計(jì)算機(jī)圖形學(xué)如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)動畫的真實(shí)感

摘 要：隨著科技的發(fā)展，人們的生活變得多姿多彩，圖形、圖像、動畫等名詞越來越多的被提及，計(jì)算機(jī)動畫應(yīng)用于廣告、MTV、電影等多方面，計(jì)算機(jī)動畫屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對象，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)四類基本應(yīng)用之一。計(jì)算機(jī)軟、硬件性能的突破使計(jì)算機(jī)動畫效果得到大幅提升，圖形學(xué)從光照、明暗處理、材質(zhì)等多方面實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)動畫的真實(shí)感。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；計(jì)算機(jī)動畫；光照；明暗處理；材質(zhì)

作者簡介：唐添姣（1979-），女，遼寧大連人，本科，主要從事中等職業(yè)高中二維、三維動畫的教育教學(xué)。遼寧沈陽沈河區(qū)，沈陽市現(xiàn)代科技學(xué)校。

[中圖分類號]： G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]：A

[文章編號]：1002-2139（2013）-6-0-01

一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用

巴比倫人在4000年多年前，就開始在石板上繪制建筑物的樓層規(guī)劃圖，圖形技術(shù)作為傳遞信息的媒介而出現(xiàn)。盡管文字、語言都可以實(shí)現(xiàn)相似的目的，而且數(shù)學(xué)知識作為圖形技術(shù)的相關(guān)支持技術(shù)，到文藝復(fù)興時(shí)期才得以發(fā)展，但隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)對人們生活影響的加大，圖形用戶的需求的增長以及軟/硬件技術(shù)的突破，不斷推動了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，圖形不單純用來做為信息的顯示。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)同時(shí)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、用戶界面、仿真及計(jì)算機(jī)動畫多領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用于在建筑、機(jī)械等工業(yè)設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，應(yīng)用交互式圖形工具隨處可見。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用于用戶界面。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在用戶界面中的應(yīng)用，類似窗口、圖標(biāo)、菜單和鼠標(biāo)等可視化對象都是人與計(jì)算機(jī)交互中的最重要元素。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用于仿真領(lǐng)域。當(dāng)計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)不斷得到發(fā)展，能夠?qū)崟r(shí)的生成復(fù)雜的圖像時(shí)，研究人員開始將其應(yīng)用在飛行模擬等仿真器上。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動畫。飛行仿真器的研制的成功促使人們把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到電視、電影和廣告行業(yè)。利用傳統(tǒng)手工動畫技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合可以創(chuàng)造出兼具藝術(shù)和技術(shù)性的動畫效果，非單一技術(shù)可實(shí)現(xiàn)。

二、計(jì)算機(jī)動畫

計(jì)算機(jī)動畫通常指動畫場景中任何隨時(shí)間而發(fā)生的視覺變化。不但可以隨時(shí)間進(jìn)展通過平移、旋轉(zhuǎn)來改變對象的位置，還可以隨時(shí)間的進(jìn)展而改變對象的大小、顏色、透明度和表面紋理等。就計(jì)算機(jī)動畫產(chǎn)生而言，對象的改變?yōu)橹苯邮侄危g接的計(jì)算機(jī)還可以通過改變照相機(jī)的參數(shù)，如照相機(jī)的方向、焦距和位置而產(chǎn)生，甚至可以是通過改變光照效果和其他參數(shù)以及照明和繪制過程，影響人的視覺系統(tǒng)，來產(chǎn)生計(jì)算機(jī)動畫。計(jì)算機(jī)生成的動畫有其鮮明的外觀特性，但我們可以利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)生成照片級的真實(shí)感的圖像。

三、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)動畫圖像的真實(shí)感

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中，我們充分利用計(jì)算機(jī)軟/硬件性能，生成具有真實(shí)感圖像效果的三維對象，實(shí)現(xiàn)逼真的動畫效果，具體涉及光照、明暗處理和材質(zhì)等多方面的處理。

