第六章數(shù)字動畫處理技術高等學校動畫與數(shù)字媒體專業(yè)“全媒體”創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材數(shù)字媒體技術與應用01動畫的概念及生成原理PARTONE1.動畫的基本概念故動畫可被定義為使用繪畫的手法，創(chuàng)造生命運動的藝術。

從廣義上講，把一些原先不活動的東西，經(jīng)過影片的制作與放映，變?yōu)榛顒拥挠跋瘢礊閯赢??！皠赢嫛钡闹形慕蟹ㄔ醋匀毡荆毡痉Q以線條描繪的漫畫作品為動畫。動畫一詞翻譯為英文是Animation，來源于拉丁文字anima，anima是“靈魂”的意思

而Animation則指“賦予生命”，引申為“使某物活起來”。狹義上的動畫是指當許多幀靜止的畫面

以一定的速度連續(xù)播放時，人眼因視覺暫留產(chǎn)生的錯覺，而誤以為是畫面活動的作品。1.動畫的基本概念“動畫不是活動的畫的藝術，而是創(chuàng)造運動的藝術，因此畫與畫的關系比每一幅單獨的畫更重要。雖然每一幅畫也很重要，但就重要的程度來進，畫與畫的關系更重要?！边@句話的意思是，動畫不是會動的畫，而是畫出來的運動，每幀之間發(fā)生的事，比每幀上發(fā)生的事更重要。定義動畫的方法，不在于使用的材質(zhì)或創(chuàng)作的方式

而是作品是否符合動畫的本質(zhì)。動畫媒體包含多種形式，但無論何種形式，它們均具有以下的共同點，即其影像是以電影膠片、錄像帶或數(shù)字信息的方式逐格記錄的。影像的“動作”是被創(chuàng)造出來的幻覺，而不是原本就存在的。2.動畫的起源在西班牙，阿爾塔米拉洞窟的石壁上

，畫著一頭奔跑的野牛，而繪制的特別之處在于野牛的尾巴和腿，野牛的尾巴和腿被重復繪畫了幾次，這使得原本靜止的野牛產(chǎn)生了視覺上的運動感。動畫起源于人們想通過繪畫表現(xiàn)運動的愿望

長期以來，人們公認的最早的“動畫現(xiàn)象”可以追溯到距今兩三萬年前的舊石器時代。類似的還有法國拉斯卡山洞中的壁畫一一奔跑的馬。

這種在繪制作品中反映一定的連續(xù)性和時間性的壁畫，被稱為原始動畫。2.動畫的起源公元前兩千年的埃及古墓壁畫，描繪了摔跤人的連續(xù)畫面動作當觀察者沿著壁畫按照摔跤畫面運動的順序進行移動時，視覺上就會產(chǎn)生摔跤的運動畫面感。這種利用觀察者的身體位置移動，使繪制的壁畫產(chǎn)生運動性和時間性的效果，表明了當時的人們已經(jīng)有了表現(xiàn)連續(xù)的運動畫面的想法。希臘古陶瓶上繪有人物奔跑的連續(xù)畫面

當轉(zhuǎn)動陶瓶時，若觀察者注視其中的一個區(qū)域不動則隨著陶瓶轉(zhuǎn)動速度的加快，觀察者將會產(chǎn)生陶瓶上人物在連續(xù)奔跑的錯覺。這種借助于旋轉(zhuǎn)使陶瓶上的靜止畫面在旋轉(zhuǎn)中連續(xù)變化從而產(chǎn)生運動效果的方式，比古埃及的石壁畫產(chǎn)生的動畫效果又前進了一步。2.動畫的起源上述各種原始動畫原型的出現(xiàn)

表明古代的人們都有通過靜止畫面表現(xiàn)運動的愿望。動畫大師諾曼·麥克拉倫說:“動畫不是運動的畫，而是畫出來的運動?！眲赢嫲ㄋ囆g和技術兩個層面。藝術層面主要包括動畫的繪制、敘事和聲音藝術。技術層面主要包括將靜止的畫面賦予運動和生命所需要的技術所以說動畫是敘事和時間的藝術，在時間的流動中傳達動畫創(chuàng)作者所要表達的思想。3.動畫生成原理人眼的視覺暫留效應可以將靜止的畫面變?yōu)檫B續(xù)運動的畫面。

