第8章 计算机动画技术
一、教学目标 通过对本章的学习，要求熟悉计算机动画的概述和分类及原理。 二、教学要求
1、了解动画概述；
2、掌握计算机动画分类和原理。 三、教学内容提要
8.1计算机动画概述
8.2计算机动画的分类和原理 四、教学重点、难点及解决方法
重点是掌握计算机动画的分类和原理。 五、课时安排 2学时 六、教学设备 课堂教学
七、检测教学目标实现程度的具体措施和要求
通过课堂提问的方式来检测学生对基本概念的掌握程度。 八、教学内容
8.1 计算机动画概述 动画的定义：
就是一组连续的图像序列。当按一定的速率显示的时候，能传递一种运动的感觉。 动画的技术要求：
每一幅图像或者每一动画帧，都必须有机地、无缝地和其他的图像融合在一起，这样才能随着时间的变化，产生平滑的、连续的运动。 一、计算机动画历史与现状
计算机动画技术可以看作计算机图形学的综合应用。 包括图形生成（二维、三维）尤其是真实感图形生成技术。 计算机动画最初产生和发展与传统动画制作有着密切关系。
（1）1963年，Bell实验室研究人员用计算机制作出了世界上第一部动画片。
计算机图形学与计算机动画不同，计算机动画属于四维空间（三维加上时间），而计算机图形学只限于三维空间。
（2）60年代期间，美国一些公司、研究机构和大学开发二 维动画系统，用计算机实现中间画面制作（关键帧）和自动 着色。
（3）在70年代初期，开始研制三维辅助动画系统。
（4）70年代期间至80年代初，随着计算机图形学理论发展，尤其三维物体造型的发展，人们开始研究计算机三维造型动画系统。
（5）80年代，研究动画生成的关键参数插值法、运动学算法和动力学算法等。
（6）80年代末进入90年代后，多种不同动画软件出现，如3DS，Animator等。
目前，随着计算机硬件性能价格比的快速提高和OpenGL、DirectX等图形标准的广泛应用，商用动画软件公司纷纷推出了动画软件的微机版本。如原来运行于工作站上价格昂贵的动画软件Alias|Wavefront、maya和softimage现在都已有了PC版本。
随着PC 图形加速卡的性价比迅速提高，使得在基于PC的微机工作站上制作动画也能与在SGI工作站上一样得心应手。
当前，商业动画软件的功能越来越强，已经能够轻松制作出许多足以以假乱真的影视动画特技，这在《侏罗纪公园》、《终结者》等电影中都得到了淋漓尽致的展现，观众已很难区分哪些是计算机生成的动画，哪些是模型制作的效果。 传统动画片生产过程 1）剧本
不带画面的整个故事的详细叙述，反映动画片大致概貌与镜头的剧本，如同故事片一样。
2）设计稿
对动画片中出现多种角色选型、动作、色彩、气氛等设计，实际上完成手稿图工作。
3）声音节拍
动作必须与对话声音相配合、协调一致。
4）关键帧
动画处理中关键帧（也称原画）由经验丰富的动画设计者完成，通常由一个设计者完成某个角色。
二、传统动画与计算机动画 5）中间画
中间画是那些位于两个关键帧之间的画面，中间画一般由辅助动画设计者及其助手完成。
6）测试
7）描线上墨
8）上色
给多幅画面在透明片上涂上颜料
9）检查
动画设计者在拍摄之前再次检查各镜头动作质量
10）拍摄
这一工序在动画摄制机上完成。动画摄影师把动画系统通过拍摄依次记录在胶片上
11）后期制作
编辑、剪接、对白、配音、剪带等后期制作工序是必不可少的
传统动画采用手工方法制作，精度差且效率低；
计算机动画的实现，省去了繁杂的手工工序，使动画片的生产效率提高了许多倍。
计算机动画立体感强，可以改变视角、视距、视野及景深，具有明暗光线变化和阴影，使物体产生不同灰度和颜色渐变以及逼真的光照，可以产生纹理质感，这些特点与效果是传统手工动画难以实现或不可能实现的。 三、计算机动画研究内容
1、关键帧动画
2、基于机械学的动画和工业过程动画仿真
