计算机动画

1. 计算机动画 潘荣江 2005年秋

2. 主要内容 • 基本概念 • 二维与三维动画的制作过程 • 计算机动画的主要技术与方法 • 二维动画软件 • 三维动画软件

3. 1 基本概念 • 在过去几十年里，计算机动画一直是人们研究的热点。 • 在全球的图形学盛会Siggraph上，几乎每年都有计算机动画的论文和专题。 • 随着计算机图形学和硬件技术的高速发展，可以用计算机生成高质量的图像，促使计算机动画技术飞速地发展起来。

4. 计算机动画的应用领域十分广泛 • 影视作品制作 • 科学研究 • 视觉模拟 • 电子游戏 • 工业设计 • 教学训练 • 军事仿真 • 过程控制 • 平面绘画 • 建筑设计 ...

5. 动画原理 ●视觉效果 观看动画的机器-1906 ● 早期的动画 教学进程

6. 动画发展的历史 • 1831年，法国人Joseph Antoine Plateau把画好的图片按照顺序放在一部机器的圆盘上，圆盘可以在机器的带动下转动。这部机器还有一个观察窗，用来观看活动图片效果。在机器的带动下，圆盘低速旋转。圆盘上的图片也随着圆盘旋转。从观察窗看过去，图片似乎动了起来，形成动的画面，这就是原始动画的雏形。

7. 1906年，美国人J Steward制作出一部接近现代动画概念的影片，片名叫“滑稽面孔的幽默形象”（Humorous Phase of a Funny Face）。他经过反复地琢磨和推敲，不断修改画稿，终于完成这部接近动画的短片。 • 1908年法国人Emile Cohl首创用负片制作动画影片。所谓负片，是影象与实际色彩恰好相反的胶片，如同今天的普通胶卷底片。采用负片制作动画，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。 • 我国民间的走马灯和皮影戏，可以说是动画的一种古老形式。

8. 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象样的动画短片。从此以后，动画片的创作和 制作水平日趋成熟，人们已经开始有意识的制作表现各种内容的动画片 • 1915年，美国人Eerl Hurd创造了新的动画制作工艺，他先在塑料胶片上画动画片，然后再把画在塑料胶片上的一幅幅图片拍摄成动画电影。多少年来，这种动画制作工艺一直被沿用着。 • 从1928年开始，世人皆知的Walt Disney逐渐把动画影片推向了颠峰。他在完善动画体系和制作工艺的同时，把动画片的制作与商业价值联系了起来，被人们誉为商业动画之父。直到如今，他创办的迪斯尼公司还在为全世界的人们创造出丰富多彩的动画片。“迪斯尼”----20世纪最伟大的动画公司。

9. 计算机动画的发展 • 计算机动画是指用计算机技术辅助制作影视动画片 • 它的发展过程大体上可分为三个阶段。 • 60年代美国的Bell实验室和一些研究机构就开始研究用计算机实现动画片中间画面的制作和自动上色。这些早期的计算机动画系统基本上是二维辅助动画系统（Computer Assisted Animation），也称为二维动画。1963年美国贝尔实验室语言编写了一个称为BEFLIX的二维动画制作系统，这个软件系统在计算机辅助制作动画的发展历程上具有里程碑的意义。

10. 第二个阶段是从20世纪70－80年代中期，计算机图形、图像技术的软、硬件都取得了显著的发展，使计算机动画技术日趋成熟，三维辅助动画系统也开始研制并投入使用。三维动画也称为计算机生成动画（Computer Generated Animation ），其动画的对象不是简单地由外部输入，而是根据三维数据在计算机内部生成的。 • 1982年迪士尼（Disney）推出第一部电脑动画的电影，就是Tron（中文片译“电脑争霸”），使计算机动画成为计算应用的新领域。 • 1982至1983年间，麻省理工学院（MIT）及纽约技术学院同时利用光学追踪（Optical Tracking）技术记录人体动作；演员穿戴发光物体于身体各部份，在指定之拍摄范围内移动，同时有数部摄影机拍摄其动作，然后经电脑系统分析光点的运动再产生立体活动影像。