視覺的產(chǎn)生是物體發(fā)射或反射的光，通過人眼的晶狀體和感光細胞的感光，在視網(wǎng)膜上成像，連接視網(wǎng)膜的視神經(jīng)將這些信息轉(zhuǎn)換為神經(jīng)電流傳送給大腦，從而引起人眼視覺。感光細胞的感光主要靠一些感光色素，而感光色素的形成是需要一定時間的，這就是視覺暫留(PersistenceofVision)原理。這一原理由英國科學家彼得·羅杰(PeterRoget)于1824年發(fā)現(xiàn)并定義。由于人眼具有視覺暫留的生理現(xiàn)象，所以當人們觀察的一個影像消失后，如果在短時間內(nèi)，緊接著第二個相關的影像馬上進入了人眼的視網(wǎng)膜，這時就會給人眼造成連續(xù)影像動起來的錯覺。在日常生活中，我們會看到當靜止的風扇快速旋轉(zhuǎn)時幾片扇葉會連成一個圓盤。當快速旋轉(zhuǎn)激光筆的光點時，光點會形成一個圓環(huán)。急速降下的雨滴會形成一條線·····.這些都是由于人眼具有視覺暫留的特性而形成的。1動畫的視覺原理3.動畫生成原理1動畫的視覺原理1828年，另一位科學家約瑟夫·普拉托進一步研究證實人眼的平均暫留時間為0.34秒人眼的這種視覺暫留特性為動畫、電影等視覺媒體形式的傳播提供了依據(jù)，經(jīng)過許多先驅(qū)的努力，最終產(chǎn)生了電影和動畫。電影和動畫放映的頓速率為每秒24，電視PAL制為秒25，NTSC制為秒30，通過這樣的幀速率播放電影、動畫和電視，可使人們觀察的畫面有連續(xù)感，不停頓。3.動畫生成原理動畫片中活動形象的制作

