计算机图形学第10章计算机动画.ppt

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1、n随着VR技术的发展，照片式效果图n将会被三维漫游动画录象所替代 特技特技“听话的计算机程序听话的计算机程序”就是虚拟角色，也就是虚拟角色，也称为称为虚拟演员虚拟演员(Virtual Actor)广义上它包含两层含义：广义上它包含两层含义：n用电脑处理手法使已故的著名影星用电脑处理手法使已故的著名影星“起死回生起死回生” n完全由电脑塑造出来的电影明星完全由电脑塑造出来的电影明星如如蚁哥正传蚁哥正传中的蚁哥中的蚁哥 展望展望3以前以前n采用采用程序设计语言编程程序设计语言编程制作制作 今后今后n面向动画师面向动画师的界面良好的的界面良好的交互式系统交互式系统 基于人工智能理论的基于人工智能理论

2、的面向用户的动画系统面向用户的动画系统n基于自然语言描述的脚本基于自然语言描述的脚本n用计算机自动产生动画用计算机自动产生动画 世界著名的动画大师世界著名的动画大师John Halas曾经说过：曾经说过：“动画动画的本质在于运动的本质在于运动”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（系的画面（Frame）连续拍摄到电影胶片上再以一）连续拍摄到电影胶片上再以一定的速度（一般不低于定的速度（一般不低于24帧帧/秒）放映来获得画面秒）放映来获得画面上人物运动的视觉效果。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，其中动画就是

3、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当前画面是对前一幅画面某些部分作的修改随着计算机动画技术的发展，尤其是以实随着计算机动画技术的发展，尤其是以实时动画为基础的时动画为基础的Vidio game的出现，动画的出现，动画不只是产生运动的效果不只是产生运动的效果,还包括变形、变色、还包括变形、变色、变光等。变光等。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2传统动画主要是生产传统动画主要是生产二维卡通动画片二维卡通动画片 早期：早期：n主要表现在主要表现在帧的制作帧的制作上上n关键帧关键帧通过数字化采集方式得到，或者用交通过数字化采集方式得到，

4、或者用交互式图形编辑器生成，对于复杂的形体还可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以通过编程来生成n插补帧插补帧不再由助理动画师和插补员来完成，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，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。包括复杂的运动也由计算机直接完成。 随着三维造型技术和计算机动画技术的发展随着三维造型技术和计算机动画技术的发展五级五级四级四级一级一级二级二级三级三级 运动序列中画面的切换运动序列中画面的切换n直接切换直接切换n推拉（推拉（zoom）n摇移（摇移（ pan ）n俯仰（俯仰（Tilt）n淡入

5、淡入/淡出淡出(fade in/fade out)n帧技术帧技术样条驱动技术样条驱动技术变形技术变形技术过程动画技术过程动画技术关节动画与人体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基于物理模型的动画技术行为动画技术行为动画技术运动捕获技术运动捕获技术帧技术帧技术n给出两幅关键帧，计算机生成中间画面给出两幅关键帧，计算机生成中间画面n适合刚体运动模拟适合刚体运动模拟n仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状后来后来n对运动参数插值，实现对动画的运动控制对运动参数插值，实现对动画的运动控制帧技术帧技术n位置位置、方向、大小9个运动参数决定n位置参数：Tx,

6、Ty,Tz,n方向参数：Rx,Ry,Rz,n比例参数：Sx,Sy,Sz帧技术帧技术与纯数学插值问题不同：与纯数学插值问题不同：n一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的n但从运动学或动画设计角度看，则可能是错误的但从运动学或动画设计角度看，则可能是错误的帧插值要求：帧插值要求：n能产生逼真的运动效果能产生逼真的运动效果n用户能方便有效地用户能方便有效地匀速运动的模拟匀速运动的模拟 假定需在时间段假定需在时间段t1t1与与t2t2之间插入之间插入n(n=5)n(n=5)帧帧 终始关键帧之间的时间段被分为终始关键帧之间的时间段被分为n+1n+1个子段个子段

7、其时间间隔为其时间间隔为: : t = (t2 t1)/(n +1) 则任一插值帧的时刻为则任一插值帧的时刻为: j = 1, 2, ,n 帧技术帧技术tt1t2tjttfj1加速运动的模拟加速运动的模拟 为使帧间的时间间隔增加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：可使用下列三角加速函数来得到增加的间隔：1 - cos, 0 /2 对于插值帧来说，第对于插值帧来说，第j个插值帧的时刻可由下式得到个插值帧的时刻可由下式得到: j = 1,2,n帧技术帧技术00.511.5200.10.20.30.40.50.60.70.80.911-coscost1t2)1(2/(co

8、s(1 (1njtttfj减速运动的模拟减速运动的模拟 使用下列三角减速函数来得到减少的间隔：使用下列三角减速函数来得到减少的间隔： sin, 0 /2 , 则第则第j个插值帧的时间位置被定义成：个插值帧的时间位置被定义成： j = 1,2,n帧技术帧技术00.511.5200.10.20.30.40.50.60.70.80.91sint1t2)1(2/(sin(1njtttfj混合增减速度的模拟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所使用的时间变化函数是: : 1/2 (1 cos ) 0 得到第得到第j j个插值帧的时

9、刻为个插值帧的时刻为: : j = 1, 2, n帧技术帧技术01234-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81(1-cos)/2cost1t2)1/(cos(1 (1njtttfj帧技术帧技术样条驱动技术样条驱动技术n也称也称运动轨迹法运动轨迹法样条驱动技术样条驱动技术样条驱动技术样条驱动技术时间控制时间控制位置样条位置样条n空间轨迹曲线空间轨迹曲线帧的函数帧的函数运动样条运动样条n速度曲线速度曲线帧对时间的函数帧对时间的函数变形技术变形技术n柔性物体柔性物体（soft object）动画技术）动画技术n许多商用动画软件都提供变形工具许多商用动画软件都提供变形工具So

10、ftimage、Alias、Maya、3DS MAX变形技术变形技术Morphing技术技术n指将一个给定的数字图像或者几何形状指将一个给定的数字图像或者几何形状S以一种自然以一种自然流畅的、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几何形状T。变形技术变形技术基本思想基本思想基于物体表示的变形技术基于物体表示的变形技术变形技术变形技术自由变形技术（自由变形技术（FFD）nFree Form Deformation基本思想基本思想变形技术变形技术优点优点缺点缺点过程动画过程动画物理规律物理规律n水波运动，三维森林、草叶随风飘动，火光、烟水波运动

11、，三维森林、草叶随风飘动，火光、烟雾等特殊光效雾等特殊光效关节动画与人体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基于物理模型的动画技术行为动画行为动画3D Studio与3DS MAXn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Softimage 3D nMicrosoft收购加拿大Softimage后，将工作站上的Softimage移植到了Windows NT下Maya 3D n美国的美国的Wavefront公司兼并法国的公司兼并法国的TDI公司，美国的公司，美国的SGI公司兼并加拿大的公司兼并加拿大的Alias公司，其后是公司，其后是Alias兼并兼并Wavefront改名成为改名成为SGI属下的加拿大属下的加拿大Alias/Wavefront公司公司优点：优点：n交互方便交互方便n图形绘制效率高图形绘制效率高n引进了许多新的动画工具，如引进了许多新的动画工具，如FFD技术等技术等 LIGHTWAVE 3D