三維電腦動畫技術(shù)概論

肖億立

[摘要]近年來，三維電腦動畫技術(shù)蓬勃發(fā)展，并且在影視、廣告等領(lǐng)域內(nèi)占有的地位越來越重要。在這樣的背景下，概述有關(guān)三維電腦動畫技術(shù)的知識：發(fā)展史、技術(shù)現(xiàn)狀、未來展望，為有志從事三維電腦動畫技術(shù)的人員提供一個概括性的綜述。

[關(guān)鍵詞]三維電腦動畫技術(shù) 物體造型技術(shù) 運(yùn)動控制技術(shù) 畫面著色技術(shù)

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0720196－01

伴隨著近年來，《玩具總動員》、《馬達(dá)加斯加》、《籬笆墻外》等一系列優(yōu)秀3D動畫電影的盛行，三維動畫技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。那么，計算機(jī)三維動畫技術(shù)是什么呢？

它是以計算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)的，綜合計算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等各種科學(xué)為一體的新型技術(shù)，它實現(xiàn)了從傳統(tǒng)圖形技術(shù)向?qū)崟r圖形技術(shù)的轉(zhuǎn)變。與二維動畫相對應(yīng)，三維動畫增強(qiáng)了立體感和空間感，不再局限于上下左右的運(yùn)動效果。在影視廣告制作方面，這項新技術(shù)能夠給人耳目一新的感覺，因此受到了眾多客戶的歡迎。本文首先總結(jié)了三維電腦技術(shù)的發(fā)展史，然后介紹了目前三維電腦的技術(shù)現(xiàn)狀，最后對未來的三維電腦技術(shù)的發(fā)展做出展望。

一、三維電腦動畫技術(shù)的發(fā)展史

1982年，迪斯尼（Disney）推出了第一套電腦動畫的電影：Tron（電腦爭霸），這是全新的動畫電影的開山之作，同時為后來的3D電腦動畫起到很好的開端。

蓬勃發(fā)展的三維動畫技術(shù)是出現(xiàn)最近些年，這要歸功于近些年來計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和相關(guān)三維動畫技術(shù)理論的不斷深入研究。目前來看，可以將三維電腦動畫技術(shù)的發(fā)展史可以分為三個階段[1]：

1995年至2000年是第一階段，此階段是三維動畫的起步以及初步發(fā)展時期。在這一階段，皮克斯/迪斯尼是三維動畫影片市場上的主要玩家。

2001年至2003年為第二階段，此階段是三維動畫的迅猛發(fā)展時期。在這一階段，三維動畫從“一個人的游戲”變成了皮克斯和夢工廠的“兩個人的撕咬”：夢工場的怪物史瑞克，皮克斯的海底總動員是這個階段的典型作品。

從04年開始，三維動畫影片步入其發(fā)展的第三階段：全盛時期。在這一階段，三維動畫將演變成“多個人的游戲”：華納兄弟電影公司的《極地快車》；藍(lán)天工作室的《冰河世紀(jì)1》、《冰河世紀(jì)2》等。

二、三維電腦動畫技術(shù)的現(xiàn)狀

計算機(jī)動畫分為二維動畫和三維動畫，三維動畫技術(shù)涉及三個主要技術(shù)[2，3]：

（1）物體造型。包括如何描述和構(gòu)造一個三維物體。（2）運(yùn)動控制。在一個時問段內(nèi)，物體的位置或形狀發(fā)生改變。不僅所有角色產(chǎn)生運(yùn)動，而且所有運(yùn)動必須同步考慮。在物體運(yùn)動的同時，一個虛擬相機(jī)也要改變其位置、方向和焦距。（3）畫面著色。這是一個產(chǎn)生逼真圖像的處理方法，一般除了采取消除隱藏面和光照計算外，還要進(jìn)行一些諸如明暗、陰影、透明、紋理等效果處理。

（一）物體造型技術(shù)。計算機(jī)三維動畫首要的步驟就是對客觀物體進(jìn)行計算機(jī)的三維模型重建，而客觀物體形態(tài)萬千，因此利用計算機(jī)進(jìn)行幾何建模的方法也各不相同。目前廣泛采用的幾何建模包括以下幾種：

