分析三維動畫與計算機圖形圖像理論

牛 青

（貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽 550023）

0 引言

從中國第一部三維動畫影視作品《魔比斯環(huán)》開始，三維動畫被逐漸的被應(yīng)用于廣告和電影電視劇的特效制作、廣告產(chǎn)品展示、片頭飛字等等。另外在不斷的被應(yīng)用于廣告制作，如今也在教育行業(yè)被廣泛的運用。計算機三維動畫是利用計算機技術(shù)制作生成的立體動態(tài)圖像。動畫和電影的畫面刷新率為24幀/s,即每秒放映24幅畫面，主要是模仿現(xiàn)實人類或者任何東西的一連續(xù)動作，并且隨著人們視覺的變化而不斷變化，現(xiàn)代三維動畫在視覺上可以做到以假亂真的效果。隨著我國十二五規(guī)劃中提倡大力發(fā)展動畫產(chǎn)業(yè)，我國對三維動畫技術(shù)的創(chuàng)新也是刻不容緩，利用計算機三維動畫可以讓現(xiàn)實、虛擬的世界更加的豐富多彩。另外一個問題是關(guān)于三維動畫教學(xué)，應(yīng)該在教學(xué)過程中融入計算機圖形圖像理論，從而使得學(xué)生能夠更好的接受、學(xué)習(xí)三維動畫制作與設(shè)計。

1 三維動畫原理概述

計算機動畫是指采用圖形與圖像的處理技術(shù)，借助于編程或動畫制作軟件生成一系列的景物畫面，其中當前幀是前一幀的部分修改。 計算機動畫是采用連續(xù)播放靜止圖像的方法產(chǎn)生物體運動的效果，即一段三維動畫是由多個靜止的圖像所組成。而且計算機三維動畫在計算機圖形圖像理論中的一個重要的分支點，它是一種不同于平面動畫的位移動畫，利用位移向量改變定點的位置，但保持了原有的物質(zhì)和拓撲結(jié)構(gòu)，開發(fā)計算機三維動畫制作程序，使得畫中的景物有正面、側(cè)面和反面，調(diào)整三維空間的視點，能夠看到不同的內(nèi)容。實現(xiàn)三維動畫的語言種類有許多，主要分為線性表標記語言、擴展了動畫描述功能的通用語言和圖形語言三類。另外一種語言就是利用計算機程序語言來設(shè)計動畫。

2 三維動畫的實現(xiàn)

首先，三維軟件的時間概念。通過在三維動畫的設(shè)計軟件里，主要是以“幀”來計算動畫播放的時間，一幀就是一副靜止的畫面，連續(xù)的幀就形成動畫，而對于幀數(shù)，簡單地說，就是在1秒鐘時間里傳輸?shù)膱D片的幀數(shù)，也可以理解為圖形處理器每秒鐘能夠刷新幾次。對于某一個時間點到另一個時間點的幀，稱之為關(guān)鍵幀，至少前后要給出兩個不同的關(guān)鍵狀態(tài)。中間狀態(tài)的變化和銜接電腦可以通過計算機完成。關(guān)鍵幀在三維動畫設(shè)計中是基礎(chǔ)和普遍運用的技術(shù)方法，影響畫面圖像的的參數(shù)，如移動、旋轉(zhuǎn)、變形、變色的參數(shù)，都可以成為關(guān)鍵幀的參數(shù)。

另外一種設(shè)計三維動畫的方法就是利用樣條驅(qū)動動畫，它主要是對物體的運動軌跡樣條進行交互式的制定，結(jié)合制作的素材資源對動畫進行設(shè)計、構(gòu)思。不僅是三維動畫，基本上所有的動畫設(shè)計都采用的這兩種方法制作。

