计算机动画
计算机动画原理
计算机动画原理
计算机动画原理是利用计算机技术和数学算法来模拟和生成动态图像的技术。
它基于一系列静止图片（称为帧）的快速连续播放，通过每一帧之间微小的变化来创造出动画效果。
首先，计算机动画的基本原理是人眼的视觉暂留效应。
人眼在观看连续的快速帧图像时，会将这些静止图像视为连贯的动态画面。
这是因为当一个图像消失后，人眼的视觉留存能够持续一小段时间，直到下一个图像出现。
这个时间间隔足够短，使人眼无法察觉到图像之间的间断，从而产生了动画效果。
其次，计算机动画的原理还包括动画对象的建模和动作处理。
动画对象可以是物体、角色或其他元素，它们通过虚拟三维空间中的坐标和属性来进行建模。
这些模型可以是简单的几何图形，也可以是复杂的多边形网格。
动作处理则是对模型的位移、旋转、缩放等变换进行操作，以实现对象的运动和变化。
此外，计算机动画还涉及到插值和插帧技术。
插值是通过计算两个关键帧之间的中间帧，来平滑过渡对象的位置、颜色、形状等属性的方法。
插帧是在某些情况下，为了获得更加连贯的动画效果，插入额外的关键帧。
这些技术可以使动画效果更加自然、流畅。
最后，计算机动画的原理还涉及到渲染和光照技术。
渲染是将模型的表面属性（如纹理、颜色、光照等）计算为像素值的过程，以便在屏幕上显示。
通过光照技术，可以模拟真实世界中的光照条件，使动画对象产生阴影、反射和折射等效果，增强
了动画的真实感。
综上所述，计算机动画原理涉及到视觉暂留效应、动画对象建模和动作处理、插值和插帧技术、渲染和光照技术等多个方面，通过这些方法和技术的组合，可以创造出各种各样逼真、生动的动画效果。
第六章_计算机动画
左图显示一个被贴了标示物（白色小球）的演员在 场地中跑步，右图是Vicon370系统所采用的特殊红 外照相机，只捕捉白色标示物。
3、二维动画软件
Animator Studio Flash Ulead Gif Animator
Animation Stand二维卡通软件
Animation Stand是一个流行的非常二维卡通 软件，全球最大卡通动画公司如沃尔特、华纳 兄弟、迪斯尼和Nckelodeon，皆曾采用 Animation Stand作为二维卡通动画软件，用 于生产最原本的图样、独创的和完全动画化的 系列片，为娱乐业的商业应用。
2、二维动画的制作过程
(1) 制作声音对白和背景音乐 (2) 制作关键画面 (3) 绘制动画画面 (4) 复制到胶片上 (5) 上色 (6) 核实检查动画画稿 (7) 拍摄电影胶片 (8) 后期制作
三维动画的制作过程
在动画技术当中，最有魅力并应用最广的当然是三 维动画。因为我们的世界是立体的，只有三维才让 我们感到更真实。二维动画可以看成三维动画的一 个分支，它的制作难度及对电脑性能的要求都远远 低于三维动画。 三维动画之所以被称作计算机生成动画，是因为参 加动画的对象不是简单地由外部输入的，而是根据 三维数据在计算机内部生成的，运动轨迹和动作的 设计也是在三维空间中考虑的。 计算机3D动画的制作过程主要有建模、编辑质材、 贴图、灯光、动画编辑和渲染几个步骤。
动画原理
● 早期的动画 ● 视觉效果
观看动画的机器1906
教学进程
什么是动画
动画是通过连续播放一系列画面，给视觉造成连续变化 的图画。 基本原理与电影、电视一样，都是视觉原理。医学已证 明，人类具有“视觉暂留”的特性，就是说人的眼睛看到 一幅画或一个物体后，在1/24秒内不会消失。利用这一 原理，在一幅画还没有消失前播放出下一幅画，就会给 人造成一种流畅的视觉变化效果。 电影采用了每秒24幅画面的速度拍摄播放，电视采用了 每秒25幅（PAL制）或30幅（NSTC制）画面的速度拍摄 播放。如果以每秒低于24幅画面的速度拍摄播放，就会 出现停顿现象。
多媒体技术应用教程之计算机动画制作技术
角色设计
游戏中的角色形象简洁明了，色彩鲜 明，符合游戏主题。
物理模拟
游戏中的物理模拟精确地再现了现实 世界中的物理规律，如重力、碰撞等 。
交互体验
通过动画和特效的结合，提供流畅的 交互体验，增强游戏的趣味性。
06
计算机动画制作发展趋势与展 望
AI与机器学习在计算机动画中的应用
总结词
AI和机器学习技术在计算机动画制作中发挥着越来越重要的 作用，它们能够自动生成复杂的动画效果，提高制作效率， 为动画制作带来更多可能性。
适用于高端影视制作，提供六面体绑定和动画解决方案，支持复杂 的角色动画和特效制作。
Adobe After Effects
强大的合成功能
将多个图层合并为一个合成，并应用各种视觉 效果和动画。
动态图形设计
创建动态图形模板，用于视频、电视和网络媒 体。
3D效果
支持3D图层和3D渲染效果，实现更丰富的视觉表现。
3