11. 第三个阶段是从1985年到目前为止的飞速发展时期，是计算机辅助制作三维动画的实用化和向更高层次发展的阶段。第三个阶段是从1985年到目前为止的飞速发展时期，是计算机辅助制作三维动画的实用化和向更高层次发展的阶段。 • 在这个阶段中，首先是由美国的犹他大学开发出世界上第一个完整的且具有实用意义的三维动画片。 • 在随后的十年内，计算机辅助三维动画的制作技术有了质的变化，已经综合集成了现代数学、控制论、图形图像学、人工智能、计算机软件和艺术的最新成果。 • 以致于有人说：“如果想了解信息技术的发展成就，就请看计算机三维动画制作的最新作品吧！”

12. 目前计算机动画已经发展成一个多种学科和技术的综合领域，以计算机图形学，特别是实体造型和真实感显示技术（消隐、光照模型、表面质感等）为基础，涉及到图像处理技术、运动控制原理、视频技术、艺术甚至于视觉心理学、生物学、机器人学、人工智能等领域，它以其自身的特点而逐渐成为一门独立的学科。目前计算机动画已经发展成一个多种学科和技术的综合领域，以计算机图形学，特别是实体造型和真实感显示技术（消隐、光照模型、表面质感等）为基础，涉及到图像处理技术、运动控制原理、视频技术、艺术甚至于视觉心理学、生物学、机器人学、人工智能等领域，它以其自身的特点而逐渐成为一门独立的学科。

13. 什么是动画 • 动画是通过连续播放一系列画面，给视觉造成连续变化的图画。 • 基本原理与电影、电视一样，都是视觉原理。医学已证明，人类具有“视觉暂留”的特性，就是说人的眼睛看到一幅画或一个物体后，在1/24秒内不会消失。利用这一原理，在一幅画还没有消失前播放出下一幅画，就会给人造成一种流畅的视觉变化效果。 • 电影采用了每秒24幅画面的速度拍摄播放，电视采用了每秒25幅（PAL制）或30幅（NSTC制）画面的速度拍摄播放。如果以每秒低于24幅画面的速度拍摄播放，就会出现停顿现象。

14. 实验证明，如果动画或电影的画面刷新率为每秒24帧左右，也即每秒放映24幅画面，则人眼看到的是连续的画面效果。实验证明，如果动画或电影的画面刷新率为每秒24帧左右，也即每秒放映24幅画面，则人眼看到的是连续的画面效果。 • 但是，每秒24帧的刷新率仍会使人眼感到画面的闪烁，要消除闪烁感画面刷新率还要提高一倍。因此，每秒24帧的速率是电影放映的标准，它能有效地使运动的画面连续流畅。 • 但是，在电影的放映过程中有一个不透明的遮挡板每秒遮挡24次，每秒24帧加上每秒24次遮挡，电影画面的刷新率实际上是每秒48次。这样就能有效地消除闪烁，同时又节省了一半的胶片。

15. 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（或电视）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”。它们有两个最重要的特征： • 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”是利用设计者的想像和虚幻创造出来的，而不是原本就存在再被摄影机记录下来的景物。

16. 显然，在动画片的制作中,研究物体怎样运动（包括他们运动的轨迹、方向，以及所需的时间）的意义，远大于对单张画面安排的考虑。所以相对每一格画面来说,我们应该更关心“每一格画面与下一格画面之间所产生的效果”。显然，在动画片的制作中,研究物体怎样运动（包括他们运动的轨迹、方向，以及所需的时间）的意义，远大于对单张画面安排的考虑。所以相对每一格画面来说,我们应该更关心“每一格画面与下一格画面之间所产生的效果”。 • 动画大师诺曼.麦克拉伦（Norman Mclaren）说：动画不是“会动的画”的艺术,而是“画出来的运动”的艺术。

