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1、第九章第九章 计算机动画技术计算机动画技术9.1 9.1 计算机动画技术概述计算机动画技术概述9.2 9.2 计算机动画分类与原理计算机动画分类与原理9.3 9.3 计算机动画生成方法计算机动画生成方法 补充补充 OpenGLOpenGL的使用的使用19.1 9.1 计算机动画技术概述计算机动画技术概述一、计算机动画定义一、计算机动画定义 计算机动画技术将图形、图案和画面或者其中一部分显示计算机动画技术将图形、图案和画面或者其中一部分显示在屏幕商，并且照一定规律或预定要求在屏幕上移动、变换，在屏幕商，并且照一定规律或预定要求在屏幕上移动、变换，从而使计算机显示出图形动态变化。从而使计算机显示出
2、图形动态变化。计算机动画是计算机科学，尤其是计算机图形技术与计算机动画是计算机科学，尤其是计算机图形技术与传统动画艺术的结合，所以计算机动画技术是传统动画和传统动画艺术的结合，所以计算机动画技术是传统动画和计算机图形学二者结合而产生的新东西。计算机图形学二者结合而产生的新东西。第九章 计算机动画技术9.1 计算机动画技术概述一、计算机动画定义二、计算机动画历史与现状三、传统动画与计算机动画四、计算机动画应用五、计算机动画研究内容和前景29.1 9.1 计算机动画技术概述计算机动画技术概述二、计算机动画发展历史二、计算机动画发展历史 计算机动画技术可以看作计算机图形学的综合应用。计算机动画技术可
3、以看作计算机图形学的综合应用。包括图形生成（二维、三维）尤其是真实感图形生成技术。包括图形生成（二维、三维）尤其是真实感图形生成技术。计算机图形学与计算机动画不同，计算机动画属于四维计算机图形学与计算机动画不同，计算机动画属于四维空间（三维加上时间），而计算机图形学只限于三维空间。空间（三维加上时间），而计算机图形学只限于三维空间。计算机动画最初产生和发展与传统动画制作有着密切关系。计算机动画最初产生和发展与传统动画制作有着密切关系。（1 1）19631963年，年，BellBell实验室，实验室，E.ZajacE.Zajac用计算机制作世界上用计算机制作世界上第一部动画片。第一部动画片。3（
4、2 2）6060年代期间，美国一些公司、研究机构和大学开发二年代期间，美国一些公司、研究机构和大学开发二维动画系统，用计算机实现中间画面制作（关键帧）和自动维动画系统，用计算机实现中间画面制作（关键帧）和自动着色。着色。（3 3）在）在7070年代初期，开始研制三维辅助动画系统，如美国年代初期，开始研制三维辅助动画系统，如美国OhioOhio州立大学的州立大学的D.ZelterD.Zelter等人完成可明暗着色的系统。等人完成可明暗着色的系统。（4 4）7070年代期间至年代期间至8080年代初，随着计算机图形学理论发展，年代初，随着计算机图形学理论发展，尤其三维物体造型发展，人们研究计算机三
5、维造型动画系尤其三维物体造型发展，人们研究计算机三维造型动画系统。统。（5 5）8080年代，研究动画生成一些三维系统，如关键参数插年代，研究动画生成一些三维系统，如关键参数插值法、运动学算法和动力学算法等。值法、运动学算法和动力学算法等。（6 6）8080年代末进入年代末进入9090年代后，多种不同动画软件出现，如年代后，多种不同动画软件出现，如3DS3DS，AnimatorAnimator等。等。4三、传统动画与计算机动画三、传统动画与计算机动画1、传统动画生成过程、传统动画生成过程（1 1）动画定义）动画定义 动画意义是动画意义是“animatoranimator”世界著名动画艺术家，美
