计算机图形技术在三维动画中的应用

计算机图形学课程设计题目名称:计算机图形技术在三维动画中的应用班级：信科081学号：200800114118学生姓名：高枫2012年1月1计算机图形技术在三维动画中的应用摘要随着计算机图形学的发展，它受到越来越多的人们的关注。尤其是在三维动画上的应用对三维动画研究带来了极大的便利。在三维动画图像处理中，主要用到的就是计算机图形学中的三维模型建模方法，为用户提供具有真实感的三维图形，能提高动画的准确性和方便性，它在辅助游戏的开发、电视动画制作、广告传媒、电影特技制作等方面将会产生非常重要的作用。三维模型建模方法是计算机图形学的重要基础，是生成精美的三维场景和逼真动态效果的前提。计算机动画是计算机图形学与艺术相结合的产物，是伴随着计算机硬件和图形算法高速发展起来的一门高新技术，它综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学和其他相关学科的知识。用计算机生成绚丽多姿的连续的虚拟真实画面，给人们提供了一个充分展示个人想象力和艺术才能的新天地。本文主要对三维图形制作、图形图像处理和影视广告中计算机图形技术在三维动画中的应用进行综述，并简要讨论。关键词：三维动画；计算机图形学；图形图像处理21现代计算机图形技术介绍及应用1.1现代计算机图形技术简介三维计算机图形技术主要包括两大类，即三维动画技术和三维虚拟技术。计算机三维动画是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一新兴技术。三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其他动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算．生成最后的画面。所谓动画也就是一幅图像“活”起来的过程。使用动画可以清楚的表现出一个事件的“过程”，传统的影视动画是一门通过在连续多格的胶片上拍摄一系列单个画面，从而产生动态视觉的技术和艺术，这种视觉是通过将胶片以一定的速率放映体现出来的。动画和电影的画面刷新率为24帧／s，即每秒放映24幅画面，则人眼看到的是连续的画面效果。计算机动画是指采用图形与图像的处理技术，借助于编程或动画制作软件生成一系列的景物画面，其中当前帧是前一帧的部分修改。也可以说计算机动画是采用连续播放静止图像的方法产生物体运动的效果。三维(或3D，是three-dimensional的缩写)，就是三维图形。在计算机里显示3D图形，就是说在平面里显示三维图形。不像现实世界里，真实的三维空间，有真实的距离空间。计算机里只是看起来很像真实世界，因此在计算机显示的3D图形，就是让人眼看上就像真的一样。人眼有一个特性就是近大远小，就会形成立体感。计算机屏幕是平面二维的，我们之所以能欣赏到真如实物般的三维图像，是因为显示在计算机屏幕上时色彩灰度的不同而使人眼产生视觉上的错觉，而将二维的计算机屏幕感知为三维图__像。计算机三维动画区别二维动画在于画中的景物有正面、侧面和反面，调整三维空间的视点，能够看到不同的内容。计算机三维动画的关键技术体现在计算机动画制作软件及硬件上。计算机动画制作软件目前很多，不同的动画效果，取决于不同的计算机动画软、硬件的功能。虽然制作的复杂程度不同，但动画的基本原理是一致的。目前国内外流行的三维动画软件有法国TDI，加拿大ias，美国Wavefront(NUm3S)，3DSMAX2．5，TrueSpace，Lightscape，Lightwave3D，MAYA等等。硬件方面，因为计算机动画制作在追求逼真“效果”的同时常常伴有“天”量的计算，所以除了CPU、内存有很高的要求外，最关键是专业级的显卡。计算机三维动画的制作过程是一个人脑与电脑的分工协作、有机配合、充满创意的工作过程。计算机三维动画是根据数据在计算机内部生成的，而不是简单的外部输入。首先要创建物体模型，然后让这些物体在空间动起来，如移动、旋转、变形、变色。再通过打灯光等生成栩栩如生的画面。