第四讲计算机动画

1Lecture42005.4.21第四讲计算机动画－１Introduction内容提要•计算机动画概述–传统动画与计算机动画的关系•计算机动画的应用和发展前景•计算机动画的造型方法•运动的控制与生成•关节动画与人体动画•计算机动画的真实感绘制•动画脚本描述语言与系统计算机动画概述•什么是动画？什么是计算机动画？•传统动画与计算机动画的关系？–动画的设计和制作过程–计算机动画的设计和制作过程•发展历史–动画的发展，计算机动画的发展–动画发展的里程碑•常用的动画制作软件–动画制作软件与动画师的关系什么是动画•动画是一门通过在某种介质上记录一系列单个画面，并通过以一定的速率回放所记录的画面而产生运动视觉的技术。•原理：视觉暂留现象•没有运动也可以有动画–物体的形变–物体的色彩变化–环境光强的变化•任何随时间发生的视觉变化都可以归属为动画发展历史•柏拉图山洞中的光影现象•19世纪，电影技术的产生，物理学，光学，化学，机械学等的发展。•1824年，PeterRoget发表论文《对于移动物体的视觉暂留现象》1831年，JosephAntoinePlateau和SimonRittrer制造了一台称为PhenakitStoscope的机器,可视为电影机的萌芽。•1887年，ThomasEdison和他的助手开始对动画进行研究•1895年，卢米埃尔兄弟因发明电影放映机而获专利,第一个电影放映厅在纽约开始营业2•1906年,第一部动画片出现•1915年，EarlHurd发明了卡通动画•1923年，WaltDisney公司在电影《绿野仙踪》中使用卡通形象•1928年.WaltDisney公司出品第一部同步配音卡通片《米老鼠》•1964年，BELL实验室的Kennowlton开始研究使用计算机技术来制作动画。计算机动画•辅助动画、自动动画•辅助动画系统与动画师的关系•计算机辅助动画对传统动画所起的辅助作用:•画面生成:•关键帧画面可以数字化方式输入;•关键帧画面可通过交互编辑产生;•复杂图形可通过编程产生;•运动生成:•给定关键帧，中间帧由计算机插值产生;•由计算机控制生成复杂运动;•由计算机涂色系统生成彩色图;•计算机模拟摄像机功能投放动画帧;•借助计算机在后期制作中加入特殊摄制效果或画面处理或伴音效果;特别地,计算机辅助动画将动画上升到传统动画所不能达到的高度---三维动画计算机动画发展里程碑•60年代:二维计算机辅助动画系统•(MSGEN系统(加拿大),CAAS系统(美国)）•70年代:三维图形与动画的基本技术的开发;•一小批领导三维动画与图像的公司的出现;•一些三维可明暗着色的系统的完成;•80年代:优化70年代出现的模型和阴影技术;•康奈尔大学（辐射度方法），JPL实验室(运动动态),•加利福利亚大学(样条模型),多伦多大学(过程技术),•俄亥俄洲立大学(人物分级动画与逆向运动学),•蒙特利尔大学(人物动画与嘴唇同步),3•东京大学(气泡表面模型技术),广岛大学(辐射度与灯光)•AliasAnimator(加拿大),Softimage(美国)•Wavefront(美国),Explore/TDImage(法)•90年代:动力学仿真技术、三维仿真演员系统自主动画(面向目标的动画)值得一提的Pixar公司RenderMan系统：•玩具总动员（创票房记录），美女与野兽(91Oscar)，阿拉丁(93Oscar)，蝙蝠侠回归，终结者Ⅱ，……•Geri’sgame(Oscar最佳短片奖)作品里程碑（国内）•92年，北方工大CAD中心，电影《相似》（SGI工作站，用C语言编写），93年北京科教厂优秀电影特别奖，93年广电部科技进步二等奖•儿童寓言电视片《咪咪钓鱼》（386上，C语言编写），10分钟，5人10个月•浙江大学，中科院计算所，数学所等•电视片头作品里程碑（国外1）•“Mr.ComputerImageABC”,(计算机产生的人物动画,1962)•“旅行者二号”,(JPL实验室,70年代后期)•“TRON”,(Disney公司,1982)•“星舰速舰记Ⅱ”,(过程模型的动画,1983-84)•“Bio-Sensor”,(大阪大学与ToyoLinks公司,1984)(早期的形体和带细粒状表面模型)•“Growth”,（过程技术与水下生物的生成，85-86）•“暴风雨数字模型的研究”，（模拟自然现象，1989，美）•“Don’tTouch”,(运用运动捕获技术的人物动画,1989,美)•“终结者Ⅱ”,(杰出变形效果与逼真自然人运动模拟,1991,美)•“蝙蝠侠回归”,(群组动画,1992,美)•“侏罗纪公园”,(逆向运动学与计算机图像技术的完美结合)ILM(IndustrialLight&Magic)实验室•刚果（Congo）:6000万美元，主角大猩猩埃美，演员模仿，拍摄后处理，更逼真。