牛 青

（貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽 550023）

0 引言

從中國第一部三維動(dòng)畫影視作品《魔比斯環(huán)》開始，三維動(dòng)畫被逐漸的被應(yīng)用于廣告和電影電視劇的特效制作、廣告產(chǎn)品展示、片頭飛字等等。另外在不斷的被應(yīng)用于廣告制作，如今也在教育行業(yè)被廣泛的運(yùn)用。計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)制作生成的立體動(dòng)態(tài)圖像。動(dòng)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(xiàn)實(shí)人類或者任何東西的一連續(xù)動(dòng)作，并且隨著人們視覺的變化而不斷變化，現(xiàn)代三維動(dòng)畫在視覺上可以做到以假亂真的效果。隨著我國十二五規(guī)劃中提倡大力發(fā)展動(dòng)畫產(chǎn)業(yè)，我國對(duì)三維動(dòng)畫技術(shù)的創(chuàng)新也是刻不容緩，利用計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫可以讓現(xiàn)實(shí)、虛擬的世界更加的豐富多彩。另外一個(gè)問題是關(guān)于三維動(dòng)畫教學(xué)，應(yīng)該在教學(xué)過程中融入計(jì)算機(jī)圖形圖像理論，從而使得學(xué)生能夠更好的接受、學(xué)習(xí)三維動(dòng)畫制作與設(shè)計(jì)。

1 三維動(dòng)畫原理概述

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫是指采用圖形與圖像的處理技術(shù)，借助于編程或動(dòng)畫制作軟件生成一系列的景物畫面，其中當(dāng)前幀是前一幀的部分修改。 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫是采用連續(xù)播放靜止圖像的方法產(chǎn)生物體運(yùn)動(dòng)的效果，即一段三維動(dòng)畫是由多個(gè)靜止的圖像所組成。而且計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫在計(jì)算機(jī)圖形圖像理論中的一個(gè)重要的分支點(diǎn)，它是一種不同于平面動(dòng)畫的位移動(dòng)畫，利用位移向量改變定點(diǎn)的位置，但保持了原有的物質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開發(fā)計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫制作程序，使得畫中的景物有正面、側(cè)面和反面，調(diào)整三維空間的視點(diǎn)，能夠看到不同的內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫的語言種類有許多，主要分為線性表標(biāo)記語言、擴(kuò)展了動(dòng)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(jì)算機(jī)程序語言來設(shè)計(jì)動(dòng)畫。

2 三維動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)

首先，三維軟件的時(shí)間概念。通過在三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)軟件里，主要是以“幀”來計(jì)算動(dòng)畫播放的時(shí)間，一幀就是一副靜止的畫面，連續(xù)的幀就形成動(dòng)畫，而對(duì)于幀數(shù)，簡(jiǎn)單地說，就是在1秒鐘時(shí)間里傳輸?shù)膱D片的幀數(shù)，也可以理解為圖形處理器每秒鐘能夠刷新幾次。對(duì)于某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)到另一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的幀，稱之為關(guān)鍵幀，至少前后要給出兩個(gè)不同的關(guān)鍵狀態(tài)。中間狀態(tài)的變化和銜接電腦可以通過計(jì)算機(jī)完成。關(guān)鍵幀在三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)中是基礎(chǔ)和普遍運(yùn)用的技術(shù)方法，影響畫面圖像的的參數(shù)，如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、變形、變色的參數(shù)，都可以成為關(guān)鍵幀的參數(shù)。

另外一種設(shè)計(jì)三維動(dòng)畫的方法就是利用樣條驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫，它主要是對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡樣條進(jìn)行交互式的制定，結(jié)合制作的素材資源對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行設(shè)計(jì)、構(gòu)思。不僅是三維動(dòng)畫，基本上所有的動(dòng)畫設(shè)計(jì)都采用的這兩種方法制作。

3 三維動(dòng)畫及與計(jì)算機(jī)理論的應(yīng)用

三維動(dòng)畫是從單個(gè)的平面或二維動(dòng)畫設(shè)計(jì)成復(fù)雜的幾何立體動(dòng)畫，它可以設(shè)計(jì)任何東西，對(duì)動(dòng)畫中角色的外形的物體和人物進(jìn)行仿真，更重要是它結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論，使得動(dòng)畫具有空間感、立體感。利用三維動(dòng)畫制作軟件結(jié)合動(dòng)畫角色中的不同對(duì)象，將它們結(jié)合完成后，會(huì)集合在一個(gè)單個(gè)的關(guān)鍵幀節(jié)點(diǎn)下，并且可以在某一處關(guān)鍵幀、通道對(duì)其進(jìn)行所需要的適當(dāng)動(dòng)畫設(shè)計(jì)。而角色并不是對(duì)象的成組集合，角色點(diǎn)知識(shí)單一的組節(jié)點(diǎn)，而不能代表動(dòng)畫動(dòng)作的節(jié)點(diǎn)。而是把代表動(dòng)作或其他的節(jié)點(diǎn)放入角色組中或通道中，特定的關(guān)鍵幀利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來對(duì)角色進(jìn)行模擬，然后隨著時(shí)間的推移而發(fā)生行為或動(dòng)作的變化。筆者是三維動(dòng)畫制作的教師，就本身多年的教學(xué)談?wù)勱P(guān)于計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫制作的經(jīng)驗(yàn)。