运动规律可以应用于不同领域，如角色动画、自 然现象模拟等，为计算机动画制作提供重要的技 术支持。
三维建模与渲染
三维建模是计算机动画制作中不可或缺的一环，通过建立三维模型来构建动画场景 和角色。
三维模型可以根据实际需求进行精细的细节处理和纹理贴图，以实现逼真的视觉效 果。
渲染是将三维模型转化为二维图像的过程，通过渲染技术可以模拟光线在场景中的 传播和反射，增强动画的真实感。
音效与配乐整合
将音效和配乐与动画进行整合，确保音效与画面、音乐的协调一致 。
05
计算机动画制作案例分析
《狮子王》角色动画制作解析
总结词
角色建模
通过分析《狮子王》的角色动画制作过程 ，了解计算机动画制作技术在角色建模、 表情和动作设计等方面的应用。
计算机动画课教案
计算机动画课教案一、教学目标1. 让学生了解计算机动画的基本概念和原理。
2. 培养学生运用计算机软件制作简单动画的能力。
3. 提高学生创新意识和审美能力，激发学生对计算机动画的兴趣。
二、教学内容1. 计算机动画概述1.1 动画的定义和发展历程1.2 计算机动画的分类和特点2. 动画制作基本原理2.1 帧与帧率2.2 关键帧与补间动画2.3 动画序列与动画路径3. 动画制作软件介绍3.1 Adobe After Effects3.2 Blender3.3 Toon Boom Animation Studio4. 动画制作基本步骤4.1 前期准备4.2 动画制作4.3 后期合成5. 动画作品的欣赏与评价5.1 动画作品的类型与风格5.2 动画作品的评价标准三、教学方法1. 讲授法：讲解计算机动画的基本概念、原理和制作方法。
2. 演示法：展示动画制作软件的操作过程和动画作品。
3. 实践法：引导学生动手制作动画，培养实际操作能力。
4. 讨论法：组织学生交流动画制作心得，提高创新意识。
四、教学环境1. 计算机教室，每台电脑安装有动画制作软件。
2. 投影仪或大屏幕显示设备，用于展示动画作品和操作过程。
3. 网络环境，便于查找资料和交流。
五、教学评价1. 学生能熟练掌握动画制作软件的基本操作。
2. 学生能独立制作出具有创新性和艺术性的动画作品。
3. 学生能理解计算机动画的基本原理，并能在实际制作中灵活运用。
4. 学生能对动画作品进行欣赏和评价，提高审美能力。
六、教学重点与难点教学重点：计算机动画的基本概念和原理。
动画制作软件的操作方法和技巧。
动画制作的基本步骤和流程。
教学难点：动画制作软件的高级功能和应用。
动画作品的创新和艺术表现。
动画制作的后期合成和效果处理。
七、教学安排课时：20课时（每课时45分钟）第一阶段：计算机动画概述与原理（2课时）动画的定义和发展历程计算机动画的分类和特点第二阶段：动画制作软件操作（6课时）Adobe After Effects（2课时）Blender（2课时）Toon Boom Animation Studio（2课时）第三阶段：动画制作基本步骤（6课时）前期准备（2课时）动画制作（2课时）后期合成（2课时）第四阶段：动画作品的欣赏与评价（2课时）动画作品的类型与风格动画作品的评价标准第五阶段：实践与创作（4课时）学生动手制作动画（2课时）学生交流与展示（2课时）八、教学资源1. 教材：计算机动画教程2. 课件：动画制作软件的操作演示和动画作品示例3. 视频资源：动画制作的教程和优秀动画作品4. 网络资源：动画制作的素材和参考资料九、教学过程1. 导入：通过展示优秀动画作品，引发学生对计算机动画的兴趣。
第七章 计算机动画
7.2.1 Ulead GIF Animator 5.0动画设计软件
工作环境 7.2.2 Ulead GIF Animator 5.0作图工具介绍 7.2.3 GIF Animator 5.0工作区介绍 7.2.4利用动画向导制作GIF动画
7.2.1 Ulead GIF Animator 5.0 动画设计软件工作环境
7.1.3计算机动画系统的组成
计算机动画系统是一种交互式的计算机图形系
统。 一般结构如图7-2所示。 硬件平台大致可分为以PC机为基础组成的小型 图形工作站以及专业的大中型图形工作站。 软件平台不单单指动画制作软件，还包括完成 一部动画片的制作所需要的其他类别的软件。
7.2
GIF格式动画设计软件 Ulead GIF Animator介绍
7.3矢量动画软件Flash 8
7.3.1 Flash 动画概述
7.3.2 Flash 8工作界面
7.3.3 Flash基本动画技术 7.3.4 高级动画制作技术
7.3.1 Flash 动画概述
Flash是一种基于“关键帧”方式创建动画的
工具软件。动画中的每一个画面被称为一帧， 各帧依次排列起来连续播放就形成视觉上的动 画。 动画每一帧的画面中会出现许多对象，这些对 象可以是图形、图像、文字乃至动画片段等。