1．利用基本原色（如平面多邊形、正方形、圓柱形、球體、曲面片）進(jìn)行拼接組合來制作幾何模型；2．通過兩個造型之間進(jìn)行布爾運(yùn)算（交、并、差等）來產(chǎn)生新的幾何模型；3．通過Sweep造型工具來制作客觀物體模型。首先通過鼠標(biāo)在二維平面上描繪出客觀物體的各種特性曲線，后通過sweep方法將這些曲線變成三維模型；4．利用三維變換產(chǎn)生新造型。將三維模型進(jìn)行線性或者非線性變換，從而產(chǎn)生新的造型。常用的變換包括旋轉(zhuǎn)、縮放、彎曲、扭曲、傾斜、錐形變形等；5．利用離子模擬幾何造型。通過一系列的粒子來定義物體，每個粒子都有出生，生命期，死亡過程。在粒子的生命期，粒子屬性如色彩、透明度、大小、運(yùn)動速度、加速度、運(yùn)動方向等可隨時間變化，從而產(chǎn)生某些自然現(xiàn)象如云、霧、雪、雨、火、瀑布等物體模型；6．三維掃描儀。又稱為數(shù)字化儀，它能夠迅速的獲得物體表面的立體坐標(biāo)和色彩信息，并將其轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能夠直接處理的三維色彩數(shù)字化模型。

（二）運(yùn)動控制技術(shù)。根據(jù)動畫的生成方法，一般將三維動畫分為兩類：關(guān)鍵幀動畫和算法動畫。

關(guān)鍵幀動畫是根據(jù)動畫設(shè)計者的一組關(guān)鍵幀，自動生成中間畫。有兩種方法實現(xiàn)關(guān)鍵幀：一種方法是通過對關(guān)鍵幀三維形狀進(jìn)行插值計算而得到中間各幀；另一種方法是對物體本身模型中的參數(shù)進(jìn)行插值計算。

算法動畫中的運(yùn)動是用算法來描述的，其中物理規(guī)律作用于各種參數(shù)。例如：機(jī)器人在各關(guān)節(jié)點的角度變化可以由運(yùn)動學(xué)定律或動力學(xué)定律來控制，運(yùn)動學(xué)是物理學(xué)中研究物體位置和運(yùn)動的一個科學(xué)分支，動力學(xué)是物理學(xué)中描述物體怎樣運(yùn)動的另一個分支。因此，算法動畫還可以分為動力學(xué)算法動畫和運(yùn)動學(xué)算法動畫。

（三）畫面著色技術(shù)。在三維動畫技術(shù)中，為了模擬出自然界中物體的真實材質(zhì)感，三位電腦動畫畫面著色技術(shù)從三個方面定義模型的色彩特征：色彩、紋理模型及屬性。除定義幾何物體的色彩外，還需定義光的色彩和類型。

1．色彩分析。在計算機(jī)圖形學(xué)中，一般從三個方面考慮物體所受的光線：環(huán)境光引起的漫反射；入射光引起的漫反射；入射光引起的鏡面反射。2．紋理貼圖式樣分析。除色彩外，還需要通過各種紋理貼圖來表現(xiàn)出實際物體表面的各種紋理貼圖，主要貼圖式樣有：Texture貼圖、Pacify貼圖、Reflection貼圖、Decal貼圖、Bump貼圖、Procedural貼圖。3．物體屬性分類。為表現(xiàn)物體的各種質(zhì)感，還為物體設(shè)定了各種屬性：透明性、射性、射特性、發(fā)光特性。4．光源設(shè)定分類。光源的設(shè)定主要從以下三個方面考慮：光的模式、光的位置、光的顏色。其中光的模式又可分為點光源、平行光源和聚光燈光源。

三、三維電腦動畫技術(shù)的展望

近20年來，計算機(jī)三維動畫技術(shù)一直是計算機(jī)圖形學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，發(fā)展極快。目前，無論在理論上還是在應(yīng)用上都已取得了很大的成功。但是，由于技術(shù)、設(shè)備的原因，計算機(jī)三維動畫離人們的期望還有一定的距離，采用計算機(jī)模擬許多自然現(xiàn)象以及人體動作還有一定的困難。

在這樣的背景下，與三維電腦動畫技術(shù)平行的三維虛擬技術(shù)逐漸出現(xiàn)了融合的趨勢，并且已經(jīng)出現(xiàn)了很多有益的嘗試[4]。三維動畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合是三維圖形圖像技術(shù)發(fā)展歷程上的一次飛躍，它給人們帶來了全新的視覺刺激和享受，實現(xiàn)了過去所無法想象的圖形、圖像表現(xiàn)技術(shù)。隨著研究的深入與硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，我們有理由相信：三維動畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)也必將有著廣泛、密切的互動和交叉應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]http://baike.baidu.com/view/87262.htm.

[2]孫家廣等，計算機(jī)圖形學(xué)[M].清華大學(xué)出版社，1998.

[3]楊四亦，計算機(jī)動畫運(yùn)動生成的方法和原理[M].電子出版社，1995.

[4]劉賢梅等，三維動畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)的研究[J].計算機(jī)仿真，2004，21（9）：127-129.