17. 计算机动画的原理与传统动画基本相同，只是在传统动画的基础上把计算机技术用于动画的处理和应用。计算机动画的原理与传统动画基本相同，只是在传统动画的基础上把计算机技术用于动画的处理和应用。 • 计算机动画是指采用图形与图像的数字处理技术，借助于编程或动画制作软件生成一系列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧的部分修改。运动是动画的要素，计算机动画是采用连续播放静止图像的方法产生景物运动的效果。这里所讲的运动不仅指景物的运动，还包括虚拟摄像机的运动、纹理、色彩的变化等，输出方式也多种多样。所以，计算机动画中的运动泛指使画面发生改变的动作。 • 计算机动画所生成的是一个虚拟的世界，画面中的物体并不需真正去建造，物体、虚拟摄像机的运动也不会受到什么限制，动画师几乎可以随心所欲地编织他的虚幻世界。

18. 由多帧连续图像组成的动画效果

19. 计算机动画的关键技术体现在计算机动画制作软件及硬件上。计算机动画的关键技术体现在计算机动画制作软件及硬件上。 • 动画制作软件是由计算机专业人员开发的制作动画的工具，使用这一工具不需要用户编程，通过简单的交互式操作就能实现计算机的各种动画功能。不同的动画效果，取决于不同的计算机动画软、硬件的功能。虽然制作的复杂程度不同，但动画的基本原理是一致的。 • 从另一方面看，动画的创作本身是一种艺术实践，动画的编剧、角色造型、构图、色彩等的设计需要高素质的美术专业人员才能较好地完成。 • 总之，计算机动画制作是一种高技术、高智力和高艺术的创造性工作。

20. 视频与动画的区别 • 动画（Animation）和视频（Video）都是由一系列的静止画面按照一定的顺序排列而成的，这些静止画面称为帧（frame），每一帧与相邻帧略有不同。当帧画面以一定的速度连续播放时，由于是视觉暂留现象造成了连续的动态效果。

21. 计算机动画和视频的主要差别类似图形与图像的区别，即帧图像画面的产生方式有所不同。计算机动画和视频的主要差别类似图形与图像的区别，即帧图像画面的产生方式有所不同。 • 计算机动画是用计算机产生表现真实对象和模拟对象随时间变化的行为和动作，是利用计算机图形技术绘制出的连续画面，是计算机图形学的一个重要的分支； • 数字视频主要指经过模拟信号源经过数字化后的图像和同步声音的混合体。 • 目前，在多媒体应用中有将计算机动画和数字视频混同的趋势。

22. 动画的本质 动作的变化是动画的本质 —— 英国动画大师 John Halas ● 传统动画的性质 —— 由多幅画面构成，称为“帧动画” Frame1 Frame2 Frame3 Frame4 Frame5 Frame6 Frame7 ● 传统动画分类 (1) 全动画 ——为追求画面完美和动作流畅，按照24帧／s制作动画 (2) 半动画 ——又名“有限动画”。为追求经济效益，6帧／s的动画 ●

23. 动画的分类 • 从制作技术和手段看，动画可分为以手工绘制为主的传统动画和以计算机为主的电脑动画。 • 按动作的的表现形式来区分，动画大致分为接近自然动作的“完善动画”（动画电视）和采用简化、夸张的“局限动画”（幻灯片动画）。 • 从空间的视觉效果上，可分为平面动画（《小虎还乡》）和三维动画（《最终幻想》）。 • 从播放效果上，可以分为顺序动画（连续动作）和交互式动画（反复动作）。 • 从每秒放的幅数来讲，有全动画（每秒24幅）（迪斯尼动画）和半动画（少于24幅）（三流动画）之分，中国的动画公司为了节省资金往往用半动画做电视片。