不像其他影片制作那樣，可以直接拍攝客觀物體的運動，而是通過對客觀物體運動的觀察、分析、研究，用動畫片的表現(xiàn)手法(主要是夸張、強調(diào)動作過中的某些方面)，一張張地畫出來，一格格地拍出來，然后連續(xù)放映，使之在銀幕上活動起來。因此，動畫片表現(xiàn)物體的運動規(guī)律既要以客觀物體的運動規(guī)律為基礎，又要有它自己的特點，而不是簡單地模擬。研究動畫片表現(xiàn)物體的運動規(guī)律首先要弄清時間、空間、速度的概念及彼此之間的相互關系，從而掌握規(guī)律，處理好動畫片中動作的節(jié)奏。2動畫運動的基本原理3.動畫生成原理2動畫運動的基本原理①時間“時間”,是指影片中物體在完成某一動作時所需的時間長度，由于動畫片中的動作節(jié)奏比較快，鏡頭比較短(一部放映10分鐘的動畫片分切為100200個頭，因此在算一個鏡頭或一個動作的時間時，要求更精確一些，除以秒為單位外，還要以“格”為單位(1秒-24格)。動畫片計算時間使用的工具是秒表。在想好動作后，自己一邊做動作，一邊用秒表測時間。也可以一個人做動作，另一個人測時間。對于有些無法做出的動作，如孫悟空在空中翻筋斗、雄鷹在高空翱翔或是大雪紛飛、烏云翻滾等，可以用手勢做些比擬動作，同時用秒表測時間，或者根據(jù)既往經(jīng)驗，用腦子默算的辦法確定這類動作所需的時間。對于有些不太熟悉的動作，可以采取拍攝動作參考片的辦法，把動作記錄下來，然后計算這一動作所占的長度(格數(shù))，從而確定所需的時間。3.動畫生成原理2動畫運動的基本原理①時間“實踐發(fā)現(xiàn)，完成同樣的動作，動畫片所占膠片的長度比故事片、紀錄片要略短一些。例如，用膠片拍攝真人以正常速度走路，如果每步是14格，那么動畫片只需拍12格，就可以造成真人每步用14格的速度走路的效果。如果動畫片也用14格，那在銀幕上就會感覺比真人每步用14格走路的速度略慢一點。因此，在確定動畫片中某一動作所需的時間時，常常要把用秒表根據(jù)真人表演測得的時間或紀錄片上所拍攝的長度，稍稍縮短一些，這樣才能合理把控動畫時間，取得預期的效果。時間控制是動作真實性的靈魂，過長或過短的動作會降低動畫的真實性。3.動畫生成原理2動畫運動的基本原理②空間“空間”，可以理解為動畫片中活動形象在畫面上的活動范圍和位置，但更重要的是指一個動作的幅度(一個動作從開始到終止之間的距離)以及活動形象在每一張畫面之間的距離。動畫設計人員在設計動作時，需要將動作的幅度處理得比真人動作的幅度夸張一些，以取得更鮮明、更強烈的效果。此外，動畫片中的活動形象做縱深運動時，可與背景畫面上通過透視表現(xiàn)出來的縱深距離不一致。例如，表現(xiàn)一個人從畫面縱深處迎面跑來，由小到大，如果按照畫面透視及背景與人物的比例，應該跑十步，那么在動畫片中跑五六步即可，特別是在地平線比較低的情況下，更是如此。3.動畫生成原理2動畫運動的基本原理③速度“速度”，是指物體在運動過程中的快慢。按物理學的解釋，是指路程與通過這段路程所用時間的比值。在通過相同的距離時，運動越快的物體所用的時間越短，運動越慢的物體所用的時間就越長。在動畫片中，物體運動的速度越快，所拍攝的格數(shù)就越少。物體運動的速度越慢，所拍攝的格數(shù)就越多。一個動作在從始至終的運動過程中，如果運動物體在每一張畫面之間的距離完全相等，則稱為“平均速度”(勻速運動)。如果運動物體在每一張畫面之間的距離是由小到大的，那么拍出來在銀幕上放映的效果是由慢到快，稱為“加速度”(加速運動)。如果運動物體在每一張畫面之間的距離是由大到小的，那么拍出來在銀幕上放映的效果是由快到慢，稱為“減速度”(減速運動)。物體在運動過程中，除主動力的變化外，還會受到各種外力的影響，如地心引力、空氣和水的阻力以及地面的摩擦力等，這些因素都會造成物體在運動過程中速度的變化。3.動畫生成原理2動畫運動的基本原理③速度由于動畫片是一張張畫出來，然后一格格地拍出來的，因此必須觀察、分析、研究動作過程中每一格畫面(1/24秒)之間距離(速度)的變化，掌握它的規(guī)律，根據(jù)劇情設定、影片風格以及角色的年齡、性格、情緒等靈活運用，把它作為動畫片的一種重要表現(xiàn)手段。在動畫片中，造成動作速度快慢的因素，除時間和空間(距離)外，還有一個，就是兩張原畫之間所加中間畫的數(shù)量(張數(shù))。中間畫的張數(shù)越多，速度越慢。中間畫的張數(shù)越少，速度越快。即使在動作的時間長短相同、距離大小也相同的情況下，由于中間畫的張數(shù)不一樣，也能造成細微的快慢不同的效果。3.動畫生成原理2動畫運動的基本原理④時間、距離、張數(shù)3個因素與速度的關系動畫片質(zhì)量的優(yōu)劣，由時間、距離、張數(shù)3個因素與速度的協(xié)調(diào)關系決定。就單獨的一個動作而言，A、B是原畫。“時間”是指原畫A動態(tài)逐步過渡到原畫B動態(tài)所的秒數(shù)或數(shù)?！熬嚯x”是指A、B兩張原畫之間中間畫的數(shù)量。“速度”是指原畫A動態(tài)到原畫B動態(tài)的快慢在時間和張數(shù)相同的情況下，距離越大，速度越快;距離越小，速度越慢。需要說明的是，即使兩組中間畫的運動總距離相等，如果每張中間畫之間的距離不一樣，用加速度或減速度的方法處理，也會造成快慢不同的效果。3.動畫生成原理2動畫運動的基本原理⑤節(jié)奏節(jié)奏是動畫電影的生命，動畫節(jié)奏是將現(xiàn)實生活中的動作進行夸張化和極限化的處理，韻律和節(jié)奏是動畫電影的重要藝術特征之一。速度的變化是造成節(jié)奏感的主要原因，不同速度的交替使用產(chǎn)生不同的節(jié)奏感和韻律感，例如，勻速、快速、慢速以及停格等。關鍵動作的動態(tài)和動作的幅度往往是構成動作節(jié)奏的基礎。需要強調(diào)的是，在關鍵動作的動態(tài)和動作幅度處理合理的情況下，如果時間和張數(shù)安排不當，動作的節(jié)奏不但不到位，而且會背離物體的運動規(guī)律，視覺上產(chǎn)生不舒服感，影響觀眾的心理感受。4.動畫片的制作過程文學劇本就是文字敘述的故事，它如同故事片一樣

