分析三維動畫與計算機圖形圖像理論

牛 青

（貴州職業技術學院，貴陽 550023）

0 引言

從中國第一部三維動畫影視作品《魔比斯環》開始，三維動畫被逐漸的被應用于廣告和電影電視劇的特效制作、廣告產品展示、片頭飛字等等。另外在不斷的被應用于廣告制作，如今也在教育行業被廣泛的運用。計算機三維動畫是利用計算機技術制作生成的立體動態圖像。動畫和電影的畫面刷新率為24幀/s,即每秒放映24幅畫面，主要是模仿現實人類或者任何東西的一連續動作，并且隨著人們視覺的變化而不斷變化，現代三維動畫在視覺上可以做到以假亂真的效果。隨著我國十二五規劃中提倡大力發展動畫產業，我國對三維動畫技術的創新也是刻不容緩，利用計算機三維動畫可以讓現實、虛擬的世界更加的豐富多彩。另外一個問題是關于三維動畫教學，應該在教學過程中融入計算機圖形圖像理論，從而使得學生能夠更好的接受、學習三維動畫制作與設計。

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，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播放靜止圖像的方法產生物體運動的效果，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和拓撲結構，開發計算機三維動畫制作程序，使得畫中的景物有正面、側面和反面，調整三維空間的視點，能夠看到不同的內容。實現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計動畫。

2 三維動畫的實現

首先，三維軟件的時間概念。通過在三維動畫的設計軟件里，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，連續的幀就形成動畫，而對于幀數，簡單地說，就是在1秒鐘時間里傳輸的圖片的幀數，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，稱之為關鍵幀，至少前后要給出兩個不同的關鍵狀態。中間狀態的變化和銜接電腦可以通過計算機完成。關鍵幀在三維動畫設計中是基礎和普遍運用的技術方法，影響畫面圖像的的參數，如移動、旋轉、變形、變色的參數，都可以成為關鍵幀的參數。

另外一種設計三維動畫的方法就是利用樣條驅動動畫，它主要是對物體的運動軌跡樣條進行交互式的制定，結合制作的素材資源對動畫進行設計、構思。不僅是三維動畫，基本上所有的動畫設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用

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

3.1 關鍵幀動畫

三維動畫的關鍵幀技術是在傳統的動畫制作的基礎上發展而來的，從上一幀至下一幀的一段連續的動畫，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動作變化的轉折點，可以修改該幀的內容，表示關鍵狀態的幀，成為關鍵幀。關鍵幀的繪制完成后，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是利用計算機插值關鍵幀，即通過改變運行參數的插值，如移動、旋轉、變形、變色的參數或者組合多個運動參數的插值，從而實現控制動畫的運動。現代計算機動畫的制作，為了實現各種條件下的插值算法，采用了許多的新型數學計算方法來加快插值計算的速度、減少運動畫面的不連續性以及對畫面運動的路徑節點進行控制。主要有以下三種方法：1）Gauss型數值積分方法。在動畫插值中都會遇到弧長參數化問題：為了確定物體在運動軌跡上在某一幀的畫面中的位置，一般會采用參數樣條來表示物體運動的軌跡。如果只是單一的把參數和幀頻直接聯系起來，或者對參數空間單一的等間隔采樣，那么物體在運動時，可能會出現不均勻的現象。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進行一一對應。利用Gauss數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。動畫設計師在設計中為了觀察物體運動是否合格，會經常性的調整運動的軌跡，調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。關鍵幀插值的問題，從運動學控制的理論上來說，實際是一種參數插值的問題。運動的效果形象逼真取決于關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該要符合運動學控制和動畫設計的原理，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，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進行調整，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，即位置對關鍵幀的函數和關鍵幀對時間的函數進行控制。總的來說，對于設置關鍵幀，主要是利用函數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。常用的二維動畫變形技術是一種基于圖像Morph的技術，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。在設計中如果要進行Warp操作，必須先明確圖像特征結構的定義，然后根據特征結構對圖像變形，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，根據不同方向得到Morph的圖像系列，將其合成來獲得Morph的結果。通過點或結構矢量所構成的圖像框架的描述結構稱之為圖象的特征結構。而三維動畫進行變形操作，主要分為兩大類：1）拓撲結構的變形。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關系，繪制三維Moth的插值轉換路徑，并且在對三維物體進行Morph處理是，可以融入物體的特征結構特性的描述；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，直接改變變形函數的參數即可。

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，隨著動畫產業的發展，它逐漸成為計算機圖形學中最困難的挑戰。主要是每個人的樣貌、體型、骨骼、關節特征都不同，那么在動畫中仿真設計就必須符合人的特征，而常規的計算機圖形學中的計算和幾何模型很難表現出人的那種生態和真實性。我國國內的一些電影和游戲只能做出簡單的模仿，即利用旋轉復制法，這種方法主要是通過感受器對人的實際運動狀態進行記錄和復制，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系，它們分別表示了物體的內部結構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

位移動畫技術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整色彩的方法，在物體的表面設置一個頂點的位移向量，在保持物體的材質和拓撲結構的前提下，形成動畫。而且計算機動畫制作也充分利用了粒子、L系統的方法，例如，在許多的電影設計中，利用這種粒子系統來表現自然景物，例如雨水、暴雪、火焰等。

4 結束語

動畫產業是我國十二規劃中的重點發展產業。國產原創系列電視動畫片《喜羊羊與灰太狼》，由廣東原創動力文化傳播有限公司出品。自2005年6月推出后，陸續在全國近50家電視臺熱播，這是我國動畫產業發展的一個轉折點。從《相似》到2008年的《北京歡迎您》，我國三維動畫技術和產業也在不斷發展。隨著計算機動畫軟件的不斷更新，例如FLASH、MAYA等軟件已經被列入我國教育動畫專業的必修教程，教師在教學時，也應該充分的融入計算機圖形圖像的理論，使得學生更容易接受三維動畫學習，制作、設計的三維動畫，更加具有真實性。

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