24. 动画的变化 • 动作的变化 • 物体位置的变化 • 物体形态的变化 • 颜色的变化 • 材料质地的变化 • 光线强弱的变化

25. Terminology • to animate = “to get things alive”, i.e., to make them change • visual effects: varying • position • shape • color • transparency • structure • pattern • ... • caused by: • activity of objects themselves (e.g. translation, rotation, growth, ...) • varying environmental conditions (e.g. illumination) • activity of the viewer (e.g. walking through an artifical world) • related to • producing, storing, transmitting, displaying animations with computer support

26. 动画时间与节奏的掌握 t ● 动画的时间特性 (1) 动作的发展按照时间发生的顺序进行 (2) 与自然现象一致的运动节奏 (3) 遵守自然规律，可有限的夸张 ● 动画的节奏掌握 (1) 利用各帧之间物体的位置差控制动画节奏 (2) 自然规律和有限的夸张是动作节奏的依据 Frame1 Frame2 Frame3 Frame4 Frame5 Frame6 Frame7 Frame8

27. 2 动画的制作过程 • 制作声音对白和背景音乐 (2) 制作关键画面 (3) 绘制动画画面 (4) 复制到胶片上 (5) 上色 (6) 核实检查动画画稿 (7) 拍摄电影胶片 (8) 后期制作

28. 传统动画的制作过程 • 总体设计阶段 1） 剧本。任何影片生产的第一步都是创作剧本，但动画片的剧本与真人表演的故事片剧本有很大不同。一般影片中的对话，对演员的表演是很重要的，而在动画影片中则应尽可能避免复杂的对话。在这里最重的是用画面表现视觉动作，最好的动画是通过滑稽的动作取得的，其中没有对话，而是由视觉创作激发人们的想象。

29. 2）故事板。根据剧本，导演要绘制出类似连环画的故事草图（分镜头绘图剧本），将剧本描述的动作表现出来。故事板有若干片段组成，每一片段由系列场景组成，一个场景一般被限定在某一地点和一组人物内，而场景又可以分为一系列被视为图片单位的镜头，由此构造出一部动画片的整体结构。故事板在绘制各个分镜头的同时，作为其内容的动作、道白的时间、摄影指示、画面连接等都要有相应的说明。一般30分钟的动画剧本，若设置400个左右的分镜头，将要绘制约800幅图画剧本--故事板。 3）摄制表。摄制表是导演编制的整个影片制作的进度规划表，以指导动画创作集体各方人员统一协调地工作。

30. 设计制作阶段1）设计。设计工作是在故事板的基础上，确定背景、前景及道具的形式和形状，完成场景环境和背景图的设计、制作。对人物或其他角色进行造型设计，并绘制出每个造型的几个不同角度的标准页，以供其他动画人员参考。 2）音响。在动画制作时，因为动作必须与音乐匹配，所以音响录音不得不在动画制作之前进行。录音完成后，编辑人员还要把记录的声音精确地分解到每一幅画面位置上，即第几秒（或第几幅画面）开始说话，说话持续多久等。最后要把全部音响历程（或称音轨）分解到每一幅画面位置与声音对应的条表，供动画人员参考。

31. 具体创作阶段1）原画创作。原画创作是由动画设计师绘制出动画的一些关键画面。通常是一个设计师只负责一个固定的人物或其他角色。 2）中间插画制作。中间插画是指两个重要位置或框架图之见的图画，一般就是两张原画之间的一幅画。助理动画师制作一幅中间画，其余美术人员再内插绘制角色动作的连接画。在各原画之间追加的内插的连续动作的画，要符合指定的动作时间，使之能表现得接近自然动作。

32. 3) 誉清和描线。前几个阶段所完成的动画设计均是铅笔绘制的草图。草图完成后，使用特制的静电复印机将草图誉印到醋酸胶片上。再用手工给誉印在胶片上的画面的线条进行描墨。 4）着色。由于动画片通常都是彩色的。这一步是对描线后的胶片进行着色（或称上色）。

