1、第一章動畫綜述第一章動畫綜述 1.11.1 動畫的基本原理動畫的基本原理 1.21.2 傳統動畫與計算機動畫傳統動畫與計算機動畫 1.31.3 計算機動畫系統的組成計算機動畫系統的組成 1.41.4 計算機動畫的基本類型計算機動畫的基本類型 1.51.5 計算機動畫技術概述計算機動畫技術概述1.1 1.1 動畫的基本原理和基本概念動畫的基本原理和基本概念 動畫和動畫片是兩個不同的動畫和動畫片是兩個不同的概念，動畫涵蓋了一個非常廣概念，動畫涵蓋了一個非常廣泛的領域，包括影視動畫片、泛的領域，包括影視動畫片、影視特技動畫、廣告動畫、游影視特技動畫、廣告動畫、游戲動畫、軍事演習模擬、科學戲動畫、軍事

2、演習模擬、科學可視化、醫學、教育等。可視化、醫學、教育等。 動畫片動畫片 動畫片是動畫的一種，也是影片的一種。影片按制作方式可分為如下三種：（1）主要通過對人或動物等真實物體或場景拍攝而得的影片稱為電影。（2）主要采用木偶拍攝而得的影片稱為木偶片。（3）主要通過繪制畫面而得的影片稱為動畫片。 動畫的基本原理 無論何種動畫，都是利用人類眼無論何種動畫，都是利用人類眼睛的睛的“視覺滯留效應視覺滯留效應”產生動感，產生動感，多幅畫面快速連續的更換，使人多幅畫面快速連續的更換，使人們看到連續活動的圖像，這就是們看到連續活動的圖像，這就是動畫的基本原理。動畫的基本原理。“視覺滯留效應” 是指人在看物體時

3、，物體的影像短是指人在看物體時，物體的影像短暫地殘留在人腦視覺神經中，殘留時暫地殘留在人腦視覺神經中，殘留時間約為間約為1/24s1/24s。如果每。如果每1/24s1/24s更替一個更替一個畫面，人們的大腦在前一個畫面影像畫面，人們的大腦在前一個畫面影像沒有消失前，又接受到下一個畫面的沒有消失前，又接受到下一個畫面的新影像，連續的大腦感受使人們感覺新影像，連續的大腦感受使人們感覺到連續的影像變化。到連續的影像變化。 下頁展示的是一組傳統動畫的畫下頁展示的是一組傳統動畫的畫面，表現小鳥飛翔的主題各幀畫面面，表現小鳥飛翔的主題各幀畫面的小鳥形態都有所變化，將這組畫面的小鳥形態都有所變化，將這組畫

4、面快速連續播放，即呈現出小鳥飛翔的快速連續播放，即呈現出小鳥飛翔的優美動感。優美動感。動畫基本原理示例： 圖圖1-1 表現小鳥飛翔的傳統動畫表現小鳥飛翔的傳統動畫 連續播放小鳥飛翔畫面連續播放小鳥飛翔畫面（2424幀幀/ /秒）秒） 計算機動畫是在傳統動畫的基礎上，采用計算機圖形圖像技術而迅速發展起來的一門高新技術。所以說，要想掌握計算機動畫的相關技術，就應該對傳統動畫有所了解。 1.2 1.2 傳統動畫與計算機動畫傳統動畫與計算機動畫傳統動畫的制作方法 傳統動畫以畫面為基礎，所有的動傳統動畫以畫面為基礎，所有的動畫構想、動作發展、表現手法等，都通畫構想、動作發展、表現手法等，都通過手工繪制畫

5、面表現出來。這些內容連過手工繪制畫面表現出來。這些內容連續但各不相同的畫面，由于每幅畫面中續但各不相同的畫面，由于每幅畫面中的物體位置和形態的不同，在連續觀看的物體位置和形態的不同，在連續觀看畫面時，給人以活動的感覺。畫面時，給人以活動的感覺。 傳統動畫的制作流程(1)(1)腳本及動畫設計腳本及動畫設計 腳本是敘述一個故事的文字提要及詳細腳本是敘述一個故事的文字提要及詳細的文學劇本，根據該劇本要設計出反映動的文學劇本，根據該劇本要設計出反映動畫片大致概貌的各個片斷，也即分鏡頭劇畫片大致概貌的各個片斷，也即分鏡頭劇本。然后，對動畫片中出現的各種角色的本。然后，對動畫片中出現的各種角色的造型、動作

