圳、15f大、20f学 ⑤设置移动动画：补间/动作 ⑥加入背景音乐：文件/导入 4.4 矢量动画制作软件 4-50

第 4 章 计算机动画技术