33. 拍摄制作阶段 1）检查。检查是拍摄阶段的第一步。在每一个镜头的每一幅画面全部着色完成之后，拍摄之前，动画设计师需要对每一场景中的各个动作进行详细的检查。 2）拍摄。动画片的拍摄，使用中间有几层玻璃层、顶部有一部摄象机的专用摄制台。拍摄时将背景放在最下一层，中间各层放置不同的角色或前景等。拍摄中可以移动各层产生动画效果，还可以利用摄象机的移动、变焦、旋转等变化和淡入等特技上的功能，生成多种动画特技效果。

34. 3）编辑。编辑是后期制作的一部分。编辑过程主要完成动画各片段的连接、排序、剪辑等。 4）录音。编辑完成之后，编辑人员和导演开始选择音响效果配合动画的动作。在所有音响效果选定并能很好地与动作同步之后，编辑和导演一起对音乐进行复制。再把声音、对话、音乐、音响都混合到一个声道上，最后记录在胶片或录象带上。

35. 集体项目 • 传统的动画制作，尤其是大型动画片的创作，是一项集体性劳动，创作人员的集体合作是影响动画创作效率的关键因素。 • 一部长篇动画片的生产需要许多人员，有导演、制片、动画设计人员和动画辅助制作人员。 • 动画辅助制作人员是专门进行中间画面添加工作的，即动画设计人员画出一个动作的两个极端画面。 • 动画辅助人员则画出它们中间的画面。 • 画面整理人员把画出的草图进行整理。 • 描线人员负责对整理后画面上的人物进行描线 • 着色人员把描线后的图着色。 • 由于长篇动画制作周期较长，还需专职调色人员调色，以保证动画片中某一角色所着色前后一致。 • 此外还特技人员、编辑人员、摄影人员及生产人员和行政人员。

36. 电脑动画 ● 帧动画 —— 模拟以帧为基本单位的传统动画，占动画产品的98% ● 平面动画——以传统平面绘画为基础的动画 ● 颜色动画 —— 形成颜色流动效果的动画 ● 变形动画 —— 主体变形效果的动画 ● 电脑动画的特点 网页 ●所有动画必须经过电脑的运算和处理 标准 ●电脑动画以文件形式保存，采用国际标准的FLC和GIF89a格式 ● 电脑动画的种类 ● 矢量动画 —— 经过电脑运算而确定的运行轨迹和形状的动画 ● 空间动画 —— 形成三维造型并进行空间运动的动画 ●电脑软件是动画制作的必要条件，并提供自动动画功能

37. （1） 关键帧（原画）的产生 • 关键帧以及背景画面，可以用摄象机、扫描仪、数字化仪实现数字化输入，用扫描仪输入铅笔原画，再用电脑生产流水线后期制作，也可以用相应软件直接绘制。 • 动画软件都会提供各种工具、方便绘图。这大大改进了传统动画画面的制作过程，可以随时存储、检索、修改和删除任意画面。传统动画制作中的角色设计及原画创作等几个步骤，一步就完成了。

38. （2） 中间画面的生成 • 利用电脑对两幅关键帧进行插值计算，自动生成中间画面，这是电脑辅助动画的主要优点之一。这不仅精确、流畅，而且将动画制作人员从烦琐的劳动中解放出来。

39. 关键帧的插值技术可生成中间画面

40. （3） 分层制作合成 • 传统动画的一帧画面，是由多层透明胶片上的图画叠加合成的，这是保证质量、提高效率的一种方法，但制作中需要精确对位，而且受透光率的影响，透明胶片最多不超过4张。在动画软件中，也同样使用了分层的方法，但对位非常简单，层数从理论上说没有限制，对层的各种控制，像移动、旋转等，也非常容易。

41. （4） 着色 • 动画着色是非常重要的一个环节。电脑动画辅助着色可以解除乏味、昂贵的手工着色。用电脑描线着色界线准确、不需晾干、不会窜色、改变方便，而且不因层数多少而影响颜色，速度快，更不需要为前后色彩的变化而头疼。动画软件一般都会提供许多绘画颜料效果，如喷笔、调色板等，这也是很接近传统的绘画技术。