7.3.2 Flash 8工作界面
启动Flash 8应用程序时的工作界面如图7-14
所示。
7.3.3 Flash基本动画技术
逐帧动画制作
实例制作演示例7.1 连续播放F、L、A、S、H 几个字母 运动动画制作
实例制作演示例7.2 运动彩球 变形动画制作 实例制作演示例7.3逐渐变形的文字 蒙版图层的应用 实例制作演示例7.4 探照灯效果的文字
计算机动画技术
汇报人： 2024-01-09
目录
• 计算机动画技术概述 • 计算机动画制作流程 • 计算机动画技术原理 • 计算机动画软件与工具 • 计算机动画技术挑战与未来发
展 • 计算机动画技术案例分析
01
计算机动画技术概述
定义与特点
定义
计算机动画技术是一种利用计算 机生成连续动态图像的技术，通 过模拟物体运动轨迹和形态变化 ，生成具有真实感的动态画面。
动画制作
角色动画
根据故事情节，为角色添加动作和表情，使其生 动活泼。
镜头运动
设计镜头的运动轨迹，包括推拉、摇移和跟拍等 。
特效制作
根据需要，添加烟雾、火焰或水流等特效。
渲染与后期处理
渲染输出
通过渲染引擎，将三维场景渲染成二维图像。
后期合成
将渲染出的图像与音效、配乐等素材进行合成，形成完整的动画。
蒙皮技术则是将模型表面与骨骼系统绑定，通过骨骼的运动来影响模型表面的变形 。
骨骼动画与蒙皮技术适用于创建逼真的生物运动效果，如人物行走、奔跑和跳跃等 。
粒子系统与流体模拟
粒子系统是一种模拟大量微观 粒子的运动和相互作用的计算 机图形技术。
流体模拟则是模拟液体的流动 和变形，如水流、火焰和烟雾 等效果。
特点
计算机动画技术具有逼真度高、 制作周期短、成本低廉等优点， 广泛应用于电影、电视、游戏、 广告等领域。
计算机动画技术的应用领域
电影与电视
游戏开发
计算机动画技术在电影和电视制作中广泛 应用，用于制作特效、场景、角色等，提 升视觉效果。
计算机动画技术在游戏开发中用于创建逼 真的角色、场景和特效，提高游戏的可玩 性和沉浸感。
AI与机器学习在计算机动画中的应用
简述计算机动画的制作方法。
简述计算机动画的制作方法。
计算机动画的制作方法可以简单概括为以下几个步骤：1. 规划和创建故事板：首先根据故事的需求和要表达的内容，制作一个故事板。
故事板是一系列的手绘或绘制的图像，用来描述故事的各个场景和重要细节。
2. 创建3D模型：通过计算机软件，建立3D模型。
这些模型可以是简单的几何图形，也可以是复杂的人物、场景或物体。
设计师使用3D建模软件来创建并细化这些模型，以便能够进行后续的动画制作。
3. 定义运动路径：为了让3D模型动起来，需要定义它们的运动路径。
通过设定关键帧和插值，可以确定对象在场景中的移动、旋转、缩放等动作和变化。
这些关键帧和插值可以通过动画软件来设置和调整。
4. 添加纹理和材质：为3D模型添加纹理和材质是使其外观更加逼真的重要步骤。
这些纹理和材质可以是颜色、图案、光照、反射等，可以通过纹理编辑软件来创建和编辑。
5. 渲染和光影效果：一旦3D模型和场景完成，就可以进行渲染。
渲染是将3D场景转换为2D图像的过程，其中包括光影、颜色和纹理的处理。
渲染软件可以模拟光的传播、阴影、反射和折射等效果。
6. 添加动画效果：一旦渲染完成，可以将动画效果添加到场景中。
这些效果可以包括物体的移动、变形、旋转，以及其他特殊效果，如粒子效果、特殊声音效果等。
通过动画软件可以对场景进行编辑和创建动画效果。
7. 合成和渲染输出：最后，将所有的元素合成到一起，添加必要的音频、音乐和声音效果。
通过合成软件，可以对影片进行最终编辑和调整。
最终输出的结果可以是视频文件、GIF动画或者其他适合的格式。
这些步骤是计算机动画制作的基本过程，制作人员可以根据自己的需求和具体情况进行调整和扩展。
计算机动画与仿真
广告、电影特技
3 教学演示
计算机动画技术在教育中的应用亦日益广泛。 由于动画技术特别是三维动画技术的形象性， 它已被用来解释复杂的自然现象：小到简单的 牛顿定律，大到复杂的狭义相对论。
4 飞行训练模拟
计算机动画技术在飞行模拟器的设计中起着非常 重要的作用。该技术主要用来实时生成具有真实 感的周围环境图象，如机场、山脉和云彩等。此 时，飞行员驾驶舱的舷舱成为计算机屏幕，飞行 员的飞行控制信息转化为数字信号直接输出到电 脑程序，进而模拟飞机的各种飞行特征。飞行员 可以模拟驾驶飞机进行起飞、着落、转身等操作。
计算机动画与仿真
计算机动画是计算机图形学和艺术相结合 的产物，它是伴随着计算机硬件和图形算 法高速发展起来的一门高新技术，它综合 利用计算机科学、艺术、数学、物理学和 其它相关学科的知识在计算机上生成绚丽 多彩的连续的虚拟真实画面，给人们提供 了一个充分展示个人想象力和艺术才能的 新天地。