主要包括人物對白、動作和場景的描述在文學劇本中，人物對白要準確地表現(xiàn)角色個性，動作的趨勢和力度要生動、形象，人物出場順序、位置環(huán)境、服裝、道具、建筑等都要寫清楚。只有這樣，腳本畫家才能夠進行更生動的動畫創(chuàng)作，通常，動畫片敘述的故事要具有卡通特色，如幽默等，如果再有一些感人的情節(jié)，就會更受大家的歡迎。1文學劇本4.動畫片的制作過程造型設計就是由設計者根據(jù)文學劇本

對人物和其他角色進行造型設計，并繪制出每個人物或角色不同角度的形態(tài)，以供其他工序的制作人員參考。此外，設計者還要畫出它們之間的高矮比例、各種角度的樣子、臉部的表情、使用的道具等。在設計造型時，主角、配角等演員在服裝、顏色、五官等方面要有很明顯的差異，服裝和人物個性要匹配，造型與美術風格要匹配?？紤]到其他工序的制作人員可能會有困難，造型不可太復雜、瑣碎。2造型設計4.動畫片的制作過程文學劇本完成后，要繪制故事腳本

故事腳本是反映動畫片大致概貌的分鏡頭劇本，也稱為故事板(Storyboard)。它并不是真正的動畫圖稿，而是類似連環(huán)畫的畫面，將劇本描述的內(nèi)容用畫面表達出來，詳細地畫出每個鏡頭出現(xiàn)的人物、地點、攝影角度、對白內(nèi)容、畫面的時間、所做的動作等。由于故事腳本將拆開交由很多位畫家分工繪制，所以一定要畫得非常詳細，要讓每位畫家明白整個故事是如何開展的。3故事腳本4.動畫片的制作過程背景是根據(jù)故事的情節(jié)需要和風格來繪制的

在繪制背景過程中，人物組合的位置、白天或夜晚，家具、飾物、地板、墻壁、天花板等背景結構都要清楚，使用多大的畫面(安全框)、鏡頭推拉等也要標示出來，以便人物可以自由地在背景中運動。4背景在進行動畫制作時，動作必須與聲音相匹配，所以聲音錄制需要在動畫制作之前進行

當聲音錄制完成后，編輯人員還要將記錄的聲音準確地分解到每一張畫面的位置上，即第幾秒(或第幾幅畫面)開始對白、對白持續(xù)多久等，最后要把音軌分配到每一張畫面位置與聲音對應的條表,供動畫制作人員參考。5聲音錄制4.動畫片的制作過程原畫是動畫系列中的關鍵畫面，也叫關鍵幀

這些畫面通常是某個角色的關鍵幀形象和運動的極限位置，由經(jīng)驗豐富的動畫設計者完成。創(chuàng)作原畫時要將卡通人物的情感和性格表現(xiàn)出來，但不需要把每一張畫面都畫出來，只需畫出關鍵頓即可。原畫繪制完成后交給動畫師，動畫師據(jù)此制作一連串精彩的動作。6原畫中間畫是位于兩個關鍵頓之間的畫面

相對于原畫而言，中間畫也叫作動畫，它由輔助的動畫設計者及其助手完成。這些畫面根據(jù)角色的視線、動作方向、夸張、速度、人物透視、人體力學、運動的距離、推拉鏡頭的速度與距離，將間斷的動作連綴起來，使其顯得自然流暢。這是給平面人物賦予生命與個性的關鍵環(huán)節(jié)。7中間畫4.動畫片的制作過程為了初步測定造型和動作

需將原畫和中間畫輸入動畫測試臺進行測試，檢查畫面是否變形，動作是否流暢，原畫的原意是否正確傳達，然后再請導演做最后審核。8測試動畫片通常都是彩色的

因此要用計算機技術給畫面著色。9上色4.動畫片的制作過程編輯過程主要完成動畫各片段的連接、排序和剪輯11畫面編輯檢查是動畫合成的重要步驟

在每個鏡頭的每張畫面全部著色之后，在開始編輯之前，動畫師需要對每一場景的每一個動作進行詳細的檢查。10檢查4.動畫片的制作過程編輯完成之后，編輯人員和導演開始選擇音響效果以配合動畫的動作