三维虚拟仿真技术也称为虚拟现实技术(virtualreality)，是20世纪90年代以来为科学界和工程界所关注的技术，能为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。其特点就在于计算机能通过图形构成三度空间，或者把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感受。具体来看，虚拟技术是多媒体技术发展的更高境界，它具有Intensive(高密度性)，Interactive(交互性)，Immersion(融人性)，3Illustrative(清晰性)，Intuitive(直观性)的特性，其中实时性与交互性是虚拟技术区别与动画技术的主要特征，也是它能运用于现代工程设计的重要优点，更是其吸引设计师的主要原因。三维虚拟仿真技术生成的可视化产品实质上是数字产品，它具有真实产品所具有的特征，但它也拥有传统方法不可比及的优势，能节省传统方法制造物理模型所需要的时间和物质。由于采用虚拟技术，其应用于现代工程设计中能大大节约设计师的重复劳动时问，降低设计成本，提高设计的原创性。基于虚拟技术的数字产品其建立方法关键在于场景模型的生成方法，这也是主要的技术环节。具体的环节是：获得数据一标度摄像头一分离对象一建立模型一嵌入颜色一交互回放。在制作完成的现代工程虚拟环境中，可以形成更直观更生动的动态画面，使用户获得非常真实的视觉效果和身临其境的感受。1.2三维动画技术和三维虚拟技术在现代工程设计中的运用三维动画技术在现代工程设计中的运用主要在设计方案的表达上，工程动画技术所带给客户前所未有的直观的表达方式，将各种专业性很强的技术措施形象化、通俗化。又因为动画可以进行连续动态的演示，可以完整的表现工程技术中有关进度、过程、步骤等各种关乎时间要素。三维虚拟技术在现代工程设计中的运用主要在工程设计过程中。工程技术人员通过相关软件在计算机上搭建虚拟模型，通过人机共享的界面进行实时的交互的“交谈”，进而完善和改进技术方案。这种实时的三维虚拟显示可以说代替了传统设计中的草图，更快捷、更形象的将技术人员大脑中的“构想”显现。从而在设计过程中形成人机互动的技术方案创作机制。三维动画作为计算机图形学的应用领域之一，成功的推出了许多优秀的三维动画制作软件，如3DSMAX、Alias、SOFTIMAGE、WAVEFORONT、TDI等。其中首推Autodesk公司的3DSMAX，它的作品着色速度快、色彩丰富，其质量可与图形工作站媲美。在这个三维动画软件中，你可以体会到作为一个导演、画家、摄影师、灯光师的快感、计算机图形学的应用无处不有，渗透到具有可视化需求的各个领域。各个领域的特殊需求又对图形学提出了新的挑战，作为一门独立的学科，他在丰富自己理论的同时，还不断朝着应用型、实用型、技术型发展。2三维动画制作技术2.1三维动画发展50年代计算机图形设备诞生了,60年代初美国麻省理工学院林肯实验IvanE.Sutherlan发表了一篇题目为“一个人机通信的图形系统”的博士论文,论文中提出了交互式计算机图形系统的设想,从而为计算机图形学的产生奠定了理论基础。从那时至今,短短的几十年里计算机图形学得到全面推广和广泛应用,图形技术也越来越朝着实用化发展。现实生活、工作中只要人们手工能做到的,甚至只要人们能够想象得到的图形、图象、视觉产品,利用计算机图形技术,4理论上基本都能实现这样就可以把人们从繁重的重复性劳动中解放出来,使人们的大脑从事更高级的劳动—想象和创意而三维动画是在传统动画的基础上发展而成的,其前身是皮影、走马灯、幻灯、卡通片动画是将一系列相互间略有差异的静止画面以一定频率连续播发而产生的视觉产品。三维动画设计是计算机图形学的一个重内容，目前在国际上，三维软件的应用十分普及。在我国，三维动画的应用也日臻成熟。从计算机仿真到建筑规划，从法律证据到导弹发射，从工业设计到商业展示，计算机动画无所不在。