3.1 關(guān)鍵幀動(dòng)畫

三維動(dòng)畫的關(guān)鍵幀技術(shù)是在傳統(tǒng)的動(dòng)畫制作的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，從上一幀至下一幀的一段連續(xù)的動(dòng)畫，是其間的每一個(gè)靜止畫面的幀所組成。制作相對(duì)較為簡(jiǎn)單，不需要對(duì)所有的幀進(jìn)行逐個(gè)的進(jìn)行繪制，而是選取靜止畫面中的幾幀進(jìn)行繪制即可。我們通過畫面中連續(xù)動(dòng)作變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以修改該幀的內(nèi)容，表示關(guān)鍵狀態(tài)的幀，成為關(guān)鍵幀。關(guān)鍵幀的繪制完成后，在對(duì)中間幀畫面進(jìn)行繪制，然后將它們結(jié)合在一起，就完成了三維動(dòng)畫的制作。最初的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)插值關(guān)鍵幀，即通過改變運(yùn)行參數(shù)的插值，如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、變形、變色的參數(shù)或者組合多個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的插值，從而實(shí)現(xiàn)控制動(dòng)畫的運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的制作，為了實(shí)現(xiàn)各種條件下的插值算法，采用了許多的新型數(shù)學(xué)計(jì)算方法來加快插值計(jì)算的速度、減少運(yùn)動(dòng)畫面的不連續(xù)性以及對(duì)畫面運(yùn)動(dòng)的路徑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。主要有以下三種方法：1）Gauss型數(shù)值積分方法。在動(dòng)畫插值中都會(huì)遇到弧長(zhǎng)參數(shù)化問題：為了確定物體在運(yùn)動(dòng)軌跡上在某一幀的畫面中的位置，一般會(huì)采用參數(shù)樣條來表示物體運(yùn)動(dòng)的軌跡。如果只是單一的把參數(shù)和幀頻直接聯(lián)系起來，或者對(duì)參數(shù)空間單一的等間隔采樣，那么物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。為了使物體沿著樣條運(yùn)動(dòng)并且均勻，就必須是弧長(zhǎng)與樣條參數(shù)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。利用Gauss數(shù)值積分方法來計(jì)算弧長(zhǎng)，使得弧長(zhǎng)點(diǎn)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(dòng)畫設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)中為了觀察物體運(yùn)動(dòng)是否合格，會(huì)經(jīng)常性的調(diào)整運(yùn)動(dòng)的軌跡，調(diào)整操作時(shí)對(duì)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(duì)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(guān)鍵幀插值的問題，從運(yùn)動(dòng)學(xué)控制的理論上來說，實(shí)際是一種參數(shù)插值的問題。運(yùn)動(dòng)的效果形象逼真取決于關(guān)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(dòng)畫中的物體運(yùn)動(dòng)的軌跡應(yīng)該要符合運(yùn)動(dòng)學(xué)控制和動(dòng)畫設(shè)計(jì)的原理，否則它給人們的感覺將會(huì)不真實(shí)，為了能夠使得動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)符合常規(guī)，那么必須對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性進(jìn)行控制，也就是通過對(duì)插值的函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而改變物體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)樣條，即位置對(duì)關(guān)鍵幀的函數(shù)和關(guān)鍵幀對(duì)時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行控制?？偟膩碚f，對(duì)于設(shè)置關(guān)鍵幀，主要是利用函數(shù)的變化來對(duì)插值進(jìn)行控制。