在所有音響效果已選定并能很好地與動作同步之后，編輯人員和導演一起對音樂進行復制，再把聲音、對話、音樂、音響都混合到一個聲道上。另外，字幕等后期制作工序也都是必不可少的。12后期制作02計算機動畫PARTTWO1.計算機動畫與圖形計算機動畫的關鍵技術體現(xiàn)在計算機動畫制作軟件和硬件上

動畫制作軟件是由計算機專業(yè)人員開發(fā)的制作動畫的工具，使用這一工具不需要用戶編程，通過簡單的交互操作就能實現(xiàn)計算機的各種動畫功能。不同的動畫效果，取決于不同的計算機動畫軟件和硬件功能。計算機動畫是采用連續(xù)播放靜止圖像的方法產(chǎn)生景物運動的效果

也就是使用計算機產(chǎn)生圖形、圖像運動的技術。一般來說，計算機動畫中的元素包括景物位置、方向、大小和形狀的變化,以及虛擬攝像機的運動、景物表面紋理、色彩的變化。雖然制作的復雜程度不同，但制作動畫的基本原理是一致的

從另一方面來看，計算機動畫制作本身是一種藝術實踐，動畫的編劇、角色造型、構圖、色彩等的設計需要高素質(zhì)的美術專業(yè)人才和計算機專業(yè)人才才能較好地完成。計算機動畫真正體現(xiàn)了技術與藝術的相瓦交融。2.計算機動畫的基本類型實時動畫(real-time)也稱算法動畫

它采用各種算法來實現(xiàn)運動物體的運動控制，在實時動畫中，計算機通過一邊計算一邊顯示來產(chǎn)生動畫效果。實時動畫一般不包含大量的動畫數(shù)據(jù),而是對有限的數(shù)據(jù)進行快速處理，并將結果隨時顯示出來。實時動畫的響應時間與許多因素有關如計算機的運算速度、軟硬件處理能力、景物的復雜程度、畫面的大小等。對象的移動是實時動畫中一種最簡單的運動形式，它是指屏幕上一個局部圖像或?qū)ο笤诙S平面上沿著某一固定軌跡運動。實時動畫一般適用于三維情形根據(jù)不同的算法可分為以下幾種:運動學算法，由運動學方程確定物體的運動軌跡和速率:動力學算法，從運動的動因出發(fā)，由力學方程確定運動形式。1實時動畫2.計算機動畫的基本類型1實時動畫反向動力學算法，已知鏈接物末端的位置和狀態(tài)，反求動力學方程以確定運動形式;反向運動學算法，已知鏈接物末端的位置和狀態(tài)，反求運動方程以確定運動形式;隨機運動算法，在某些場合下加入運動控制的隨機因素。實時動畫具有交瓦性。這是因為實時動畫在進行動畫展示的同時繪制每一幅圖像，因此可以根據(jù)需要動態(tài)地改變下一幅圖像內(nèi)容。例如，改變進行動畫展示的模型的形狀、位置和其他特征。盡管實時動畫達不到逐頓動畫那樣的速度，但良好的交互特性使之成為三維環(huán)境中移動模擬的有利候選者以及動畫設計的最佳選擇。2.計算機動畫的基本類型逐幀動畫(framebyframe是一種常見的動畫形式，極具靈活性，幾乎可以表現(xiàn)任何想表現(xiàn)的內(nèi)容