1、光照

計(jì)算機(jī)生成的圖像屬于人工合成圖像，客觀上并不存在，由于計(jì)算機(jī)圖像的成像方法與傳統(tǒng)的照相機(jī)和人眼視覺系統(tǒng)成像方法類似，因此，無論采用的是物理還是數(shù)學(xué)方法，在計(jì)算機(jī)圖像生成過程中，觀察者和被觀察者都是不可或缺的，兩者均為對象，任何一個(gè)圖像處理系統(tǒng)都必須提供一種從對象到圖像的變化方法，為了生成一幅圖像，觀察者相當(dāng)于照相機(jī)，我們通過規(guī)定觀察者與被觀察者間的空間位置，得到一幅二維圖像，成像的前提就是光照，在沒有光照的情況下，所有對象都是黑的。因此，我們需要光源，光源發(fā)出的光線照射到物體表面，一部分光線從表面反射，穿過透鏡進(jìn)入到照相機(jī)，光與對象表面的相互作用決定了光線進(jìn)入到照相機(jī)的量，maya等三維動畫制作軟件中會涉及到光線跟蹤，光線跟蹤或光子映射就是一種基于上述思想的圖像成像技術(shù)，是計(jì)算機(jī)圖像成像技術(shù)的理論基礎(chǔ)，利用光線跟蹤方法可以模擬任意場景中的任意物體的物理效果。光源有四種基本類型：環(huán)境光、點(diǎn)光源、聚光燈、和平行光。

2、明暗處理

在明暗處理方法上可以有平面明暗處理法、插值或Gouraud明暗處理法和Phong明暗處理法。

在觀察強(qiáng)光的遞增序列時(shí)，由于人眼的視覺神經(jīng)和錐狀細(xì)胞連接方式，我們會在光強(qiáng)階梯變化的一側(cè)感覺到亮度的正向尖峰效果，而在另一側(cè)感覺到亮度的負(fù)向尖峰效果，我們會在圖像的邊緣看到條紋效果，這種現(xiàn)象被稱為馬赫帶效應(yīng)。除了在多邊形邊緣不會產(chǎn)生較大色差的比較平滑的明暗處理方法外，我們無法避免馬赫帶效應(yīng)。例如平面明暗處理法和Gouraud明暗處理模型得到的光滑的明暗效果，都是不可避免的會產(chǎn)生馬赫帶效應(yīng)。

3、材質(zhì)

計(jì)算機(jī)動畫真實(shí)感的關(guān)鍵要看材質(zhì)。材質(zhì)附著在模型表面，為模型增加質(zhì)感和色彩，所謂的材質(zhì)包含兩層含義，一方面是材，另一方面是質(zhì)，材既是素材，它是附著在模型表面后形成的紋理，例如，衣服上的油污、金屬表面上的劃痕、生銹金屬上的銹漬等。質(zhì)既是質(zhì)感，它是指物體本身原始的材料屬性，如木材、鋼鐵、布料等物體本身的質(zhì)感。材，在計(jì)算機(jī)三維動畫制作軟件maya中稱為紋理。就計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)而言，紋理就是圖案，紋理可以是棋盤格圖案這種的簡單、規(guī)則圖案，也可以是天然物質(zhì)那種復(fù)雜圖案。紋理可以是一維、二維、三維或四維的，我們憑借對象的不同紋理，辨認(rèn)對象。由于在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中表面占有重要地位，因此，最常用的紋理映射方法當(dāng)屬二維紋理映射。紋理映射都要求在三維或四維坐標(biāo)系之間建立映射關(guān)系，在建立映射的不同階段，要用到不同的坐標(biāo)系，如屏幕坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、紋理坐標(biāo)系、參數(shù)坐標(biāo)系。紋理映射的方法隨繪制結(jié)構(gòu)、表面類型的不同而不同。紋理以二維圖像數(shù)組形式出現(xiàn)，可以是由應(yīng)用程序生成的，也可以是由照片掃描輸入的，以數(shù)組的形式存在處理器內(nèi)存里，我們稱這些數(shù)組的基本元素為紋理基本元素或紋素，紋理映射就是把一個(gè)連續(xù)的二維矩形區(qū)域紋理圖案上的單值點(diǎn)映射到幾何對象上的某一個(gè)點(diǎn)上，幾何對象的該點(diǎn)又映射到屏幕坐標(biāo)上的一點(diǎn)作為顯示輸出。

參考文獻(xiàn)：

1、《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：基于OpenGL的自頂向下方法》 （美）Edward Angel著；吳文國譯

2、《Maya 2010動畫制作標(biāo)準(zhǔn)教程》 尹武松， 方楠編著

3、《實(shí)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》盧傳賢，李睿謨編；路清獻(xiàn)等編寫