42. （5） 预演 • 在生成和制作特技效果之前，可以直接在电脑屏幕上演示一下草图或原画，检查动画过程中的动画和时限以便及时发现问题并进行问题并进行修改。

43. （6） 库图的使用 • 动画中的各种角色造型以及它们的动画过程，都可以存在图库中反复使用，而且修改也十分方便。在动画中套用动画，就可以使用图库来完成。

44. 三维动画的制作过程 • 在动画技术当中，最有魅力并应用最广的当然是三维动画。因为我们的世界是立体的，只有三维才让我们感到更真实。二维动画可以看成三维动画的一个分支，它的制作难度及对电脑性能的要求都远远低于三维动画。 • 三维动画之所以被称作计算机生成动画，是因为参加动画的对象不是简单地由外部输入的，而是根据三维数据在计算机内部生成的，运动轨迹和动作的设计也是在三维空间中考虑的。 • 计算机3D动画的制作过程主要有建模、编辑质材、贴图、灯光、动画编辑和渲染几个步骤。

45. 建模建模就是利用三维软件创建物体和背景的三维模型。如：人体模型、飞机模型、建筑模型等。一般来说，先要绘出基本的几何形体，再将它们变成需要的形状，然后通过不同的方法将它们组合在一起，从而建立复杂的形体。建模建模就是利用三维软件创建物体和背景的三维模型。如：人体模型、飞机模型、建筑模型等。一般来说，先要绘出基本的几何形体，再将它们变成需要的形状，然后通过不同的方法将它们组合在一起，从而建立复杂的形体。

46. 编辑材质就是对模型的光滑度、反光度、透明度的编辑。如玻璃的光滑和透明、木料的低反光度和不透明等都是在这一步实现的。如果经过这一步就直接渲染，我们就可以得到一些漂亮的单色物体如玻璃器皿和金属物体。编辑材质就是对模型的光滑度、反光度、透明度的编辑。如玻璃的光滑和透明、木料的低反光度和不透明等都是在这一步实现的。如果经过这一步就直接渲染，我们就可以得到一些漂亮的单色物体如玻璃器皿和金属物体。

47. 贴图我们现实生活中的物体并不都是单色的物体，人的皮肤色，衣着，无不存在着各种绚烂的各种图案。在3D动画中要做得逼真，也要将这些元素做出来。如果直接在3D的模型上做出这种效果是难以实现的。所以一般都是将一幅或几幅平面的图像象贴纸一样贴到模型上，这就是贴图。贴图我们现实生活中的物体并不都是单色的物体，人的皮肤色，衣着，无不存在着各种绚烂的各种图案。在3D动画中要做得逼真，也要将这些元素做出来。如果直接在3D的模型上做出这种效果是难以实现的。所以一般都是将一幅或几幅平面的图像象贴纸一样贴到模型上，这就是贴图。

48. 三维动画的建模 三维动画的贴图

49. 灯光要在做好的场景中不同位置放上几盏灯, 从不同的角度用灯光照射物体，烘托出不同的光照效果。灯光有主光和辅光之分，主光的任务是表现场景中的某些物体的照明效果，一般需给物体投影，辅光主要是辅助主光在场景中进行照明，一般不开阴影。

50. 动画编辑以上做出来的模型是静态的物体，要使其运动起来就要经过动画编辑。动画就是使各种造型运动起来，由于电脑有非常强的运算能力，制作人员所要做的是定义关键帧，中间帧交给计算机去完成，这就使人们可做出与现实世界非常一致的动画。动画编辑以上做出来的模型是静态的物体，要使其运动起来就要经过动画编辑。动画就是使各种造型运动起来，由于电脑有非常强的运算能力，制作人员所要做的是定义关键帧，中间帧交给计算机去完成，这就使人们可做出与现实世界非常一致的动画。