计算机动画技术

计算机动画技术

摘要：本文首先简要介绍了计算机动画的发展过程、分类和应用领域，随后具体介绍了计算机动画的主要技术，最后对论文作了总结。

关键词：计算机动画；计算机动画技术

Abstract: This paper firstly introduces the development ,the classification and the applications in computer animation. Laterly the paper introduces the main technology in computer animation., at the end the paper makes a summarization.

Key words: computer animation; computer animation technology

1、引言

1946年，第一台计算机诞生，虽然当时它主要应用于军事计算，但是短短数十年间，计算机却改变了世界的一切。数字技术的引入为动画制作者提供了更大的创意空间，也为公众带来了更多、更精彩的影像。

计算机动画是一门应用计算机技术制作动画的艺术，是计算机图形学和动画的子领域。计算机动画是指采用图形与图像的处理技术，借助于编程或动画制作软件生成一系列的景物画面，其中当前帧是前一帧的部分修改。计算机动画采用连续播放静止图像的方法产生物体运动的效果。为了制造运动的影像，画面显示在计算机屏幕上，然后很快被一幅和前面的画面相似但移动了一些的新画面所代替。

20世纪60年代，二维计算机辅助动画系统占主导地位，在计算机动画制作方面发挥了重要作用。70年代，随着三维图形与动画的基本技术的开发,批引领三维图像与动画的公司发展了起来，一些三维可明暗着色的系统也被广泛地应用了起来。到了80年代，图形图像技术进入普及阶段，此时的微型机已经能够担当起图形图像处理的任务，诞生了包含反混淆技术、光模型功能的3D主图动画制作系统BBOP。90年代是图形图像技术的实用化时期。处理信息量巨大，处理速度高，实时生产高质量的图形图像是整个90年代追求的目标。

2、计算机动画的分类

按照计算机动画的制作原理，可以将计算机动画分为二维动画和三维动画两类。这也是常用的分类方法。

按照运动的控制方式，计算机动画可以分为关键帧动画和算法动画两大类。其中，关键帧动画是通过一组关键帧或关键参数值得到中间动画帧序列的动画制作过程，适用于二维动画。算法动画又叫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，适用于三维动画。

按照计算机软件在动画制作中的作用分类，计算机动画有电脑辅助动画和造型动画两种。计算机辅助动画属于二维动画，其主要用途是辅助动画师制作传统动画，而造型动画则属于三维动画。

按照动画的系统功能，可以将计算机动画分为5个等级：

(1) 第一级不考虑时间因素，计算机动画技术相当于一个图像编辑器。

(2) 第二级可以实现中间帧的计算，代替人工制作中间帧的工作。其中二维动画属于这个等级。

(3) 第三级可以给动画制作者提供一些形体的操作。

(4) 第四级提供了定义角色的方法。其中三维动画包括了第三和第四等级的功能。

(5) 第五级是一种具有智能的动画系统，有自学能力。

3、计算机动画的应用领域

近年来，随着计算机动画技术的迅速发展，它的应用领域日益扩大，带来的社会效益和经济效益也不断的增长。

计算机动画现阶段主要应用于以下几个领域：广告、电影特技、工程建筑、教学演示、产品模拟试验、电子游戏以及虚拟现实和3D Web。

在广告、电影特技方面，计算机动画技术给广大广告和电影制作人员提供了充分发挥其想象力的机会，他们可以利用该技术生成平常难以尝试的创意。利用数码合成及摄象机定位

技术，可以实现虚拟景物与实拍画面的无缝合成使观众难以区分画面中景物的真假。

在工程建筑方面，建筑师可以利用三维计算机动画技术，不仅可以观察建筑物的内、外部结构，而且可以实现对虚拟建筑场景的漫游。

在教学演示方面，由于计算机动画的形象性，它已被用来解释复杂的自然现象：小到简单的牛顿定律，大到复杂的狭义相对论等等。

在产品模拟试验方面，利用动画技术，设计者能够使虚拟模型运动起来，由此来检查只有制造过程结束后才能验证的一些模型特征，如运动的协调性、稳定性等，以便设计者及早发现设计上的缺陷。

计算机动画技术在飞行模拟器的设计中起着非常重要的作用。该技术主要用来实时生成具有真实感的周围环境图象，如机场、山脉和云彩等。此时，飞行员驾驶舱的舷舱成为计算机屏幕，飞行员的飞行控制信息转化为数字信号直接输出到电脑程序，进而模拟飞机的各种飞行特征。飞行员可以模拟驾驶飞机进行起飞、着落、转身等操作。

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系统。借系统提供的视觉、听觉甚至触觉的设备，“身临其境”地置身于这个虚拟环境中随心所欲地活动，就像在真实世界中一样。