6、国人约翰世界著名动画艺术家，美国人约翰.哈斯指出，哈斯指出，“运动运动是动画本质是动画本质”，也有人说，也有人说“动画是运动艺术动画是运动艺术”，总之，总之,动画动画与运动是分不开的。与运动是分不开的。（2 2）动画原理）动画原理 例如在电影院看电影或在家里看电视时，画面上人物例如在电影院看电影或在家里看电视时，画面上人物动作是流畅、自然和连续的，但是仔细看一段电影胶片时，动作是流畅、自然和连续的，但是仔细看一段电影胶片时，观察每一画面并不连续。观察每一画面并不连续。只有以一定速率投影在银幕上才会有运动视觉效果。只有以一定速率投影在银幕上才会有运动视觉效果。这种观察可由视觉残留（这种观察可由视
7、觉残留（persistent of visionpersistent of vision）原理来理解。原理来理解。5（3 3）传统动画片生产过程）传统动画片生产过程 1 1）剧本）剧本 不带画面的整个故事的详细叙述，反映动画片大致概不带画面的整个故事的详细叙述，反映动画片大致概貌与镜头的剧本，如同故事片一样貌与镜头的剧本，如同故事片一样 2 2）设计稿）设计稿 对动画片中出现多种角色选型、动作、色彩、气氛等对动画片中出现多种角色选型、动作、色彩、气氛等设计，实际上完成手稿图工作设计，实际上完成手稿图工作 3 3）声音节拍）声音节拍 传动作必须与对话声音相配合、协调一致传动作必须与对话声音相配合
8、、协调一致 4 4）关键帧）关键帧 动画处理中关键帧（也称原画）由经验丰富的动画设动画处理中关键帧（也称原画）由经验丰富的动画设计者完成，通常时一个设计者完成某个角色计者完成，通常时一个设计者完成某个角色6（3 3）传统动画片生产过程）传统动画片生产过程 5 5）中间画）中间画 中间画时那些位于两个关键帧之间的画面，中间画中间画时那些位于两个关键帧之间的画面，中间画也叫做动画。中间画由辅助动画设计者及其助手完成。也叫做动画。中间画由辅助动画设计者及其助手完成。6 6）测试）测试 原动画初稿通常是铅笔稿图，当初步测定造型和动原动画初稿通常是铅笔稿图，当初步测定造型和动作。可将这些图输入动画测试器
9、进行测试，这一过程称铅作。可将这些图输入动画测试器进行测试，这一过程称铅笔稿测试笔稿测试 7 7）描线上墨）描线上墨 将铅笔稿图手描在透明片上，或用照相机制板方法将铅笔稿图手描在透明片上，或用照相机制板方法印在透明片上，然后描线上墨印在透明片上，然后描线上墨7 8 8）上色）上色 给多幅画面在透明片上涂上颜料给多幅画面在透明片上涂上颜料 9 9）检查）检查 动画设计者在拍摄之前再次检查各镜头动作质量动画设计者在拍摄之前再次检查各镜头动作质量 10 10）拍摄）拍摄 这一工序在动画摄制机上完成。动画摄影师把动画系这一工序在动画摄制机上完成。动画摄影师把动画系统通过拍摄依次记录在胶片上统通过拍摄依
10、次记录在胶片上 11 11）后期制作）后期制作 编辑、剪接、对白、配音、剪带等后期制作工序是必编辑、剪接、对白、配音、剪带等后期制作工序是必不可少的不可少的 由上述可见传统动画周期唱、费时费力，一部由上述可见传统动画周期唱、费时费力，一部1010分钟分钟的美术片，大约要的美术片，大约要4 4个月左右时间，若是精品要一年时间才个月左右时间，若是精品要一年时间才可完成。若用计算机制作动画可省略许多环节。可完成。若用计算机制作动画可省略许多环节。（3 3）传统动画片生产过程）传统动画片生产过程8（4 4）计算机动画技术特点）计算机动画技术特点 1 1）可自动在两张画（关键帧）画出中间画，只要输入两副
11、）可自动在两张画（关键帧）画出中间画，只要输入两副原始和终止关键帧，可自动生成中间画原始和终止关键帧，可自动生成中间画 2 2）对每副画可以按照需要进行补充和修改，使动作流畅、）对每副画可以按照需要进行补充和修改，使动作流畅、造型统一造型统一 3 3）可自动描线上色）可自动描线上色 4 4）可直接输出到录像机）可直接输出到录像机 5 5）真实感强）真实感强9四、计算机动画应用四、计算机动画应用1 1、电影电视动画片制作、电影电视动画片制作2 2、商品电视广告、商品电视广告3 3、计算机辅助教学演示、计算机辅助教学演示4 4、飞行员模拟训练、飞行员模拟训练5 5、指挥调度演习、指挥调度演习6 6