3 三維動畫及與計算機理論的應(yīng)用

三維動畫是從單個的平面或二維動畫設(shè)計成復(fù)雜的幾何立體動畫，它可以設(shè)計任何東西，對動畫中角色的外形的物體和人物進行仿真，更重要是它結(jié)合了計算機圖形學(xué)理論，使得動畫具有空間感、立體感。利用三維動畫制作軟件結(jié)合動畫角色中的不同對象，將它們結(jié)合完成后，會集合在一個單個的關(guān)鍵幀節(jié)點下，并且可以在某一處關(guān)鍵幀、通道對其進行所需要的適當動畫設(shè)計。而角色并不是對象的成組集合，角色點知識單一的組節(jié)點，而不能代表動畫動作的節(jié)點。而是把代表動作或其他的節(jié)點放入角色組中或通道中，特定的關(guān)鍵幀利用計算機技術(shù)來對角色進行模擬，然后隨著時間的推移而發(fā)生行為或動作的變化。筆者是三維動畫制作的教師，就本身多年的教學(xué)談?wù)勱P(guān)于計算機三維動畫制作的經(jīng)驗。

3.1 關(guān)鍵幀動畫

三維動畫的關(guān)鍵幀技術(shù)是在傳統(tǒng)的動畫制作的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，從上一幀至下一幀的一段連續(xù)的動畫，是其間的每一個靜止畫面的幀所組成。制作相對較為簡單，不需要對所有的幀進行逐個的進行繪制，而是選取靜止畫面中的幾幀進行繪制即可。我們通過畫面中連續(xù)動作變化的轉(zhuǎn)折點，可以修改該幀的內(nèi)容，表示關(guān)鍵狀態(tài)的幀，成為關(guān)鍵幀。關(guān)鍵幀的繪制完成后，在對中間幀畫面進行繪制，然后將它們結(jié)合在一起，就完成了三維動畫的制作。最初的計算機動畫技術(shù)是利用計算機插值關(guān)鍵幀，即通過改變運行參數(shù)的插值，如移動、旋轉(zhuǎn)、變形、變色的參數(shù)或者組合多個運動參數(shù)的插值，從而實現(xiàn)控制動畫的運動?，F(xiàn)代計算機動畫的制作，為了實現(xiàn)各種條件下的插值算法，采用了許多的新型數(shù)學(xué)計算方法來加快插值計算的速度、減少運動畫面的不連續(xù)性以及對畫面運動的路徑節(jié)點進行控制。主要有以下三種方法：1）Gauss型數(shù)值積分方法。在動畫插值中都會遇到弧長參數(shù)化問題：為了確定物體在運動軌跡上在某一幀的畫面中的位置，一般會采用參數(shù)樣條來表示物體運動的軌跡。如果只是單一的把參數(shù)和幀頻直接聯(lián)系起來，或者對參數(shù)空間單一的等間隔采樣，那么物體在運動時，可能會出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。為了使物體沿著樣條運動并且均勻，就必須是弧長與樣條參數(shù)進行一一對應(yīng)。利用Gauss數(shù)值積分方法來計算弧長，使得弧長點能夠很好的確定其在曲線上的位置；2）向前查分和查找表的方法。動畫設(shè)計師在設(shè)計中為了觀察物體運動是否合格，會經(jīng)常性的調(diào)整運動的軌跡，調(diào)整操作時對交互速度的要求較高。利用向前查分和查找表的方法，可以很好的提高交互的速度，如果對精確度的要求不高，那么采用這種方法則非常有效；3）雙插值方法。關(guān)鍵幀插值的問題，從運動學(xué)控制的理論上來說，實際是一種參數(shù)插值的問題。運動的效果形象逼真取決于關(guān)鍵幀插值的方法是否合理和能否為用戶提供快捷、方便和有效的控制手段。動畫中的物體運動的軌跡應(yīng)該要符合運動學(xué)控制和動畫設(shè)計的原理，否則它給人們的感覺將會不真實，為了能夠使得動畫運動符合常規(guī)，那么必須對運動的特性進行控制，也就是通過對插值的函數(shù)進行調(diào)整，從而改變物體運動的速度和加速度。利用雙插值的方法就是控制位置樣條和運動樣條，即位置對關(guān)鍵幀的函數(shù)和關(guān)鍵幀對時間的函數(shù)進行控制?？偟膩碚f，對于設(shè)置關(guān)鍵幀，主要是利用函數(shù)的變化來對插值進行控制。