4、计算机动画的主要技术

简单地讲，计算机动画是指用绘制程序生成一系列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧画面的部分修改。动画是运动中的艺术，正如动画大师John Halas所讲的，运动是动画的要素。计算机动画所生成的是一个虚拟的世界，虽然画面中的物体并不需要像真实世界中那样真正去建造，但要满足动画师随心所欲地创造虚幻世界的需求，计算机动画主要有关键帧、变形与形变、过程动画、人体动画和基于物理模型的动画等技术。

4.1关键帧

关键帧动画通过一组关键帧或关键参数值而得到中间的动画帧序列，可以是插值关键图

像帧本身而获得中间动画帧，或是插值物体模型的关键参数值来获得中间动画帧，分别称之为形状插值和关键位插值。

早期制作动画采用二维插值的关键帧方法。当两幅形状变化很大的二维关键帧时不宜采用参数插值法，解决的办法是对两幅拓扑结构相差很大的画面进行预处理，将它们变换为相同的拓扑结构再进行插值。对于线图形即是变换成相同数目的手段，每段具有相同的变换点，再对这些点进行线性插值或移动点控制插值。关键参数值插值常采用样条曲线进行拟合，分别实现运动位置和运动速率的样条控制。对运动位置的控制常采用三次样条计算，用累积弦长作为逼近控制点参数，求得中间帧位置，也可以采用Bezier样条等其它B样条方法。对运动速度控制常采用速率—时间曲线函数，两条曲线的有机结合用来控制物体的动画运动。

关键帧动画是计算机动画中最基本也是应用最为广泛的应用之一，大部分的动画软件都提供设计关键帧动画的功能。

4.2变形与形变

计算机动画通常首先通过赋予角色以个性，然后设置物体变化过程中的几个关键帧，使物体沿着给出的轨迹线性或非线性变化。计算机动画变形技术分为两大类：变形(Deformation)动画和形变(Morphing)动画。

变形动画是指将单个几何对象的形状做某种平移、缩放、旋转、扭曲，使它变换为动画师所要求的形状。在这种变化过程中，几何对象的拓扑关系保持不变，即特征点变换到特征点，特征曲线变换到特征曲线，连续的区域经过变换后还是连续的，并且不会发生交叠。为了保持变换图形图像的拓扑结构，所使用的空间坐标变换必须是连续的，能够保持全局一一对应，使得图形图像内的连通结构经过变换后仍然保持连通性；另外，图形图像中其它单一结构经过变换以后，仍然是单一结构，不会破损变成多个结构。例如印有图案的橡胶玩几。只要对其扭曲、挤压、拉伸等等都可以使图案变形。

形变动画是指将一给定的源数字图像或几何对象S平滑地变换到目标数字图像或几何对象T。在这种平滑变换过程中，中间帧既具有S的特征、又具有T的特征，S和T的拓扑既可以相同也可以不同。形变动画技术分为二维图像形变和三维物体形变。

对于二维图像的变形最常采用交融技术，或称淡入淡出技术，即在一幅图像淡出的同时，

另外一幅图像淡入。这种方法在两个图像的儿何没有对齐的时候效果比较差；基于网格的二维图像变形法首先用网格来控制图像扭曲，然后再采用交融技术获得中间图像，会获得比简单交融技术好得多的效果；基于线对的图线变形技术采用一对或者多对直线来控制变形，计算每个像素点相对于控制直线的位置。Seitz等人在1996年提出的视域变形(View Morphing)方法，该方法考虑视点的变化，能够模拟给定图像在相应二维空间的视点变化，同时对几何、颜色、视点进行插值，可以产生类似三维的视觉效果。

二维物体的变形比二维图像的变形复杂的多，但是能够生成更加逼真和生动的特技效果。三维物体的变形得到的中间帧并不是图像，而是物体的模型。所以三维物体变形的结果不仅与视点和光照参数无关，还可以根据二维模型生成精确的光照和阴影效果。在三维物体之间的变形方面，研究者们也发表了许多创造性的结果，例如1986年，Sederberg等提出了一种适用面很广的自由变形方法FFD(Free-Form Deformation)，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。此方法比较适用于Twisting(扭曲)、Bending(弯曲)、Tapering(渐细)等特定的变形。

4.3过程动画

过程(procedural)动画是：在动画中，物理的运动或变形用一个过程来描述。在过程动画中，物体的变形基于一定的数学模型或物理规律，最简单的过程动画是用一个数学模型去控制物理的几何形状和运动，如水波动画、布料动画。较复杂的过程动画包括了物体的变形、弹性理论、动力学、碰撞检测等;另一类过程动画为粒子和群体的动画。

