1、计算机三维动画技术,计算机科学与工程学院 xxx,课程说明,重点针对三维动画技术 基础知识基础上附加很多扩展内容 参考 麻省理工学院“开放式课程“。,数字娱乐、数字艺术、数字媒体 一门新兴的艺术,课程说明,课程每章都分为基础部分和提高部分，基础部分对动画基础知识，基本算法进行完整学习，提高部分对三维动画技术难点以及研究热点问题进行分析讨论。 期望能够引发大家讨论和新算法研究。,参考书目,计算机动画的算法基础，鲍虎军等著，浙江大学出版社，2000年 “principles of three-dimensional computer animation: modeling, rendering,
2、and animating with 3d computer graphics, third edition”, by Michael ORourke, December, 2002, Amazon.,参考书目,动画设计与制作 作者 韩雪涛 中国水利水电出版社 。 三维图形动画与opengl编程实现。 Advanced Animation with DirectX电子书籍。 Siggraph每年的文档,考试方式,考核方式： 考试加大作业方式，考试侧重在于算法理解和应用，大作业主要在于设计和实践应用 原则是尽量减少记和背的要求，强调理解和应用。 基本概念（强调理解，而不在于记忆） 基础知识（一些
3、基本原理，每章要强调的重点与期末复习重点） 操作应用（每章实际操作的案例） 创作（应用知识发挥自己的能力）,学科知识结构,计算机三维动画技术,图形学的概念,CS 351,图形学基本内容,Computer graphics: generating 2D images of a 3D world represented in a computer. Main tasks: modeling: (shape) creating and representing the geometry of objects in the 3D world animation: (movement) describi
4、ng how objects change in time rendering: (light, perspective) generating 2D images of the objects,从历史来认识动画,动画概念,动画的起源（连环画）,动画的历史其实是很长的。远古时代各种形式的图像记录就已经显示出人类在潜意识中要表现物体动作以及这个动作的时间过程的欲望。 法国考古学家普度欧马（Prudhommeau ）在1962年的研究报告中指出，在两万五千年前的石器时代，古人类的洞穴上就有野牛奔跑的分析图，这是人类试图捕捉凝结动作的表现。到了16世纪，西方第一次出现了手翻书的雏形，这与动画的概念也
5、有相通之处。,动画的起源（魔术幻灯）,动画的发源可以追溯到“魔术幻灯”。“魔术幻灯”是17世纪的阿塔纳斯珂雪（Athanasius Kircher）发明的，它是指在一个铁箱里放一盏灯，在箱的一边开一小洞，并装上透镜，然后将一片绘有图案的玻璃放在透镜后面，经灯光照射后，图案就会通过玻璃和透镜投射在墙上。经过不断改良，到了17世纪末，由钟和斯桑（Johannes Zahn）扩大了“魔术幻灯”的装置。钟和斯桑把许多玻璃画片放在旋转盘上，这样，出现在墙上的影像可以形成一种运动的幻觉。 与“魔术幻灯”类似的有中国唐朝出现的皮影戏。这是一种由幕后照射光源形成影子来进行表演的方式，它与“魔术幻灯”从幕前投射
6、光源的方法、技术虽然不一样，但反映出了东西方对操纵光影的相同的痴迷。,动画技术成形,说到“魔术幻灯”与动画发展的关系，就必须提到1824年彼得罗杰（Peter Roget）编写的一本谈眼球构造的小书移动物体的视觉暂留现象（Persistence of Vision with Regard to Moving Objects）。该书提出这样一个观点：形象刺激在最初显露后，能在视网膜上停留若干时间，当各种分开的形象以一定的速度连续显现时，在视网膜上的刺激信号就会重叠起来，从而形象就成为连续进行的形象了。根据这一理论，在1831年，法国人Joseph Antoine Plateau把画好的图片按照顺
7、序放在一部机器的圆盘上，这部机器有一个观察窗，用来观看活动的图片效果。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，形成了运动的画面，这就是原始动画的雏形。,最早的动画,1908年，法国人Emile Cohl第一次用负片制作了动画影片。采用负片制作动画，从概念上解决了影片载体的问题，为以后动画片的发展奠定了基础。 1909年，美国人Winsor Mccay用一万张图片表现了一个动画故事，这是迄今为止世界上公认的第一部像样的动画短片。从此以后，动画片的创作和制作水平日趋成熟。 1915年，美国人Eerl Hurd创造了一种新的动画制作工艺。他先在塑料
8、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。直到许多年后，这种动画制作工艺仍被沿用。 1928年，著名的Walt Disney把动画影片推向了颠峰。他在完善了动画体系和制作工艺的同时，把动画片与商业联系了起来，从而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丰富多彩的动画片。可以说，迪斯尼公司是20世纪最伟大的动画公司。,动画原理,动画是基于人的视觉原理创建一系列静止图像，然后在一定时间内连续快速地观看这一系列相关联的静止画面时（组成动画的每个单幅静止画面被称为帧），由于视觉暂留而形成连续动作的画面。 它的基本原理与电影、电视一样，都是视觉原