•《阿甘正传》，反越战大规模示威，成千上万人；与美国总统握手•《狮子王》，角马奔窜惊逃，两分半钟，五人小组两年半时间：模仿角马的行为；角马运动。用SGI，softImage,粒子系统。•《玩具总动员》，77分钟制作动画的传统方法•每秒24-30帧，18帧1.创意：描述故事：故事梗概、脚本、故事版。42.设计：具体场景及演员动作、音乐、布景，背景图，3.音轨:动画制作前录音，对话，音乐与动作保持同步4.动画制作5.中间帧6.静电复制和墨水加描：草图醋酸纤维胶片7.绘制（渲染），着色8.检查9.拍摄10.剪辑•关键帧（keyframe）•特技：PAN（摇移）、ZOOM（推拉）、TWIST（翻转）、FADE－IN（渐显）、FADE－OUT（渐隐）、淡入淡出、划入划出计算机动画的具体研究内容•关键帧插值技术(KeyframeAnimation)a.DorisKoch插值方法;b.双B样条方法(Time-keyframe&Position-keyframe);c.其它样条方法•过程控制技术(ProceduralAnimation)a.运动学与逆向运动学方法;b.粒子动画、分形动画、L系统文法方法;•人物动画技术(CharacterAnimation)a.人体工厂(humanfactory)与角色合成(actorSysthesis)b.面部表情(compression);梗概脚本故事版序列场景1镜头n镜头1镜头1镜头m场景15c.机器人技术(roboticstechniques)•动力学仿真技术•基于知识库的动画生成技术•各种变形技术•动画基础理论a.时域走样(temporalaliasing)与时域反走样;b.视觉心理;c.视频技术;•通过图像处理技术进行动画制作比如，运动模糊方法(motionblur)技术目标•交互性;•准确性;•实时性;•逼真性;•自主性计算机动画制作的工具环境1.群雄争霸：法国TDI、加拿大Alias、美国Wavefront(NURBS)2.异军突起：AutoDesk,3DS-3DSMAX-3DSMAX2.0-3DSMAX2.53.天下大乱：Wavefront吞并TDI,Alias投靠SGI，Wavefront只能投靠SGI，最后出现Alias|Wavefront各路好手涌现。SoftImage(投奔MS)、AnimationMaster等4.战场转移：PC性能不断提高。便宜3D软件占领市场。TrueSpace、Lightscape、Lightwave3D5.MAYA出山：SGI统一TDI、ALIAS、WAVEFRONT，形成MAYA。MAYA1998年6月推出PC版。计算机动画使用的硬件•SGI，SiliconGraphicsInc.Indy,Indigo2。WaveFront、Alias、SoftImage都在SGI上运行•PC，AutoDesk。3DStudio、3DSMax、AnimatorStudio、PhotoShop•Macintosh，Apple。ElasticReality、AliasSketch•Amiga，Commodore。VideoToaster、LightWave3D用来制作电视特技和动画动画的分类6•模型动画模拟人物或抽象形体等三维模型的位置，形状，属性的运动变化情况。•摄像机动画模拟摄像机的运动形式，包括定位，定向移动，摄像机轨迹，焦距及镜头伸缩的变化等。•光源动画模拟自然光源的位置，属性的变化。计算机动画的应用和发展前景•应用领域–艺术–影视•发展前景和发展趋势–基于知识的动画•相关技术•面临的问题计算机动画的应用领域•动画片制作;•广告、电影特技;•教学演示;•训练模拟;•作战演习;•产品模拟试验;•电子游戏发展趋势•是图形学的一个研究热点。•相关学科：物理学，机器人学，生物学，心理学，人工智能，多媒体技术，虚拟现实，……•开发具有人的意识的虚拟角色的动画系统，系统应具备的能力：–虚拟角色自动产生自然的行为对象动画摄像机动画位置几何形状变形外观和材质光源焦距位置和方向7–提高运动的复杂性和真实性：关节运动真实性，虚拟角色、收、面部等身体各部分行为的真实性–减少运动描述的复杂性。人物级上运动描述•大型化、网络化、标准化。•最终目标：从自然语言描述的脚本开始有计算机自动产生动画。（智能）面临的问题•真实性和实时性•功能更强、速度更快、效果更好、使用更方便•真实运动生成•物体造型，人体动画；•绘制（渲染）•只考虑了动画算法和局部动画的控制，大型动画片的设计制作局部求精过程