12、、工业过程实时监测仿真、工业过程实时监测仿真7 7、模拟产品检验或实验、模拟产品检验或实验8 8、医疗诊断、医疗诊断9 9、游戏软件、游戏软件10五、计算机动画研究内容和应用前景五、计算机动画研究内容和应用前景研究内容：研究内容：1 1、关键帧动画、关键帧动画2 2、基于机械学的动画和工业过程动画仿真、基于机械学的动画和工业过程动画仿真3 3、运动和路径的控制、运动和路径的控制4 4、动画语言与语义、动画语言与语义5 5、基于智能的动画，机械人与动画、基于智能的动画，机械人与动画6 6、动画系统用户界面、动画系统用户界面7 7、科学可视化计算机动画表现、科学可视化计算机动画表现8 8、特技效果
13、，合成演员、特技效果，合成演员9 9、语言、音响合成，录制技术、语言、音响合成，录制技术11应用前景：应用前景：1 1、计算机动画与多媒体技术、计算机动画与多媒体技术2 2、计算机动画与虚拟现实技术、计算机动画与虚拟现实技术3 3、计算机动画与人工生命、计算机动画与人工生命12 第九章 计算机动画技术9.2 计算机动画分类与原理一、计算机动画分类二、计算机动画原理9.2 9.2 计算机动画分类和原理计算机动画分类和原理一、计算机动画分类一、计算机动画分类1 1、计算机辅助动画（二维动画）、计算机辅助动画（二维动画）传统卡通动画先画出两个关键帧，然后在中间插入一系列传统卡通动画先画出两个关键帧，
14、然后在中间插入一系列画。计算机二维动画是用计算机生成中间一系列画。画。计算机二维动画是用计算机生成中间一系列画。二维动画还有缺点，计算机不可能根据剧本自动生成关键二维动画还有缺点，计算机不可能根据剧本自动生成关键帧。帧。139.2 9.2 计算机动画分类和原理计算机动画分类和原理一、计算机动画分类一、计算机动画分类2 2、计算机生成动画（三维动画）、计算机生成动画（三维动画）如果说二维动画对应于传统卡通动画，那么三维动画如果说二维动画对应于传统卡通动画，那么三维动画对应于木偶动画。对应于木偶动画。木偶动画首先制作木偶、道具和景物，三维动画首先木偶动画首先制作木偶、道具和景物，三维动画首先建立角
15、色、实物和景物三维数据。建立角色、实物和景物三维数据。这里说的三维物体画面也是由二维象素点阵组成，只这里说的三维物体画面也是由二维象素点阵组成，只不过看起来象三维，但三维更具有真实性、真实感和立体不过看起来象三维，但三维更具有真实性、真实感和立体性。性。14二、计算机动画原理二、计算机动画原理1 1、关键帧动画是通过一组关键帧或关键参数值而得到中间、关键帧动画是通过一组关键帧或关键参数值而得到中间动画帧序列动画帧序列 （1 1）形状插值：从关键帧本身而得到中间动画帧）形状插值：从关键帧本身而得到中间动画帧 （2 2）关键参数插值：通过插值物体模型关键参数数值来）关键参数插值：通过插值物体模型关
16、键参数数值来获得中间动画。获得中间动画。2 2、算法动画、算法动画 算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。15（1 1）运动学算法：由运动学方程确定物体的运动轨迹）运动学算法：由运动学方程确定物体的运动轨迹和速率。和速率。（2 2）动力学算法：由力学方程确定物体运动形式）动力学算法：由力学方程确定物体运动形式（3 3）反向运动学算法：已知链接物末端位置和状态，）反向运动学算法：已知链接物末端位置和状态，反求运动方程以确定运动形式。反求运动方程以确定运动形式。（4 4）反向动力学算法：已知链接物末端位置和状态，）反向动力学算法：已知链接物末端位置和状态，