6、、色彩等進行設計，并根據分造型、動作、色彩等進行設計，并根據分鏡頭劇本將場景的前景和背景統一考慮，鏡頭劇本將場景的前景和背景統一考慮，設計出手稿圖及相應的對話和聲音。設計出手稿圖及相應的對話和聲音。 傳統動畫的制作流程(2)(2)關鍵幀的設計關鍵幀的設計 關鍵幀也稱為原畫，它一般表達某關鍵幀也稱為原畫，它一般表達某動作的極限位置、一個角色的特征或其動作的極限位置、一個角色的特征或其它的重要內容，這是動畫的創作過程。它的重要內容，這是動畫的創作過程。傳統動畫的制作流程(3)(3)中間幀生成中間幀生成 中間幀是位于關鍵幀之間的過渡畫，可中間幀是位于關鍵幀之間的過渡畫，可能有若干張。在關鍵幀之間可能

7、還會插入能有若干張。在關鍵幀之間可能還會插入一些更詳細的動作幅度較小的關鍵幀，稱一些更詳細的動作幅度較小的關鍵幀，稱為小原畫，以便于中間幀的生成。有了中為小原畫，以便于中間幀的生成。有了中間畫，動作就流暢自然多了。間畫，動作就流暢自然多了。傳統動畫的制作流程(4)(4)描線上色描線上色 動畫初稿通常都是鉛筆稿圖，將這些稿動畫初稿通常都是鉛筆稿圖，將這些稿圖進行測試檢查以后就要用手工將其輪廓圖進行測試檢查以后就要用手工將其輪廓描在透明膠片上，并仔細地描上墨、涂上描在透明膠片上，并仔細地描上墨、涂上顏料。動畫片中的每一幀畫面通常都是由顏料。動畫片中的每一幀畫面通常都是由許多張透明膠片疊合而成的，每

8、張膠片上許多張透明膠片疊合而成的，每張膠片上都有一些不同對象或對象的某一部分，相都有一些不同對象或對象的某一部分，相當于一張靜態圖像中的不同圖層。當于一張靜態圖像中的不同圖層。傳統動畫的制作流程(5)(5)檢查、拍攝檢查、拍攝 在拍攝前將各鏡頭的動作質量再檢查一遍，然后動畫攝影師把動畫系列依次拍攝記錄到電影膠片上。十分鐘的電影動畫片，大約需要一萬張圖畫。傳統動畫的制作流程(6)(6)后期制作后期制作 有了拍攝好的動畫膠片以后，還要對其有了拍攝好的動畫膠片以后，還要對其進行編輯、剪接、配音、字幕等后期制作，進行編輯、剪接、配音、字幕等后期制作，才能最后完成一部動畫片。才能最后完成一部動畫片。 傳

9、統動畫的特點很長時間的不斷完善，傳統動畫已形成了一套完整的體系，包括制作流程，分工，市場運作，甚至電視播出的動畫系列片長度和集數都已經規范。 他可以完成許多復雜的高難度的動畫效果，幾乎人們可以想象到的他都可以完成。 美術效果也是如此，傳統動畫可以制作風格多樣的美術風格，特別是大場面，大制作的片子，用傳統動畫可以塑造出恢弘的畫面及其細膩的美術效果。 傳統動畫的特點傳統動畫的制作費時、費工、費力，繪制任務繁重而復雜的。 用傳統方法制作動畫時走形一直是個令人頭疼的問題.。 掌控動畫片質量是一個在傳統動畫中比較難解決的問題。傳統動畫的特點由此我們可以看出，傳統動畫由此我們可以看出，傳統動畫的設計制作過

10、程相當復雜。其消耗的設計制作過程相當復雜。其消耗的人力、物力、財力以及時間都是的人力、物力、財力以及時間都是巨大的。因此，當計算機技術發展巨大的。因此，當計算機技術發展起來以后，人們開始嘗試用計算機起來以后，人們開始嘗試用計算機進行動畫創作。進行動畫創作。計算機在計算機在動畫制作中的應用動畫制作中的應用第一階段用計算機畫出簡單的線條和幾何圖形，計算機把繪畫過程記錄下來。在需要時，由計算機重復繪畫過程，使人們看到活動的畫面。 計算機在計算機在動畫制作中的應用動畫制作中的應用第二階段計算機動畫中活動的主體從簡單的線條、幾何圖形過渡到比較復雜的圖形。畫面上的變化模式和多種顏色的運用使這一階段的動畫具