二维动画(2D animation)
三维动画(3D animation)
《侏罗纪公园》
《终结者Ⅱ》
《魔鬼终结者》
《玩具总动员》
《第五元素》
《蜘蛛侠》
《鲨鱼故事》
《怪物史莱克2》
过程动画
关节动画和人体动画
基于物理的动画
五、计算机动画的应用领域
Hale Waihona Puke 与传统卡通动画相比，计算机动画是一门相当年 轻的新兴技术。它给人们提供了一个充分展示个 人想像力和艺术才能的新天地。计算机动画已在 许多应用领域证明了其无限的潜力。 目前，计算机动画已经广泛应用于： 动画片制作、电视广播 广告、电影特技 教学演示 训练模拟 建筑场景漫游 产品模拟试验 电子游戏
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3D扩展
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一个转头模型
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三维头像的构造
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边缘提取与隐线消除
• 边缘提取：计算各个剖面在X-Y平面上投影沿X轴方向 的大小极值，它们分别对应于头的右边和左边，然后 以一定顺序连接这些极值点画出头部边缘。
• 隐线消除：由于头像各部分是用曲线绘制的，把曲线 看成前后顺序连接的矢量，计算每个矢量在X-Z平面投 影与X轴的夹角 v，如果| v|< /2, 该矢量可见， 否则不可见。
• 保存骨骼:点击Up按钮，保存骨骼，然后在回到 第一步，等到所有的关键帧都提取完成以后，我 们通过点击file中的“导出skeleton”选项来导 出骨骼数据。
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插值算法流程
• 根据关键帧图片提取关节点数据并保存为文件 • 载入文件数据 • 取相邻两帧做线性插值 • 对于插值两帧对应的骨骼，分别计算它们中点的
• 最少可以用3幅，用于表现狂跑（但感觉粗糙些） • 一般可用4幅画面表现跑步的一步。
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跑步的角度加权函数
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跑步的类型
• 跑步的类型也是多种多样。图中第一个得动感更强，故感 觉更强壮，有坚定的方向。第二个看上去比较弱，不协调， 更像一个累极了的马拉松运动员要到终点的样子。
• 添加胳膊
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身体协调
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跑步
• 跑步除了要用到走步的所有规律外还有其新特点。跑步中 身体上下运动被夸张以给出更急促的感觉。
• 在位置1接触地面那只脚把身体猛地推向上。 • 胳膊运动要比走步中激烈得多。 • 跑步要比走步跨出更大的距离。
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跑步的时间分配
• 例如用一个因子 F=1+A*sin( i* /N)对加权函数 相乘（式中 i 表表示第 i 幅幅 画面的数标，N是一步内包含的画 面数），其结果是加权函数中间 几个值变大，在实际生成的走步 系列中表现为腿抬得高一些。根 据实验A的取值范围在0.1~0.3之 间效果比较好。
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8
添加胳膊
• 旋转轴下端经过坐标系原点，上端沿一玫瑰线运动，方程 如下 r=a*sin(t* ) 这里t为时间，t=0时对应位置1，t=1时对应位置9。参 数a和眼睛高度h控制低头的程度。根据实验，
a/h=0.4~0.5之间较合适。
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旋转矩阵
• 利用旋转矩阵把三维头像进行旋转，n1,n2,n3为 旋转轴的方向余弦， s1=sin , c1=cos , =t* /2是旋转角度。
• 选取眼睛中心为参考点，计算出该点高度h以及该 高度上头像的侧面宽度w;
• 距头后部取w/3，过该点的垂直轴即为Y轴，再把 侧面头像的下巴放在坐标系的X-Z平面上。
