計算機二維動畫變形技術研究

摘 要：針對我國動畫漫畫產業的迅速崛起及計算機技術的發展，本論文結合二維動畫對其變形技術進行了分析研究，首先簡單分析介紹了計算機動畫變形技術，在此基礎上探討了計算機二維動畫變形技術的原理及其技術應用，給出了變形漸變區域的應用分析，對于進一步提高計算機二維動畫變形技術的應用水平具有較好的借鑒指導意義。

關鍵詞：計算機技術；二維動畫；動畫變形

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

1 引言

本論文主要結合計算機二維動畫技術的應用，對二維技術動畫變形技術展開分析研究，以期從中能夠找到合理有效的二維動畫變形技術應用，并以此和廣大同行分享。

2 計算機動畫變形技術概述

變形又稱為形狀融合或者形狀插值，就是采用某種方法使初始物體在視覺上連續變化到目標物體，而研究者所要做的工作就是設計中間漸變過程，以實現平滑、自然地漸變。變形技術在許多領域有著十分廣泛的應用，如算機圖形學、虛擬現實、工業模擬、科學計算可視化、生物醫學工程、計算機動畫等。尤其是在計算機動畫領域，變形技術己經成為了計算機動畫技術的重要組成部分，是近年來一個新興的研究領域，具有重要的學術價值和研究價值。

變形通常要解決兩個關鍵問題：

1) 建立初末兩物體的元素(如頂點，邊，角度等)之間的對應關系，稱為對應問題；2) 通過插值初末兩物體的對應元素產生中間狀態，稱為插值問題。目前國內外己有許多有關變形的研究成果，給出了解決變形問題的比較有效的算法，但變形是一種視覺效果，與人的審美標準密切相關，因此對于變形的兩個問題什么是成功地解決方案，還沒有正式明確的定義，但研究者普遍認為一個令人滿意的變形應該滿足以下三個條件：1) 變形過程中產生的中間狀態的一些特征，如邊長、夾角、面積等應保持單調平滑的變換。2) 變形過程中產生的中間狀態沒有出現自交、收縮、內部區域發生扭曲等不自然現象。3) 中間狀態要保持初始狀態和目標狀態的視覺特征。

3 計算機二維動畫變形技術應用探討

3.1 二維圖形變形原理

幾何變換一般是指對圖形的幾何信息經過變換后產生新的圖形，圖形幾何變換既可以看作是坐標系不動而圖形變動，變動后的圖形在坐標系中的坐標值發生變化；也可以看作圖形不動而坐標系變動，變動后的圖形在新坐標系下具有新的坐標值。這兩種情況本質上都是一樣的，都是圖形由新的坐標值表示。圖形幾何變換包括比例變換、對稱變換、錯切變換、旋轉變換、平移變換及其復合變換。圖形上所有的點在幾何變換前后的坐標關系一般用解析幾何方法可以求得，但這些幾何關系用矩陣方法表示，運算更為方便。

在進行幾何變換的時候經常使用齊次坐標，齊次坐標就是將一個原本是n維的向量用一個n+1維向量來表示。如向量(x1，x2，x3，…，xn)的齊次坐標表示為(hx1，hx2，hx3，…，hxn，h)其中h是一個實數。顯然一個向量的齊次坐標的表示是不唯一的，齊次坐標的h取不同的值都表示的是同一個點，比如齊次坐標[8，4，2]、[4，2，1]表示的都是二維點[4，2]。

變形原理框架如圖1所示，動畫制作過程中的角色輪廓的關鍵幀是變形輸入的，而且輸入的圖形不管有沒有著色都可以。在區域分解中，填充算法使用這一信息作為各個不同區域的分界，故角色的輪廓線必須是黑色。生成漸變的區域市在區域對應關系確定之后對每對區域進行插值，區域的輪廓的插值就是對區域插值，確定區域的形狀就是確定它的輪廓。分解區域是利用區域填充的方法來處理的，而區域的輪廓線是分解出來的區域利用輪廓跟蹤算法得到的。很多算法在單個區域輪廓的插值中使用來獲得特征點之問的對應關系，兩次插值保證了最終結果形體的光滑是在特征點插值路徑的計算出來的，最終獲得了各個區域中間漸變結果。

圖1 計算機二維動畫變形框架示意圖

3.2 計算機二維變形技術應用

二維動畫變形是根據用戶輸入起始幀和終止幀自動生成中間的插值，最后效果的是自動生成。圖形的邊緣包含了圖形的大部分信息。邊緣檢測的實質是采用某種算法來提取出圖形中對象與背景間的交界線。目前，邊緣算子法、曲面擬合法、模板匹配法、門限化法等都是經典的邊緣檢測方法。在隨著數學理論和人工智能的快速發展的情況下，又出現了許多新的邊緣檢測方法，如模糊理論的邊緣檢測法、基于灰度關聯分析的邊緣檢測法、數學形態學、基于小波變換等。經典的邊緣檢測是以原始圖形為基礎，對圖形的各個像素考察它的某個領域內灰度階躍變化，利用邊緣鄰近一階或二階方向導數變化規律檢測邊緣。常用的邊緣檢測檢測有：差分邊緣檢測、Roberts邊緣檢測算子、Sobel邊緣檢測算子、Prewitt邊緣檢測算子、Laplace邊緣檢測算子等。上述變形算法對于二維動畫變形漸變區域是存在一定影響的。為了得到整個形體的漸變的最后結果，系統還需要將生成的每個區域的漸變結果組合起來，形成最后的結果。由于每個區域的插值是獨立進行的，插值之后區域之間的關系可能被改變，這主要由計算插值路徑時的誤差造成的。因為我們在對區域輪廓插值時，用區域輪廓的特征點組成的多邊形代替了區域的曲線輪廓。這樣本來公共一條邊的兩個區域，插值之后可能變成了相交或者相離，這時系統利用相鄰區域的公共邊為參考，經過一定的平移和旋轉，將插值之后的公共邊再次調整到重合，這樣就保證了區域之間的正確關系。

4 結語

二維多邊形形體漸變是計算機動畫中一項重要的技術，它在二維角色動畫、模式匹配、幾何造型等領域有著重要的應用。在過去的幾十年里，該領域已經取的了諸多的研究成果，很多實現的算法己經應用在相關的商業軟件系統中，用來產生幾何模型或創建各種視覺效果。本論文對計算機二維動畫技術進行了深入分析和應用探討，給出了二維動畫的變形技術的應用模型，對于進一步提高計算機二維動畫變形技術的應用水平具有一定借鑒和指導意義。

參考文獻

[1] AlanWatt， Fabiopolie. 3D計算機圖形學[M].北京:機械工業出版社，2004.

[2] 石其樂.二維計算機動畫新技術[J].浙江教育學院學報，2007，(7):77-80.

[3] 王森，楊克檢.計算機二維動畫中的一種快速動畫變形方法的研究[J].計算機應用研究， 2009，25(2):27-28.