11、有良好的視覺效果，開始體現計算機動畫的風格。計算機圖形學漸趨成熟，計算機動畫軟件出現。計算機在計算機在動畫制作中的應用動畫制作中的應用第三階段以先進的軟件和硬件作為條件，逼真地模擬手工動畫，并進一步制作手工動畫難以表現的題材。動畫主體從圖形過渡到圖像，并能生成數字化的主體模型，進而產生全計算機動畫。3D動畫軟件日趨成熟。計算機動畫的產生綜上所述，傳統的動畫制作工藝隨著計算綜上所述，傳統的動畫制作工藝隨著計算機的介入，發生了變化。人們在保留傳統動機的介入，發生了變化。人們在保留傳統動畫制作風格的基礎上，直接使用計算機繪制畫制作風格的基礎上，直接使用計算機繪制和生成動畫，不再使用紙張。這種由計算機

12、和生成動畫，不再使用紙張。這種由計算機輔助的動畫制作周期短、成本低、色彩一致輔助的動畫制作周期短、成本低、色彩一致性好。隨著計算機性能的不斷提高，以及計性好。隨著計算機性能的不斷提高，以及計算機圖形學、圖像處理技術和算機圖形學、圖像處理技術和3D技術的發展，技術的發展，計算機動畫技術巳得到了長足的發展。計算機動畫技術巳得到了長足的發展。計算機動畫的本質“動作的變化是動畫的本質動作的變化是動畫的本質”這一這一說法已不全面。計算機能夠按照人們說法已不全面。計算機能夠按照人們的意圖自動生成有特殊效果的動畫，的意圖自動生成有特殊效果的動畫，例如顏色動畫、變形動畫、材質動畫，例如顏色動畫、變形動畫、材質

13、動畫，以及透視效果動畫等等。以及透視效果動畫等等。 計算機動畫的制作流程 創意（腳本制作）創意（腳本制作） 預處理（輸入外部資料）預處理（輸入外部資料） 場景造型。場景造型。 設定材質和光源。設定材質和光源。 設置動畫。設置動畫。計算機動畫的制作流程 運動圖像的繪制（渲染）。運動圖像的繪制（渲染）。 動畫播放動畫播放 后處理。后處理。 動畫的錄制。動畫的錄制。 配音配音( (背景和臺詞）。背景和臺詞）。計算機動畫的特點計算機動畫是采用連續播放靜止圖像的方計算機動畫是采用連續播放靜止圖像的方法產生景物運動的效果，即使用計算機產法產生景物運動的效果，即使用計算機產生圖形、圖像運動的技術。生圖形、圖

14、像運動的技術。計算機動畫與傳統動畫都遵循同樣的視覺計算機動畫與傳統動畫都遵循同樣的視覺原理。原理。計算機動畫由于采用數字處理方式，動畫計算機動畫由于采用數字處理方式，動畫的運動效果、畫面色調、紋理、光影效果的運動效果、畫面色調、紋理、光影效果等可以不斷改變，輸出方式也多種多樣。等可以不斷改變，輸出方式也多種多樣。 計算機動畫的特點計算機計算機3D3D模型可以保存并重復使用，克服模型可以保存并重復使用，克服了傳統動畫的易走形的毛病。了傳統動畫的易走形的毛病。計算機計算機3D3D軟件集多種功能軟件集多種功能( (造型、修改、造型、修改、燈光、色彩、渲染等燈光、色彩、渲染等) )于一身，動畫的制作于

15、一身，動畫的制作質量易控制。質量易控制。 主要部分：（1）管理子系統（交互界面）（2）造型子系統（建模工具）（3）動畫子系統（運動控制器）（4）繪制子系統(渲染工具) 1.3 1.3 計算機動畫系統的組成計算機動畫系統的組成(1) (1) 管理子系統的組成管理子系統的組成(2) (2) 造型造型子系統子系統的組成的組成(3) (3) 動畫子系統的組成動畫子系統的組成(4) (4) 繪制子系統的組成繪制子系統的組成 三維動畫軟件簡介三維動畫軟件簡介 計算機動畫技術的成熟推動了三維計算機動畫軟件的發展，其中影響較大的商品化動畫軟件有： 加拿大的AliasWavefront（85年） 美國的Maya

16、(Alias公司98年) 加拿大的Softimage 3D（88年） Discreet(Autodesk) 3ds Max（91年） 計算機動畫就動畫性質而言，可分為計算機動畫就動畫性質而言，可分為兩大類，即兩大類，即幀動畫幀動畫和和矢量動畫矢量動畫。 根據視覺空間的不同，計算機動畫又根據視覺空間的不同，計算機動畫又有有二維動畫二維動畫與與三維動畫三維動畫之分。之分。按照計算機動畫對時間性能的要求，按照計算機動畫對時間性能的要求，可以分為可以分為實時動畫實時動畫和和非實時動畫非實時動畫。 1.3 1.3 計算機動畫的基本類型計算機動畫的基本類型 實時動畫實時動畫是按動畫播放的速度快速是按動畫播