3.2 變形動(dòng)畫

計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫技術(shù)常常會(huì)對(duì)動(dòng)畫中的人物、物體進(jìn)行變形，因此必須提高變形技術(shù)。常用的二維動(dòng)畫變形技術(shù)是一種基于圖像Morph的技術(shù)，在動(dòng)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(shè)計(jì)中如果要進(jìn)行Warp操作，必須先明確圖像特征結(jié)構(gòu)的定義，然后根據(jù)特征結(jié)構(gòu)對(duì)圖像變形，這是單一的對(duì)單個(gè)圖像進(jìn)行變形操作。而對(duì)于兩幅的圖像操作Morph變形，首先必須對(duì)各個(gè)圖像進(jìn)行Warp操作，根據(jù)不同方向得到Morph的圖像系列，將其合成來獲得Morph的結(jié)果。通過點(diǎn)或結(jié)構(gòu)矢量所構(gòu)成的圖像框架的描述結(jié)構(gòu)稱之為圖象的特征結(jié)構(gòu)。而三維動(dòng)畫進(jìn)行變形操作，主要分為兩大類：1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變形。三維動(dòng)畫的Morph變形，主要是改變、建立兩個(gè)三維物體的插值和對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制三維Moth的插值轉(zhuǎn)換路徑，并且在對(duì)三維物體進(jìn)行Morph處理是，可以融入物體的特征結(jié)構(gòu)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(shí)，能夠自由的進(jìn)行空間放射的變換，如果要使物體變形，直接改變變形函數(shù)的參數(shù)即可。

3.3 人體動(dòng)畫

在三維動(dòng)畫中，人體的造型和仿真動(dòng)作是三維動(dòng)畫最吸引人的地方，同時(shí)，而早期的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫對(duì)人體外形的控制不是很好，隨著動(dòng)畫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，它逐漸成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最困難的挑戰(zhàn)。主要是每個(gè)人的樣貌、體型、骨骼、關(guān)節(jié)特征都不同，那么在動(dòng)畫中仿真設(shè)計(jì)就必須符合人的特征，而常規(guī)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的計(jì)算和幾何模型很難表現(xiàn)出人的那種生態(tài)和真實(shí)性。我國國內(nèi)的一些電影和游戲只能做出簡(jiǎn)單的模仿，即利用旋轉(zhuǎn)復(fù)制法，這種方法主要是通過感受器對(duì)人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行記錄和復(fù)制，然后在動(dòng)畫中模擬出真人實(shí)體的運(yùn)動(dòng)。

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(duì)仿真進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，而且在仿真的過程中，物體的行為會(huì)自動(dòng)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(yùn)動(dòng)、不同物理參量和不同物體的參量之間的關(guān)系，它們分別表示了物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和對(duì)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(dòng)畫技術(shù)

位移動(dòng)畫技術(shù)是動(dòng)畫制作中一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，必須有兩個(gè)或兩個(gè)以上的關(guān)鍵幀，而且是一個(gè)成組的圖形，它主要主要是進(jìn)行延長(zhǎng)幀和調(diào)整色彩的方法，在物體的表面設(shè)置一個(gè)頂點(diǎn)的位移向量，在保持物體的材質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下，形成動(dòng)畫。而且計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作也充分利用了粒子、L系統(tǒng)的方法，例如，在許多的電影設(shè)計(jì)中，利用這種粒子系統(tǒng)來表現(xiàn)自然景物，例如雨水、暴雪、火焰等。

4 結(jié)束語

動(dòng)畫產(chǎn)業(yè)是我國十二規(guī)劃中的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。國產(chǎn)原創(chuàng)系列電視動(dòng)畫片《喜羊羊與灰太狼》，由廣東原創(chuàng)動(dòng)力文化傳播有限公司出品。自2005年6月推出后，陸續(xù)在全國近50家電視臺(tái)熱播，這是我國動(dòng)畫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從《相似》到2008年的《北京歡迎您》，我國三維動(dòng)畫技術(shù)和產(chǎn)業(yè)也在不斷發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)動(dòng)畫軟件的不斷更新，例如FLASH、MAYA等軟件已經(jīng)被列入我國教育動(dòng)畫專業(yè)的必修教程，教師在教學(xué)時(shí)，也應(yīng)該充分的融入計(jì)算機(jī)圖形圖像的理論，使得學(xué)生更容易接受三維動(dòng)畫學(xué)習(xí)，制作、設(shè)計(jì)的三維動(dòng)畫，更加具有真實(shí)性。

[1]關(guān)東東.三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)中若干數(shù)字幾何處理問題研究[D].山東大學(xué),2006.

[2]李江,武艷丈,郝騰飛,等.淺談三維動(dòng)畫與計(jì)算機(jī)圖形圖像理論[J].中小企業(yè)管理與技術(shù)實(shí)現(xiàn),2008,(23): 224-225.

[3]陳鳳云.Maya水彩動(dòng)畫意象特征與技術(shù)實(shí)現(xiàn)[D].北京大學(xué),2009.

[4]雷家珩,郭麗萍,張喆文,等.晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫教學(xué)軟件的研制[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2002,19(4): 483-485.

[5]肖平,邊秋娟.結(jié)晶學(xué)教學(xué)中三維動(dòng)畫的制作與應(yīng)用[J].中國地質(zhì)教育,2009,18(2): 148-151.