计算机图形技术在三维动画中的应用Word文档下载推荐.docx

1、三维动画；计算机图形学；图形图像处理 1 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

2、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

3、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

4、TDI，加拿大 ias，美国Wavefront（NUm3S），3DSMAX25，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（virtual

5、 reality），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），Illustrative（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

6、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

7、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

8、一，成功的推出了许多优秀的三维动画制作软件，如 3DS MAX、Alias、SOFTIMAGE、WAVEFORONT、TDI等。其中首推Autodesk公司的 3DS MAX ，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

9、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, 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

10、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

11、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。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

12、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（2D Shaper）、三维放样模块（3D Lofter）、三维编辑模块（3D Editor）、动画编辑模块（Keyframer）、材质编

13、辑器（Materials Editor）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

14、、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

15、，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： 着先要在三维空间中建立角色、实物和景物的三维数据 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、错切沿某个轴间变比例等, 变形、变色、镜像等变换。 再在计算机内部“ 架上” 虚拟的摄影机, 调整好镜头, “ 打上”灯光, 给物体或角色表面“ 贴上”材料, 形成栩栩如

16、生的画面。 最后在两幅关键帧间生成中间画设置初始画面、终止画面、运动路径, 并进行运动时间、运动速度、运动加速度的分配, 通过连续播发预览, 即可看见由计算机产生的三维动画作品动画片、广告、片头、卡通片、电视、游戏、电影特技镜头等。在上面三维动画制作过程中, 每一步都涉及到计算机图形技术, 为了使用上的方便, 许多三维动画制作软件都将程中所要用到的功能进行了分门别类的整理如分成不同模块对应前述的制作过程, 每个模块中又以菜单形式提供操作功能每个功能都涉及计算机图形学中的某种算法, 然后以程序代码的形式进行固化。执行某个菜单选项, 实质上就是调用某段功能程序笔者有幸从事“ 计算机图形学” 和“

17、三维动画” 两门课程的教学。三维动画制作是借助于三维动画制作软件来完成的，国内普遍采用美国的AUTO DESK公司的3D STUDIO软件（三维摄影室，简称3DS）。其硬件要求低，动画可达到广播级的标准，因此3DS在全世界得到推广和普及。我们要作三维动画，首先必须熟悉计算机，从未接触过计算机的人认为它是高科技，不易为普通人掌握和使用，这是片面的。编写程序的确很难，但编好的程序软件，用起来就并不十分困难了。制作者只要熟悉计算机的硬件，了解各部位的名称及功能并掌握如何使用，如何进入3DS，如何利用软件制作动画，就可以制作了。使用3DS制作动画基本过程如下：在2D SHAPER（二维编辑模块）里制作

18、二维平面图形，然后把二维图形以模切面或三视图的方式在3D LOFTER（三维放样模块）中进行放样。放样后制成的三维模型送人3D EDITOR（三维编辑模块）中，在这里为作品指定材质，贴图坐标，可以着色，观静态效果图。另外在三维编辑模块中也可以直接制作模型，这里有立方体、球体、园台等基本几何体，它的最大特点是方便、随意调用。不过不能制作复杂的造型，仅仅是作为一个辅助功能帮助造型。布置好场景并渲染静态图像后，在KEYFRAMER（关键帧产生器）里，将静态场景转变为动态场景，运用动态、静态相互合成的方法，使效果更为神奇。为了使画面物象更加绚丽多彩，还可以利用MATERIAL EDITOR（材质编辑器

19、）功能，修改材质及产生新材质。做好上述工作后，调用关健帧产生器里的RENDERER，就将最终生成高质量的精采的真彩色动画（彩色位图）以供使用。我们在制作动画时，最好的方法就是先把我们要做的动画，按照连环画的形式勾画成一幅幅草图，然后按照草图一帧帧去完成。当然，草图画的越详细，作品的动作就越连贯越细腻越逼真，完成后的效果也就越好。使用计算机三维动画制作，使普通人不必掌握计算机的专门技术，就可以绘出逼真的图画，然后把动画以逼真彩色的图像格式逐帧录制到录像带上，或者在特殊的图形卡上开辟缓冲区，实时进行录制，这样就可以制作出广播级动画影像了。3 三维动画与计算机图形图像处理3.1 计算机图形图像处理简