17、反求动力学方程以确定运动形式。反求动力学方程以确定运动形式。（5 5）随机运动算法：在某些场合下加进运动控制随机）随机运动算法：在某些场合下加进运动控制随机因素。因素。2 2、算法动画、算法动画 算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。16算法动画是指按照物理或化学等自然规律对运动进行算法动画是指按照物理或化学等自然规律对运动进行控制的方法、针对不同类型物体的运动方式，从简单控制的方法、针对不同类型物体的运动方式，从简单的质点运动到复杂的涡流、有机分子碰撞等，一般按的质点运动到复杂的涡流、有机分子碰撞等，一般按物体运动的复杂程度分为质点、刚体、可变软组织
18、、物体运动的复杂程度分为质点、刚体、可变软组织、链接物、变化物等类型、也可以按解析式定义物体。链接物、变化物等类型、也可以按解析式定义物体。用算法控制运动的过程包括：给定环境描述、环境中用算法控制运动的过程包括：给定环境描述、环境中的物体造型、运动规律、计算机通过算法生成动画帧。的物体造型、运动规律、计算机通过算法生成动画帧。目前针对刚体和链接物已开发了不少较成熟算法，对目前针对刚体和链接物已开发了不少较成熟算法，对软组织和群体运动控制方面也做了不少工作。软组织和群体运动控制方面也做了不少工作。2 2、算法动画、算法动画 算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。算法动画由算法实现，一般适用于三
19、维情形。17一、画擦画方法一、画擦画方法二、异或运算法二、异或运算法三、块动画法三、块动画法四、多页面切换动画方法四、多页面切换动画方法五、图形变换动画法五、图形变换动画法六、逐帧动画法六、逐帧动画法七、函数式动画技术七、函数式动画技术9.3 9.3 计算机动画生成方法计算机动画生成方法 动画片中每一序列实际上是一幅幅完全静止的画面动画片中每一序列实际上是一幅幅完全静止的画面在快速展示时，使人产生不断运动的感觉。这些一幅幅在快速展示时，使人产生不断运动的感觉。这些一幅幅画面或由艺术家人工画好，通过图形输入设备输入计算画面或由艺术家人工画好，通过图形输入设备输入计算机，或者结合生成。机，或者结合
20、生成。18一、画擦画方法一、画擦画方法原理：原理：先画某一瞬间的图形先画某一瞬间的图形 擦去该图形擦去该图形 再画下一个瞬再画下一个瞬间图形间图形 再擦去再擦去 这样，画擦画使得图形动起来这样，画擦画使得图形动起来优点：实现简单优点：实现简单缺点：缺点：1 1、复杂图形画擦画时间长，效果差、复杂图形画擦画时间长，效果差2 2、在擦除前一幅图上运动部分图形时，往往会蒋重、在擦除前一幅图上运动部分图形时，往往会蒋重叠在其上的不动的那一部分图形也擦去，影响动画效果叠在其上的不动的那一部分图形也擦去，影响动画效果19二、异或运算法（也称二、异或运算法（也称XORXOR动画法）动画法）XOR XOR运算
21、的一个重要特性就是它的运算的一个重要特性就是它的“还原还原”作用。对屏作用。对屏幕进行第一次幕进行第一次XORXOR操作可以使像素值发生改变，显示一幅图操作可以使像素值发生改变，显示一幅图像；再一次像；再一次XORXOR操作可以清除前一幅图像，把像素值还原回操作可以清除前一幅图像，把像素值还原回来。来。利用利用XORXOR运算的运算的“还原还原”特性可以在屏幕上对一个运动特性可以在屏幕上对一个运动物体连续作物体连续作XORXOR运算，而不必担心背景图形的储存与还原问运算，而不必担心背景图形的储存与还原问题。题。如果将此特性运用到动画技术上，即在动态物体的同如果将此特性运用到动画技术上，即在动态
22、物体的同一显示位置上连续进行两次一显示位置上连续进行两次XORXOR运算，然后在下一显示位置运算，然后在下一显示位置作同样操作，如此反复进行，就使前景运动图形产生了动作同样操作，如此反复进行，就使前景运动图形产生了动画效果。画效果。优点是前景动画图形的涂抹不影响背景图形。优点是前景动画图形的涂抹不影响背景图形。20三、块动画法三、块动画法 只改变屏幕中前景运动物体在画面中位置，而其背景只改变屏幕中前景运动物体在画面中位置，而其背景及动画物体形状不变及动画物体形状不变 如：人造卫星绕地球运动如：人造卫星绕地球运动四、多页面切换动画方法四、多页面切换动画方法 对于某些显示方法，其显示模式允许对于某