3、运动和路径的控制 4、动画语言与语义
5、基于智能的动画，机械人与动画 6、动画系统用户界面
7、科学可视化计算机动画表现 8、特技效果，合成演员
9、语言、音响合成，录制技术 8.2 计算机动画分类和原理
一、计算机动画的分类
1、二维动画（卡通动画）
传统卡通动画先画出两个关键帧，然后在中间插入一系列画，计算机二维动画则借助计算机来完成中间画的自动生成。 一、计算机动画分类
2、三维动画
如果说二维动画对应于传统卡通动画，那么三维动画 画则对应于木偶动画。
木偶动画首先制作木偶、道具和场景，三维动画首先 建立角色、实物和场景三维数据。
三维动画具有很强的真实感和立体感。
一、计算机动画分类
按照动画物体自身物理属性不同，三维动画也可分为：
1、刚体动画 2、软体动画 3、关节动画 4、粒子动画
二、计算机动画原理
1、关键帧动画
通过一组关键帧或关键参数值而得到中间动画帧序列： （1）形状插值：从关键帧本身而得到中间动画帧； （2）关键参数插值：通过插值物体模型关键参数数值来 获得中间动画。
1）运动学算法：由运动学方程确定物体运动轨迹和速率。 2）动力学算法：由力学方程确定物体运动形式。
3）反向运动学算法：已知物体末端位置和状态，反求运动方程以确定运动形式。 4）反向动力学算法：已知物体末端位置和状态，反求动力学方程以确定运动形式。 5）随机运动算法：在某些场合下加进运动控制随机因素。 2、算法动画
算法动画由算法实现，一般适用于三维情形。
算法动画是指按照物理或化学等自然规律对运动进行控制的方法、针对不同类型物体的运动方式，从简单的质点运动到复杂的涡流、有机分子碰撞等，一般按物体运动的复杂程度分为质点、刚体、可变软组织、链接物、变化物等类型、也可以按解析式定义物体。
用算法控制运动的过程包括：给定环境描述、环境中的物体造型、运动规律、计算机通过算法生成动画帧。
目前针对刚体和链接物已开发了不少较成熟算法，对软组织和群体运动控制方面也做了不少工作。 2、算法动画
一、旋转的四元数表示
计算机动画中常需对物体或角色进行旋转操作。
三维空间中的旋转可用：
1、旋转矩阵
2、欧拉角
3、四元数（Quaternions）
等数学形式来表示 。
8.3 计算机动画的关键技术 一、旋转的四元数表示
四元数最早由Sir William Rowan Hamilton于1843年提出，从复数推广到四维空间而得，到1985年，Shoemake又把四元数引入到了计算机图形学中来。 四元数旋转表示具有这样的优点： 一、计算简单；
二、朝向插值较稳定而平滑； 三、几何意义明了。
此外，矢量代数，实数、复数和矢量都可以看作是四元数的特例，它们可以在一起统一进行运算。
一个四元数可以表示为：q = a + xi + yj + zk， 其中i、j、k的关系如下：
i2 = j2 = k2 = -1 i * j = k = -j * i j * k = i = -k * j k * i = j = -i * k
一、旋转的四元数表示
也可以简化表示为：q=(W，V )= W+V，其中W = a，V = xi + yj + zk（实部W是一个标量，虚部V代表向量，i, j, k 称为虚轴），尽管V称为向量，但不要将其看成是典型的3D向量，它是4D空间的“抽象”向量。 假设有两个四元数： q1 = a1 + x1 i + y1 j + z1 k q2 = a2 + x2 i + y2 j + z2 k 四元数的加法定义如下：
q1 + q2 =（W1，V1）+（W2，V2） =（W1+ W2）+（V1+ V2）
= （a1+a2） + （x1+x2）i + （y1+y2）j +（z1+z2）k 四元数的乘法定义如下：
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