20、介随着三维动画广告和片头在电视屏幕上频频播映，计算机三维动画已经悄无声息地走进了人们的日常生活。计算机三维动画是采用计算机技术生成的一系列动态画面。人的视觉生理表明，眼睛具有视觉残留特性，即瞬间映现在视网膜上的画面不会立即消失。当屏幕以每秒25帧以上的速率播送计算机生成的序列画面时，一幅幅离散画面在人的头脑中串接成连续的动画。计算机三维动画既可以是它所描述角色的形象或位置的连续变化，也可以是画面中光照情况的连续变化或观察者视点位置和视线方向的连续变化。上述变化可以基于客观世界中的物理规律或人们日常生活中所熟知的行为方式，也可以源于艺术家的精巧构思和大胆创意。前者广泛应用于科学演示、工程仿真、教

21、育训练、军事模拟以及虚拟现实中，后者广泛应用于广告设计、影视特技、电子游戏等。随着计算机动画技术的发展，目前采用计算机图形工作站和先进的动画软件所生成的三维动画可产生非常逼真的效果，达到以假乱真的地步。尚在设计的城市小区在计算机三维动画中可变成拔地而起的高楼，早已绝迹的古代恐龙可以在屏幕上成群奔逐，种种不可思议的奇迹可以凭借计算机三维动画技术而神奇地再现。3.2 三维动画原理概述用计算机产生表现真实对象和模拟对象随时间变化的行为和动作，称为计算机动画。计算机三维动画是计算机图形学的一个重要的分枝，其应用领域十分宽广，包括影视作品制作、科学研究、视觉模拟、电子游戏、工业设计、教学训练、军事仿真、

22、过程控制、平面绘画、建筑设计等等。位移动画（又称插值动画）是一种简单实用的动画制作方法，来源于表现形象的夸张变形的传统动画手法。这种方法在物体表面的顶点上设置一个位移向量，通过位移向量改变顶点的位置形成动画，但保持了物体的材质和拓扑结构。最初开发的计算机动画系统都是基于程序语言的或只有有经验的计算机专家才能使用的交互式系统。计算机动画制作程序语言的开发和使用，使计算机动画系统更易为一般艺术工作者所接受，帮助他们创造出更多更动人的特殊动画效果。动画语言也经常与三维建模语言结合在一起，使得描述一个对象及其运动的过程可以同时完成。动画语言种类很多，主要可分为三类：线性表标记语言、扩展了动画描述功能的

23、通用语言和图形语言。另一种实现动画语言的方法是在现有的通用程序设计语言中嵌入动画描述。3.3 三维动画的实现首先，要了解三维软件里的时间。帧是三维软件的一种普通的时间概念，在电脑动画中需要控制的往往是在某一点关键性的动画转换那一帧。这是一种最传统和普遍的方法，因而对于运动时间的概念非常重要。关键帧的概念来源于传统的卡通片制作。在早期Walt Disney的制作室中，熟练的动画师负责设计卡通片中的关键画面，即所谓的关键帧，然后由助理动画师设计中间帧。在三维计算机动画中，中间帧的生成由计算机来完成，插值代替了设计中间帧的动画师。所有影响画面图像的参数都可成为关键帧的参数，如位置、旋转角、纹理的参数

24、等。关键帧技术是计算机动画中最基本并且运用最广泛的方法。另外一种动画设计方法是样条驱动动画，在这种方法中，用户采用交互方式指定物体运动的轨迹样条。几乎所有的动画软件都提供这两种基本的动画设计方法。在三维动画的制作中，根据策划，以及结合现有的素材资源进行动画的构思。3.4 三维动画及与计算机理论的应用角色动画中的角色可以是任何东西，从一个单个的几何体到一个复杂的，功能齐全的，具有骨骼和外形的虚拟人物。用动画软件把角色的各种不同的对象结合起来，一旦它们正确的结合成为角色，那么它们都将成组在一个单个的节点下，并且可以从某处开始将角色中所有对象的通道进行适当的动画。角色并不等同于成组的对象组，其一个非

25、常重要的理由是 角色节点是组节点，不是几何节点或变形节点。正是因为角色是组，就可以将其它节点放置在该组中，或放置在其它节点的某个通道。这样，只有相对于角色动画的通道需要添加到该角色中，不必去寻找其它的通道和特定的关键帧，而这些特定的关键帧只有在不使用角色组进行动画时才出现。用计算栅产生表现真实对象和模拟对象随时间变化的行为和动作，称为计算机动画。3.4.1 关键帧动画关键帧技术来直接源于传统的动画制作。出现在动画片中的一段连续画面实际上是由一系列静止的画面来表现的，制作过程中并不需要逐帧绘制，只需从这些静止画面中选出少数几帧加以绘制。被选出的画面一般都出现在动作变化的转折点处，对这段连续动作起