9、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，在一幅画面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，如图1-5所示。电影采用每秒24幅画面的速度拍摄播放，电视采用每秒25幅（PAL制）/30幅（N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，画面就会出现停顿现象。,动画设计基础,动画设计的主要目的是用良好的空间概念及创意思维，合理地处理角色关系，恰如其分地渲染场景，创作出优秀的动画形象和故事。动画设计应该保持一个开放的思想，同时为了实现设计师的构思而不断地探索新的方式，这样才能使创作
10、出来的动画有新意，受到观众的欢迎。动画设计需要付出巨大的努力，作为一种空间和时间的艺术形式，它表现的是艺术作品，传达的是运动和时间，因此，动画设计师需要具备可视化设计和运动理论的知识。,动画的应用,动画作用,发动机原理（文字描述）,简单来说就是是通过燃烧气缸内的燃料，产生动能，驱动发动机气缸内的活塞往复的运动，由此带动连在活塞上的连杆和与连杆相连的曲柄，围绕曲轴中心作往复的圆周运动而输出动力。,发动机原理（动画描述）,动画的优势,时间轴 信息量大 直观，易于理解,影视娱乐,计算机动画技术应用,Entertainment: Cinema,Pixar: Monsters Inc.,Square:
11、Final Fantasy,计算机动画技术应用,Medical Visualization,MIT: Image-Guided Surgery Project,The Visible Human Project,计算机动画技术应用,Scientific Visualization,计算机动画技术应用,Airflow around a Harrier Jet (NASA Ames),动画制作分类,动画技术,动画制作分类,二维动画 vs 三维动画 传统动画 vs 计算机动画,二维动画,在平面空间上，最基本的组件为点，由点组成线，再由线再构成平面，这个平面就称之为二维空间。二维空间中任一点表示为（X
12、，Y）。 计算机二维动画指的是通过计算机制作的类似于卡通动画的平面动画。,二维动画,二维动画的技术基础是“分层”技术。动画设计师将运动的物体和静止的背景分别绘制在不同的透明胶片上，然后叠加在一起拍摄。这样不仅减少了绘制的帧数，同时还可以实现透明、景深和折射等不同的效果。 计算机技术与传统动画设计结合，各个层开始在计算机上直接合成。计算机还能绘制出大自然、科幻式奇效等手绘无法完成的画面。,三维动画,从二维空间增加到三维空间，空间里的对象由面而变化为体，比二维图形多了一个坐标轴，三维空间的点的位置就表示为（X，Y，Z）。由于多了一个坐标轴，因此也就多了深度的差别。 但显示仍然在一个平面上（例如电视
13、机屏幕、计算机显示器等），因此，如何在平面上显现出其立体的特性，就需要一个投影过程。例如，平行投影维持物体的相对比例，主要用在建筑设计图上；透视投影则让物体显示得较为自然，可以显现远小近大的效果；隐藏线和隐藏面的消除则可以让物体更具真实感。 三维动画主要依赖计算机图像生成技术（Computer Graphics，简称CG），所以又被称为计算机动画。自1995年第一部完全由计算机制作的动画电影玩具总动员问世以来，三维动画就一直压制着同时期的二维动画电影。迪斯尼还算满意的二维动画大制作花木兰和泰山在玩具总动员2和虫虫危机面前就显得黯然失色了。,计算机图形与动画,三维动画依赖的CG技术通过计算机强大
14、的运算能力来模拟现实，这个过程需要完成建模、动作、渲染等步骤。建模就是以点、线、面的方式建立物体的几何信息；动作是在建模的基础上，通过动态捕捉、力场模拟等方法让物体按照要求运动；渲染就是给着了色、添加了纹理的物体打上虚拟的灯光进行模拟拍摄。,传统动画制作流程,传统动画的制作过程可以分为总体规划、设计制作、具体创作和拍摄制作四个阶段，每一阶段又有若干个步骤。,传统动画制作流程,总体设计阶段 这个阶段主要做三件事：剧本、故事板和设置表。这些工作主要是导演的工作。 第一是剧本。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。一般影片中的对话是表现剧情的重要形式，而在
15、动画影片中则应尽可能避免复杂的对话，而是用画面表现视觉动作。最好的动画是通过精彩的动作获得观众的喜爱的，由视觉效果来激发人们的想象。 第二是故事板。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。故事板由若干片段组成，每一片段由一系列场景组成，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。在绘制故事板的各个分镜头的同时，作为其内容的动作、对白的时间、摄影指示、画面连接等都要有相应的说明。一般来说，30分钟的动画剧本，若设置400个左右的分镜头，则需要绘制约800幅图画的故事板。 第三