23、些显示方法，其显示模式允许1 1个以上显示页面个以上显示页面 一页：是主显示页，显示图形一页：是主显示页，显示图形另一页：是工作页，准备显示图形另一页：是工作页，准备显示图形 工作原理：工作原理：开始一幅图先显示，多幅图在工作页上。开始一幅图先显示，多幅图在工作页上。第一次工作页变显示页，显示图，另一显示页又变工作页，第一次工作页变显示页，显示图，另一显示页又变工作页，放另一图形。这样来回地擦，可以显示动画图形。放另一图形。这样来回地擦，可以显示动画图形。21五、图形变换动画法五、图形变换动画法 利用图形变换功能，例：二维变三维，三维立方体变利用图形变换功能，例：二维变三维，三维立方体变三维棱
24、锥体，通过变换过程显示动画功能，如将一个立方三维棱锥体，通过变换过程显示动画功能，如将一个立方体逐渐拉开并压制成一个三棱锥的动画过程。体逐渐拉开并压制成一个三棱锥的动画过程。如果计算机计算速度块，构成动画效果较好如果计算机计算速度块，构成动画效果较好六、逐帧动画法六、逐帧动画法 逐帧动画基本原理类似于幻灯片制作与播放过程逐帧动画基本原理类似于幻灯片制作与播放过程将屏幕上显示一幅幅图象存放在一个文件中，然后按顺序将屏幕上显示一幅幅图象存放在一个文件中，然后按顺序不断读取和播放这些画面，产生动画效果。不断读取和播放这些画面，产生动画效果。22七、函数式动画技术七、函数式动画技术 利用数学函数和数学
25、方程式，根据自变量和因变量关利用数学函数和数学方程式，根据自变量和因变量关系，让自变量逐渐增加或减少，进行连续变化，从而获得系，让自变量逐渐增加或减少，进行连续变化，从而获得图形连续变化。图形连续变化。例如：利用圆绘制方程可以得到以下几种不同动画效果例如：利用圆绘制方程可以得到以下几种不同动画效果1 1、水波和电波发射、水波和电波发射 固定圆心让半径以一定特定步长增值。固定圆心让半径以一定特定步长增值。2 2、旋转球体、旋转球体 利用图形旋转变换，可以让圆型图形在三维空间中沿利用图形旋转变换，可以让圆型图形在三维空间中沿各个方向，绕多种旋转轴旋转变化加上球体色彩、条纹、各个方向，绕多种旋转轴旋
26、转变化加上球体色彩、条纹、阴暗等，也就可以形成简单的函数动画。阴暗等，也就可以形成简单的函数动画。233 3、气球和气泡、气球和气泡利用圆的方程构成球体。加上明暗效果和透明体光照效利用圆的方程构成球体。加上明暗效果和透明体光照效果，就可以形成气球和气泡的动作，可以随机地在任何果，就可以形成气球和气泡的动作，可以随机地在任何位置，以任意点作起始圆心，以一个随机值（或者给定位置，以任意点作起始圆心，以一个随机值（或者给定值）作为半径，绘制出一个个的透明或者不透明的球体，值）作为半径，绘制出一个个的透明或者不透明的球体，然后每个球体根据自身大小（半径值大小）决定其上升然后每个球体根据自身大小（半径值
27、大小）决定其上升速度，球体本身也逐渐增大其半径，到上升的球体接触速度，球体本身也逐渐增大其半径，到上升的球体接触到屏幕顶部或半径增大到一定程度，该球体消失（爆裂）到屏幕顶部或半径增大到一定程度，该球体消失（爆裂），形成球体混合碰撞动画效果。，形成球体混合碰撞动画效果。在实际应用中，经常将各种动画方法组合起来使用。在实际应用中，经常将各种动画方法组合起来使用。组合动画将产生比单一技术动画更为满意的效果。组合动画将产生比单一技术动画更为满意的效果。24作业作业 制作一类似广告片效果的动画，一幅或者制作一类似广告片效果的动画，一幅或者多幅图形图像逐个显示出来，并配以文字说明，多幅图形图像逐个显示出来，并配以文字说明，颜色变化等。颜色变化等。25