26、着关键的控制作用，因此称为关键帧（Key Frame）。绘制出关键帧之后，再根据关键帧插画出中间画面，就完成了动画制作。早期计算机动画模仿传统的动画生成方法，由计算机对关键帧进行插值，因此称作关键帧动画。关键帧技术通过对运动参数插值实现对动画的运动控制，如物体的置、方向、颜色等的变化，也可以对多个运动参数进行组合插值。近年来，很多新的数学方法被应用至4这一技术中，以实现各种条件下的插值算法，例如用查找表记录参数点弧长以加快计算的速度、通过约束移动点对路径和速度的插值进行规范以减少运动的不连续性、对样条曲线进行插值以实现局部控制、用三次样条函数把运动的轨迹参数中的时间和空间参数结合起来以获得对运

27、动路径细节的控制等。一般也可以将关键帧动画技术所涉及方面理解为以下三种：弧长参数化问题，无论是采用样条驱动动画还是关键帧插值方法，都会碰到这个问题：给定物体运动的轨迹，求物体在某一帧画面中的位置。物体运动的轨迹一般由参数样条来表示。如果直接将参数和帧频联系起来，对参数空间进行等间隔采样，有可能带来运动的不均匀性。为了使物体沿样条匀速运动，必须建立弧长与样条参数的一一对应关系。Guenter等提出用Gauss型数值积分方法计算弧长，NewtonRaphason迭代来确定给定弧长点在曲线上的位置，并采用查找表法记录参数点弧长值的方法来加速计算。在动画设计中，动画师经常需调整物体运动的轨迹来观察物体

28、运动的效果，其中交互的速度是一个很重要的因素。Watt等人提出了用向前差分加查找表的方法来提高交互的速度。在精度要求不是很高的情况下，他们的方法非常有效。插值过程的运动学控制从原理上讲，关键帧插值问题可归结为参数括值问题，传统的插值方法均可应用到关键帧方法中。但关键帧插值又与纯数学的插值不同，有其特殊性。一个好的关键帧插值方法必须能够产生逼真的运动效果，并能给用户提供方便有效的控制手段。一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的，但从运动学或动画设计来看可能是错误的或者是不合适的。用户必须能够控制运动的特性，即通过调整插值函数来改变运动的速度和加速度。为了更好地解决插值过程中的时间控制问题，St

29、eketee等提出了用双插值的方法来控制运动参数。其中之一为位置样条，它是位置对关键帧的函数；另一为运动样条，它是关键帧对时间的函数。Kochanek等提出了 类适合于keyframe系统的三次括值样条，他们把关键帧处的切矢量分成入矢量和出矢量两部分，并引入三个参数：张量t、连续量c和偏移量b，对样条进行控制。该方法已在许多动画系统中得到了应用。3.4.2 变形动画计算机动画中另一类重要的运动控制方式是变形技术。变形可以是二维或三维的。基于图象的Morph是一种常用的二维动画技术。图象之间的插值变形称为Morph，图象本身的变形称为Warp。对图象作Warp，首先需要定义图象的特征结构，然后按

30、特征结构变形图象。两幅图象问的Morph方法是首先分别按特征结构对两幅原图象Warp操作，然后从不同的方向渐隐渐显地得到两个图象系列，最后合成得到Morph结果。图象的特征结构是指由点或结构矢量构成的对图象的框架描述结构，如在两个画面之间建立起对应点关系。Morph技术在电影特技处理方面得到了广泛的应用。三维物体的变形分两类：拓扑结构发生变化的变形及拓扑结构不发生变化的变形。其中三维Morph变形是指任意两个三维物体之间的插值转换渐变，主要内容是对三维物体进行处理以建立两者之间的对应关系，并构造三维Morph的插值路径。三维Morph处理的对象是三维几何体，也可以附加物体的物理特性描述。另一种三维物体变形技术称为自由格式变形FFD （FreeForm Deformation）。实现了Warp3D功能，能够对三维物体进行空间仿射变换，通过改变变形函数的参数就可以使物体变形。3.4.3 物理特性建模主要思想是将物体的物理特性加入到其几何模型中，通过数值计算对其进行仿真，物体的行为由仿真过程自动确定。物体的物理特性包括：物体所具有的一组物理参量、不同参量之间的关系、物理参量与物体几何特性及运动状态之间的关系、不同物体的