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三维头像的构造
• 正面头像的中心对称轴与Y轴平行，画像所在平面与X-Y平面平行，再 把它的下巴放在z=w/5处。这个位置对应于侧面头像前后的中间。
计算机动画
人物走步建模
• 人物走步在向前运动过程中还要注意身体上下 移动，且移动应该用慢进慢出处理。
• 在动画中走步要避免僵硬，如一个怒气冲冲的 人走步时上身前倾，下巴朝前，如图。
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2
走步的变化
• 若用走步表现出骄傲的情绪，则身体略微后倾， 在走步过程中的最高位置出伴有胸部和肩部的 动作。
系统界面
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操作步骤
• 打开关键画面
• 指定骨骼: 在右面的骨骼指定工具条里面选取所 要提取的骨骼。
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操作步骤
• 提取骨骼:点击提取骨骼按钮，点击左键拖动，释 放的方式提取骨骼，对所有的骨骼通过这种方式 提取。最后如下图所示。
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20
操作步骤
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6
走步速度的控制
• 上面的角度— i 只对应9幅画面，为了利用该变化 规律生成速度有变化的走步序列，用样条曲线对这 9个离散样点插值，然后对其弧长参数化,再用不同 区间间隔采样，得到角度加权值来控制不同速度中 的腿部动态。
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7
腿部动态局部控制
• 如果对腿部角度加权函数进行幅 度调制，就有可能生成腿部抬升 角度不同的走步序列。
• 其它如潜行等都可以用同样的方法处理。
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跑步的预备
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跑步运动中表现重量
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一个动画角色骨架提取系统
• 目标: 在手工绘制的人物或动物走步或跑步序列 中提取骨架;
• 利用上述提取的骨架信息控制一些形状元素,生成 动画
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• 然后画出中间画面(5)，在该位置上右腿完全伸直以
支撑全身，此时身体位置因此抬高，左腿自然抬高并弯 曲向前。
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5
走步中腿部的动态模型
• 在手工绘制的走步序列 上用两矢量近似上腿和 下腿的骨架，然后测量 两个矢量的角度，得到 它们随着画面 i 变化 的关系图。从中我们可 以看到它们是非线性变 化的。
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模型生成的转头例子
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3
走步的时间分配
• 正常的走步用9幅画面表现跨出一步。小孩的走步 还可以快一些，比如用7幅画面。一个疲惫的老人 走步则有可能用13幅表现一步。
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4
走步中腿部的处理
• 先画出一步的两个关键画面，其中一个是右腿在 前，左腿在后，如(1)，另一个是左腿在前，右腿 在后，如(9)。
• 用一个平行于Z-X的平面进行上下移动来切割由正面头像和侧面头像 构成的基本框架。如果切割m次，得到m组相交点，用样条曲线分别对 它们插值得到m个头步水平剖面，按切割平面高度把它们堆砌起来获 得三维头部形象。
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பைடு நூலகம்
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旋转轴设定
• 旋转轴对应于颈部中心轴，它控制头部的旋转状态。从手 工绘制的转头序列可以看到颈部中心再转头过程中保持固 定，而头顶部的运动轨迹可以用一玫瑰线来近似。