随着计算机硬件技术的发展和计算机三维图形软件开发的成熟，利用数字化手段，实现对现实场景拟真的虚拟技术和计算机三维动画技术在近年来成为计算机应用领域的热点，在游戏的开发、电视动画制作、广告传媒、电影特技制作及教育教学、科研工业生产、工程制造、建筑工程设计等行业得到广泛的运用并具有广阔的前景。特别是在现代工程技术领域，现代工程设计借助数字虚拟技术，不仅能如虎添翼摆脱繁重的重复劳动，而且能更深入的完善设计方案，构成设计的重要组成部分。数字化虚拟技术能融合现代信息技术与视觉审美艺术于一体，在现代工程设计领域里可实现空间的平面、立面、三维模型以及场景动态漫游的全息立体表现，完美而鲜活的展示现代工程设计艺术。随着计算机硬件技术的高速发展和计算机图形学研究的深入，用计算机生成各种以假乱真的场景画面和特技效果已成为可能，这就是我们所熟知的三维计算机动画技术。计算机动画是计算机图形学与艺术相结合的产物，是伴随着计算机硬件和图形算法高速发展起来的一门高新技术，它综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学和其他相关学科的知识。用计算机生成绚丽多姿的连续的虚拟真实画面，给人们提供了一个充分展示个人想象力和艺术才能的新天地。2.2三维动画制作技术的基本原理近年来，由于计算机技术的高速发展，科技人员开发出了三维动画制作系统，就是采用复杂的光照模拟技术，在x、Y、z三度空间内制作出完美的动画影像。一般的动画，是二维动画。有的是用手在平面上绘制，有的是用泥、布或木偶来制作出演员和道具，然后由操作人员活动，由摄影师拍摄成连续的胶片放映出来。而三维动画是依赖于计算机这个高级的现代化工具进行艺术的创造与加工的动画，计算机给制作人员提供了动画制作的工作台与各种工具，提供x、Y、z三个坐标轴，形成模拟的三维空间，这个空间中，提供形象的尺寸、动作、位置，然后可以按照要求制作各种立体模型，最后由操作人员生成彩色的动画影像，这就是现代的三维动画。三维动画软件3DS主要包括五大功能模块，分别是二维编辑模块(2DShaper)、三维放样模块(3DLofter)、三维编辑模块(3DEditor)、动画编辑模块(Keyframer)、材质编辑器(Materi—alsEditor)在这五大模块工作区内工作，就形成了一个动画制作的流程。三维动画软件3DS是应用软件，集建模型、建材质、动画制作、剪辑于一体的、能够制作出逼真的动画片的高新科技软件，软件中基本模型有立方体、园锥、角锥、园球、柱体等，在材质编辑器中可以选择各种各样的材料，如土质、石质、塑性、木质、玻璃、金属、光照等，有了模型有了材质就可以进行动效制作了。在3DS软件中，动作是靠关键帧来控制的。一个动作，可以设定起始帧一运动中5的帧一完成时的帧，这三个关键帧一经设定，由造型和材质完成的静态效果图就可以动起来了。3DS可以建立各种复杂的物体模型，就像人们用泥土、木块、布头去捏、削、堆成真实的物体一样，由计算机把它建立在屏幕上，3DS模拟物体运动真实感强，不仅能够表现运动，还能表现变形、融化、爆炸等等。3DS制作动画的整个原理几乎全部模拟现实生活。它用三视图(俯视、前视、后视)方式，制作一个三维的实体，再制作一种材质赋予它，三维物体的成品就基本完成了，然后通过摄影机观察物体，灯光射到物体上，自动计算出阴影与亮度，利用“只有在有光线的条件下才会看到物体”这一物理学上的一个基本原理，生成动画中的彩色画面，所谓“动画”实际上是将关键的动作进行变化，用计算机来完成其中的过渡帧。动画的产生是利用人的眼睛的视觉暂留完成的，这与电影、电视的理论完全相同。当每秒钟变化的画面超过15幅时，连续画面就会在人眼中产生动画现象。3DS也是根据这个原理来制作动画的，由操作人员制作关键的画面，也就是关键帧。计算机在此基础上，继续完成关键帧之间的画面，播放动画时，就是一幅幅画面的连续显示和不断刷新的过程。计算机的硬件、软件都提供了速度与质量的可靠保证。2.3三维动画的制作过程三维动画的制作过程大致如下：①着先要在三维空间中建立角色、实物和景物的三维数据②接着让这些角色和实物在三维空间里运动起来移近、移远、变比例、旋转、错