17、放的速度快速生成動畫的每一幀，即動畫幀的生成生成動畫的每一幀，即動畫幀的生成和播放是同步的。和播放是同步的。非實時動畫非實時動畫通常需通常需要較長時間生成動畫的每一幀，因此，要較長時間生成動畫的每一幀，因此，后者先生成并保存組成動畫的每一幀，后者先生成并保存組成動畫的每一幀，然后播放，即動畫幀的生成和播放是然后播放，即動畫幀的生成和播放是異步的。異步的。 實時動畫和非實時動畫實時動畫和非實時動畫 使用一幅畫面，所有的表現內容經使用一幅畫面，所有的表現內容經過計算機程序的快速計算，在同一幅過計算機程序的快速計算，在同一幅畫面上生成變換的圖形、線條和文字。畫面上生成變換的圖形、線條和文字。變換的方

18、向和模式屬于矢量變換方式，變換的方向和模式屬于矢量變換方式，具有極強的規律性。矢量動畫通常通具有極強的規律性。矢量動畫通常通過編程方式制作，也有用于制作矢量過編程方式制作，也有用于制作矢量動 畫 的 工 具 軟 件 ， 如動 畫 的 工 具 軟 件 ， 如 F l a s hF l a s h 、Illustrator。 矢量動畫矢量動畫幀動畫模擬傳統動畫的方式，幀動畫模擬傳統動畫的方式，它采用多畫面表現動畫。動畫的它采用多畫面表現動畫。動畫的每一個動作被記錄在一幅幅畫中，每一個動作被記錄在一幅幅畫中，多幅連續的畫面構成了動畫。電多幅連續的畫面構成了動畫。電腦的作用只是把眾多的畫面內容腦的作用

19、只是把眾多的畫面內容有序地進行保存，并把這組畫面有序地進行保存，并把這組畫面連續不斷地演播出來。連續不斷地演播出來。 幀動畫幀動畫 二維動畫又叫“平面動畫”，具有非常靈活的表現手段、強烈的表現力和良好的視覺效果。二維動畫運用傳統動畫的基本概念，在平面上構成動畫的基本動作。并且在保持傳統動畫的表現力和視覺效果的基礎上，盡量發揮計算機處理的高效率、低成本等特點。 二維動畫二維動畫三維動畫又叫“空間動畫”。動畫主體的三維造型是經過計算機得到的，然后為其賦予“材質”，布置好“燈光”、放好“攝影機”，規定好運動的方式，就制作好了三維動畫。 三維動畫三維動畫1.5 1.5 計算機動畫技術計算機動畫技術 在

20、計算機動畫系統中應用的主要動畫技術有：在計算機動畫系統中應用的主要動畫技術有：(1)(1)參數關鍵幀技術。參數關鍵幀技術。 (2) (2)軌跡驅動技術。軌跡驅動技術。 (3) (3)變形動畫技術。變形動畫技術。 (4) (4)關節動畫技術關節動畫技術 (5) (5)過程動畫技術過程動畫技術 (6) (6)基于物理的動畫技術。基于物理的動畫技術。 (7) (7)行為動畫技術。行為動畫技術。關鍵幀技術最初僅僅用來插值幀與幀之間關鍵幀技術最初僅僅用來插值幀與幀之間卡通畫的形狀，后來該技術馬上發展成為可卡通畫的形狀，后來該技術馬上發展成為可以用來插值影響運動的任何參數以用來插值影響運動的任何參數( (

21、例如，一例如，一個物體的平移、比例變換、旋轉、材料、紋個物體的平移、比例變換、旋轉、材料、紋理、形狀、可見性參數等都可作為關鍵幀參理、形狀、可見性參數等都可作為關鍵幀參數，另外，攝象機和燈光的大部分參數也可數，另外，攝象機和燈光的大部分參數也可作為關鍵幀參數作為關鍵幀參數 ) )。從這一點來說，關鍵參。從這一點來說，關鍵參數數(Key parameter)(Key parameter)比關鍵幀比關鍵幀(Keyframe)(Keyframe)更更確切些。確切些。 ( (實例操作舉例實例操作舉例) )(1)(1)參數關鍵幀技術參數關鍵幀技術選擇合適的插值參數，選擇合適的插值參數， 確定準確的型值點