3.2 變形動畫

計算機三維動畫技術(shù)常常會對動畫中的人物、物體進行變形，因此必須提高變形技術(shù)。常用的二維動畫變形技術(shù)是一種基于圖像Morph的技術(shù)，在動畫軟件中，Morph稱為圖像之間插值的變形。而圖像本身插值變形則稱為Warp。在設(shè)計中如果要進行Warp操作，必須先明確圖像特征結(jié)構(gòu)的定義，然后根據(jù)特征結(jié)構(gòu)對圖像變形，這是單一的對單個圖像進行變形操作。而對于兩幅的圖像操作Morph變形，首先必須對各個圖像進行Warp操作，根據(jù)不同方向得到Morph的圖像系列，將其合成來獲得Morph的結(jié)果。通過點或結(jié)構(gòu)矢量所構(gòu)成的圖像框架的描述結(jié)構(gòu)稱之為圖象的特征結(jié)構(gòu)。而三維動畫進行變形操作，主要分為兩大類：1）拓撲結(jié)構(gòu)的變形。三維動畫的Morph變形，主要是改變、建立兩個三維物體的插值和對應(yīng)關(guān)系，繪制三維Moth的插值轉(zhuǎn)換路徑，并且在對三維物體進行Morph處理是，可以融入物體的特征結(jié)構(gòu)特性的描述；2）自由格式變形。這種變形方法主要是添加了Warp3D功能，使得三維物體在變形時，能夠自由的進行空間放射的變換，如果要使物體變形，直接改變變形函數(shù)的參數(shù)即可。

3.3 人體動畫

在三維動畫中，人體的造型和仿真動作是三維動畫最吸引人的地方，同時，而早期的計算機動畫對人體外形的控制不是很好，隨著動畫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，它逐漸成為計算機圖形學(xué)中最困難的挑戰(zhàn)。主要是每個人的樣貌、體型、骨骼、關(guān)節(jié)特征都不同，那么在動畫中仿真設(shè)計就必須符合人的特征，而常規(guī)的計算機圖形學(xué)中的計算和幾何模型很難表現(xiàn)出人的那種生態(tài)和真實性。我國國內(nèi)的一些電影和游戲只能做出簡單的模仿，即利用旋轉(zhuǎn)復(fù)制法，這種方法主要是通過感受器對人的實際運動狀態(tài)進行記錄和復(fù)制，然后在動畫中模擬出真人實體的運動。

3.4 物理特性建模

這種方法主要是在幾何模型中融入物體的物理特性，然后對仿真進行數(shù)值計算，而且在仿真的過程中，物體的行為會自動確定。物體的物理特性主要是指物體本身物理參量與幾何模型及運動、不同物理參量和不同物體的參量之間的關(guān)系，它們分別表示了物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和對物理特性的影響，物體之間的相互作用是隨著物理參量的變化而變化。

3.5 位移動畫技術(shù)

位移動畫技術(shù)是動畫制作中一種簡單實用的方法，必須有兩個或兩個以上的關(guān)鍵幀，而且是一個成組的圖形，它主要主要是進行延長幀和調(diào)整色彩的方法，在物體的表面設(shè)置一個頂點的位移向量，在保持物體的材質(zhì)和拓撲結(jié)構(gòu)的前提下，形成動畫。而且計算機動畫制作也充分利用了粒子、L系統(tǒng)的方法，例如，在許多的電影設(shè)計中，利用這種粒子系統(tǒng)來表現(xiàn)自然景物，例如雨水、暴雪、火焰等。

4 結(jié)束語

動畫產(chǎn)業(yè)是我國十二規(guī)劃中的重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)。國產(chǎn)原創(chuàng)系列電視動畫片《喜羊羊與灰太狼》，由廣東原創(chuàng)動力文化傳播有限公司出品。自2005年6月推出后，陸續(xù)在全國近50家電視臺熱播，這是我國動畫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個轉(zhuǎn)折點。從《相似》到2008年的《北京歡迎您》，我國三維動畫技術(shù)和產(chǎn)業(yè)也在不斷發(fā)展。隨著計算機動畫軟件的不斷更新，例如FLASH、MAYA等軟件已經(jīng)被列入我國教育動畫專業(yè)的必修教程，教師在教學(xué)時，也應(yīng)該充分的融入計算機圖形圖像的理論，使得學(xué)生更容易接受三維動畫學(xué)習(xí)，制作、設(shè)計的三維動畫，更加具有真實性。

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