粒子动画系统中景物被定义为由成千上万个不规则、随机分布的粒子组成，每个粒子都有一定的生命周期，经历“出生”、“运动”、“死亡”三个阶段，不同的阶段有不同的特性，如：位置、速度、颜色、大小等。粒子系统可以很好的模拟大白然的景物，如云、雪、火等等。粒子系统的一个主要优点是数据库的放大功能，比如Reeves 声称用二个基本的描述便可生成由百万个粒子构成的森林景色。Peachey 和Fournier 用粒子系统去模拟由风引起的泡沫和溅水的动画，也取得了很好的效果。Reed 等人用粒子系统成功地模拟了闪电。粒子系统的思想现在已成功地应用于著名动画软件Alias Wavefront中。电影《龙卷风》中许多出神入化的效果就是采用Alias Wavefront软件的粒子系统制作出来的，它所模拟的火光、烟雾等特殊光效已广泛应用于电影行业并多次荣获大奖。

在生物界，许多动物如鸟、鱼等以某种群体的方式运动。这种运动既有随机性，又有一定的规律性。Reynolds 指出，群体的行为包含两个对立的因素，即既要相互靠近又要避免碰撞。它提出的群体动画成功地解决了这一问题。

4.4人体动画

在计算机动画领域中，人体(humanm motion)动画是最具有挑战性的课题，因而也吸引了越来越多的研究者致力于人体动画的研究。但是在人体动画方面仍旧存在许多的问题，其原因在于常规的数学与几何模型不适合表现人体形态，人体的骨骼、肌肉、头发甚至衣服的运动都是非常复杂的，人体的任何运动都会引起这些部分的运动和变形，人的表情、特征、个性千差万别，而且人们对自身非常的熟悉，因此任何一点点的不协调的痕迹都会引起注意。

在人体动画的研究中，人们提出了许多行之有效的方法。事实上，对于人体而言只有旋转关节运动，而关节的运动可以通过运动学或者动力学的方法来实现。在设置关节动画的时候，常常使用正向或者逆向运动学的方法。所谓正向运动学就是利用通过设置关节的自由度来设置关键帧。但是在实际制作动画时，通过设置各个关节的关键帧来产生逼真的运动是非常困难的。一种解决办法是使用动作捕捉(Motion Capture)的方法来纪录真人的关节运动，这就需要一些昂贵的输入设备。逆向运动学方法在一定程度上减少了正向运动学方法的繁杂的工作。所谓“逆向”就是从空间某些特定点所要求的终结效果来确定所用的几何变换的参数。用户指定末端关节的位置，计算机自动计算出各中间关节的位置。逆向运动学分析求解的方法虽然能求得所有解，但随着关节复杂度的增加，逆运动学的复杂度急剧增加，分析求解的代价也越来越大。为此，人们提出了一种适合于关节编辑的正向和逆向运动学相结合的方法，该方法的主要思想是把所要求的关节空间运动插入逆向运动学控制机制中，动画师可以对已有的关节运动做交互的基于目标的修改。

动力学方法将物理定律引入到人体关节动画中。正向动力学方法是根据给定的力和力矩来得到角色的运动轨迹，逆向动力学的方法是首先在系统中描述角色的运动，然后得到力和力矩。与运动学相比，动力学方法能生成更复杂和逼直的运动，并且需指定的参数相对较少，但动力学方法的计算量相当大，且很难控制。

在实际的人体动画应用中，大多都采用多种方法的合成。

4.5基于物理模型的动画

基于物理模型(physically-based modeling)的动画是80年代后期发展起来的一种新的计算机动画技术，主要思想是将物体的物理特性加入到几何模型中，考虑物体在真实世界中的属性，如它的质量、转动惯矩、弹性、摩擦力等，并采用动力学原理来自动产生物体的运动。当场景中的物体受到外力作用时，牛顿力学中的标准动力学方程可用来自动生成物体在各个时间点的位置、方向及其形状。此时，计算机动画设计者不必关心物体运动过程中的细节。而只需确定物体运动所需的一些物理属性及一些约束关系，如质量、外力等。基于物理模型的动画方法总体可以分为三类：刚体运动模拟、塑性物体变形运行、流体运动模拟。

刚体运动模拟的研究重点在采用牛顿动力学的各种方程来模拟刚体系统的运动。由于在真实的刚体运动中任意两个刚体不会贯穿，因而在运动过程模拟时，必须进行碰撞检测，并对碰撞后的物体运动响应再进行处理。

对于塑性物体来说，它们在运动过程中会产生一定的形变，因此在塑性物体变形运动中，除了要研究其运动外，还要研究其形变。

流体运动模拟一般从流体力学中选取适当的流体运动的偏微分方程，对其进行适当的简化之后，通过数值求解获得各个时刻流体的形状和位置。在这个领域中已经有了许多的模拟模型，其中很多采用了基于元球的造型和基于散射的绘制。

5、总结

计算机动画技术的发展方兴未艾，许多新的技术不断涌现。本文主要从理论上对计算机动画现在使用的主要技术作了介绍，但缺少数学理论和实例的分析。

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