22、確定準確的型值點選擇合適的插值函數選擇合適的插值函數求得所插求得所插中間幀的參數中間幀的參數主要內容：主要內容：軌跡軌跡驅動動畫，是指先設計好物驅動動畫，是指先設計好物體的運動軌跡，然后指定物體沿該軌體的運動軌跡，然后指定物體沿該軌跡運動。通常，物體的運動軌跡為三跡運動。通常，物體的運動軌跡為三次樣條曲線（也稱為樣條驅動），并次樣條曲線（也稱為樣條驅動），并且由用戶交互給出。且由用戶交互給出。 (2)(2)軌跡驅動軌跡驅動(path driven)(path driven)技術技術軌跡軌跡動畫實例軌跡軌跡動畫實例軌跡軌跡動畫實例運動軌跡的空間參數曲線運動軌跡的空間參數曲線Q(u)Q(u)的重新

23、的重新參數化，以獲得等間隔采樣的動畫序參數化，以獲得等間隔采樣的動畫序列，即物體在每一幀的位置。列，即物體在每一幀的位置。利用不同的速度曲線對應相同的空間利用不同的速度曲線對應相同的空間曲線，生成不同的運動效果。曲線，生成不同的運動效果。主要內容：主要內容：變形動畫技術主要是為了制作一種變形動畫技術主要是為了制作一種形態變形的動畫，即將物體外觀上發形態變形的動畫，即將物體外觀上發生變化的過程記錄下來，生成一個形生變化的過程記錄下來，生成一個形態連續變化的動畫序列。變形動畫在態連續變化的動畫序列。變形動畫在影視娛樂業已得到大量運用。影視娛樂業已得到大量運用。 (3)(3)變形動畫技術變形動畫技術

24、變形動畫技術分為變形動畫技術分為MorphingMorphing和空間變形和空間變形(deformation)(deformation)，二者都牽涉到使處理對，二者都牽涉到使處理對象作某種變形，但含義不完全一樣。象作某種變形，但含義不完全一樣。MorphingMorphing是指將一給定的源數字圖像或幾是指將一給定的源數字圖像或幾何對象何對象S S光滑連續地變換到目標數字圖像光滑連續地變換到目標數字圖像或幾何對象或幾何對象T T；deformationdeformation是指將單個幾是指將單個幾何對象的形狀作某種扭曲、變形，使它變何對象的形狀作某種扭曲、變形，使它變換到動畫師所需的形狀。換到

25、動畫師所需的形狀。 變形動畫技術分類變形動畫技術分類 圖像Morphing動畫實例動畫實例圖像Morphing動畫實例動畫實例三維三維Morphing動畫實例動畫實例FFD變形動畫實例變形動畫實例2 2維圖像維圖像MorphingMorphing3 3維維Morphing Morphing 整體和局部變形方法整體和局部變形方法FFDFFD變形方法變形方法主要內容主要內容過程動畫是指物體的運動或變形可過程動畫是指物體的運動或變形可由一個過程來描述。最簡單的過程動由一個過程來描述。最簡單的過程動畫是用一個數學模型去控制物體的幾畫是用一個數學模型去控制物體的幾何形狀和運動，較復雜的過程動畫則何形狀和

26、運動，較復雜的過程動畫則是包括物體的變形、彈性理論、動力是包括物體的變形、彈性理論、動力學、碰撞檢測在內的物體的復雜運動。學、碰撞檢測在內的物體的復雜運動。 (4)(4)過程動畫技術過程動畫技術粒子動力學動畫噴水壺粒子動力學動畫噴水壺粒子動畫實例星球爆炸粒子動畫實例星球爆炸粒子動畫實例冰雪融化粒子動畫實例冰雪融化過程動畫實例布料動畫過程動畫實例布料動畫粒子系統是最實用的過程動畫技術之粒子系統是最實用的過程動畫技術之一。這是一種模擬不規則自然景物生一。這是一種模擬不規則自然景物生成和動畫的系統，也就是所謂的粒子成和動畫的系統，也就是所謂的粒子系統。系統。水波動畫水波動畫( (正弦波、平行波正弦波、平行波) )布料動畫（基于幾何、基于動力學）布料動畫（基于幾何、基于動力學） 過程動畫的主要內容過程動畫的主要內容關節動畫是計算機動畫中最具挑戰關節動畫是計算機動畫中最具挑戰性的課題之一，它的主要目的是模擬性的課題之一，它的主要目的是模擬骨架動物骨架動物( (尤其是人體尤其是人體) )的運動。關節的運動。關節動畫的發展不僅促進了機器人等學科動畫的發展不僅促進了機器人等學科的發展，而且使得模擬人類自身行為