16、是摄制表。摄制表是导演编制的整个动画制作的进度规划表，以指导动画创作集体中各方人员统一协调地工作。,传统动画制作流程,设计制作阶段 这个阶段主要做两件事情：设计和音响。 第一是设计。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。对动画角色进行造型设计，并绘制出每个造型的几个不同角度的标准，以供其他动画人员参考。 第二是音响。在动画制作时，因为动作必须与音乐匹配，所以音响录音要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
17、到每一幅画面位置与声音对应的条表，供动画人员参考。,传统动画制作流程,具体创作阶段 这个阶段主要有四件事情要做：原画创作、中间插画创作、誉清和描线以及着色，这些工作主要是动画设计师和制作者的工作。 第一是原画创作。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。 第二是中间插画制作。中间插画是指两个重要位置或框架图之间的图画，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。 第三是誉清和描线。前两步所完成的动画设计均是铅
18、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，然后再用手工给誉印在胶片上的画面的线条进行描墨。 第四是着色。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）。,传统动画制作流程,拍摄制作阶段 这个阶段主要有四件事情：检查创作好的动画画面、拍摄、编辑及录音。这些工作要求所有的动画制作人员都要参与。 第一是检查。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。 第二是拍摄。动画片的拍摄，使用中间有几层玻璃层、顶部有一部摄像机的专用摄制台。拍摄时将背景放在最下一层，中间各层放置
19、不同的角色或前景等。拍摄中可以移动各层产生动画效果，还可以利用摄像机的移动、变焦、旋转、变化和淡入等特技上的功能，生成多种动画特技效果。 第三是编辑。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。 第四是录音。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像带上。,计算机动画制作流程,计算机动画又可以分为计算机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
20、画。二维计算机动画制作同样要经过传统动画制作的四个一般步骤，只是由于计算机的使用大大简化了工作程序，方便快捷，提高了效率。,计算机动画制作流程,关键帧的产生 关键帧以及背景画面可以用摄像机、扫描仪、数字化仪器进行数字化输入。可以用扫描仪输入铅笔原画，再用计算机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，以方便我们的绘图。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，在计算机中一步就完成了。,计算机动画制作流程,中间画面的生成 利用计算机对两幅关键帧进行插值计算，自动生成中间画面，这是计算机辅
21、助动画的主要优点之一。利用计算机自动生成中间画面不仅精确、流畅，而且还将动画制作人员从繁琐的劳动中解放出来了。,计算机动画制作流程,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，所以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，对层的各种控制如移动、旋转等，也非常容易。,计算机动画制作流程,着色 动画着色是非常重要的一个环节。计算机动画辅助着色可以代替乏味、昂贵的手工着色。,计算机三维动画技术,动画技术,动画控制分类,艺术创作动画（arti
22、stic animation) 数据驱动动画(data-driven animation) 过程动画(procedural animation),计算机动画技术,计算机应用在动画处理方面的相关技术 Kinematics Physics (a.k.a. dynamics, simulation, mechanics) Character animation Artificial intelligence Motion capture / data driven animation 后面幻灯侧重了解这些技术的整体概貌,Character Animation,Keyframe Animation M
23、otion Capture Inverse Kinematics Locomotion Procedural Animation Artificial Intelligence,Character Animation,Physics Simulation,Particles Rigid bodies Collisions, contact, stacking, rolling, sliding Articulated bodies Hinges, constraints Deformable bodies (solid mechanics) Elasticity, plasticity, vi
24、scosity Fracture Cloth,Fluid dynamics Fluid flow (liquids & gasses) Combustion (fire, smoke, explosions) Phase changes (melting, freezing, boiling) Vehicle dynamics Cars, boats, airplanes, helicopters, motorcycles Character dynamics Body motion, skin & muscle, hair, clothing,Physics Simulation,其他相关内
25、容,动画技术,Animation Tools,Maya 3D Studio Lightwave Filmbox BlenderMany more,三维电影制作,计算机三维技术的终极应用，在动作逼真，图像逼真方面都已经取得了很大的进步。另一方面也为电脑技术创作开辟了新的技术支持。,电影渲染服务架构,3D Digital Contents Rendering,9 New Growth Engine,High Profile Strategic Industry,Global Industy,Core of Digital Contents Production Last Quality Decis
26、ion ProcessLarge Scale Investment is required,Required by 3 of 9 New Growth EngineRequires BcNEasy to become Global Business,Animation,Game,Movie/CF,Input Data (Raw Data),Output Data (Rendered),(Render Farm Network),Global Customers using RenMan/Grid,Secured Internet,Animation Clients,Game Clients,C
27、ommercial Clients,Movie Clients,一个渲染过程,三维动画电影制作流程,Conceptual Design Production Design Modeling Materials & Shaders Rigging Blocking Animation Lighting Effects Rendering Post-Production,Resolution & Frame Rates,Video: NTSC: 720 x 480 30 Hz (interlaced) PAL: 720 x 576 25 Hz (interlaced) HDTV: 720p: 12
28、80 x 720 60 Hz 1080i: 1920 x 1080 30 Hz (interlaced) 1080p: 1920 x 1080 60 Hz Film: 35mm: 2000 x 1500 24 Hz 70mm: 4000 x 2000 24 Hz IMAX: 5000 x 4000 24-48 Hz Note: Hz (Hertz) = frames per second (fps) Note: Video standards with an i (such as 1080i) are interlaced, while standards with a p (1080p) a
29、re progressive scan,Interlacing,Older video formats (NTSC, PAL) and some HD formats (1080i) use a technique called interlacing With this technique, the image is actually displayed twice, once showing the odd scanlines, and once showing the even scanlines (slightly offset) This is a trick for achievi
30、ng higher vertical resolution at the expense of frame rate (cuts effective frame rate in half) The two different displayed images are called fields NTSC video, for example, is 720 x 480 at 30 frames per second, but is really 720 x 240 at 60 fields per second Interlacing is an important issue to consider when working with video, especially in animation as in TV effects and video games Computer monitors are generally not interlaced,课后作业,要求查阅计算机动画技术的相关资料。 自学第二、三章内容。,