其原理是在“連續(xù)的關鍵幀”中分解動畫動作，也就是在時間軸的每幀上逐頓繪制不同的內(nèi)容，使其連續(xù)播放而形成動畫。逐幀動畫類似于電影的播放模式，很適合表現(xiàn)細膩的動畫。例如，人物或動物急劇轉(zhuǎn)身，頭發(fā)及衣服的飄動，走路、說話以及精致的3D效果等。但因序列內(nèi)容不一樣，其繪畫制作的過程具有一定的難度，且最終輸出的文件量巨大。創(chuàng)建逐幀動畫有以下幾種方法:用導入的靜態(tài)圖片建立逐動畫，用JPG、PNG等格式的靜態(tài)圖片連續(xù)導入Flash中，就會建立一段逐動畫:繪制矢量逐動畫，用鼠標或樂感筆在場景中一幀頓地畫出幀內(nèi)容。2逐幀動畫2.計算機動畫的基本類型2逐幀動畫文字逐幀動畫，用文字當作幀中的元件，實現(xiàn)文字跳躍、旋轉(zhuǎn)等特效:導入序列圖像，可以導入GIF序列圖像、SWF動畫文件或者利用第三方軟件(如Swish、Swift3D等)產(chǎn)生的動畫序列。在動畫中，重要的幀被稱為關鍵幀，關鍵幀之間的頓稱為中間幀。逐幀動畫中的中間各幀是由計算機使用關鍵頓的算法自動生成的。最常用的關鍵幀算法是插值算法。所有影響畫面圖像的參數(shù)，例如，位置、旋轉(zhuǎn)角度、紋理等都是關鍵頓參數(shù)。2.計算機動畫的基本類型二維動畫又稱平面動畫

簡單地講，二維動畫就是指其每畫面都以平面的形式進行展示的動畫。從一定意義上說，二維動畫是對手動傳統(tǒng)動畫的一種改進，其制作流程大致分為輸入和編輯關鍵幀、計算和生成中間幀、定義和顯示運動路徑、交互式為畫面上色這4個步驟。二維動畫的制作，通常會借助透視原理等手段得到一些立體效果，但從根本上講，二維動畫中只有高度和寬度的二維信息，并沒有第三維的深度信息。無論二維動畫中畫面的立體感有多強歸根結底也只是在二維空間上模擬三維空間的效果，同一畫面內(nèi)只有物體的位置移動和形狀改變，并沒有視角的變化。3二維動畫2.計算機動畫的基本類型三維動畫，也稱立體動畫

它包含了組成物體模型完整的三維信息，根據(jù)物體的三維信息在計算機內(nèi)生成影像的模型、軌跡、動作等，可以從各個角度表現(xiàn)角色，具有真實的立體感。但與真實物體相比，三維動畫又是虛擬的，它所顯示的畫面并不是由攝像機拍攝記錄下來的真實物體的影像，而是由計算機生成的圖像。因而它可以創(chuàng)造出現(xiàn)實生活中并不存在的景物其“虛擬真實性”使動畫作品更具有感染力。4三維動畫2.計算機動畫的基本類型網(wǎng)絡動畫采用矢量圖形，其文件可以很小

且畫面的線條簡潔、顏色鮮艷，對計算機硬件的要求不高，軟件操作也比較容易，適合個體創(chuàng)作。同時，網(wǎng)絡動畫充分利用了網(wǎng)絡的交互特性，所生成的動畫往往還具有交互功能，可由觀察者去控制動畫的進程和變化。但網(wǎng)絡動面的畫面質(zhì)量與采用像素點陣圖形的影院計算機動畫片不可相提并論。后者畫面的色彩種類明暗層次、線條筆觸遠遠優(yōu)于前者。5網(wǎng)絡動畫3.計算機動畫系統(tǒng)2D/3D鼠標是最常見的輸入設備之一

圖形輸入板則是更專業(yè)的輸入設備，它為操作者提供了一種類似于傳統(tǒng)繪畫的直觀的工作模式。圖形掃描儀為動畫系統(tǒng)提供了所需要的紋理貼圖等各類素材。三維掃描儀則可通過激光技術掃描一個實際的物體，然后生成表面線框網(wǎng)格，通常用來生成高精度的復雜物體或人體形狀。而最常用的動畫視頻輸出設備是刻錄機和編輯錄像機。主機是完成所有動畫制作和生成的設備，一般為圖形工作站。計算機動畫系統(tǒng)是一種交互式計算機圖形系統(tǒng)，包括硬件平臺和軟件平臺兩部分。

硬件平臺主要包括輸入與輸出設備、主機等。輸入設備包括對動畫軟件輸入操作指令的設備和為動畫制作采集素材的設備。3.計算機動畫系統(tǒng)圖形工作站是一種以個人計算機和分布式網(wǎng)絡計算為基礎具備強大的數(shù)據(jù)運算與圖形處理能力，為滿足工程設計、動畫制作、科學仿真、虛擬現(xiàn)實等專業(yè)領域?qū)τ嬎銠C圖形處理應用的要求而設計開發(fā)的高性能計算機。針對小型動畫工作室和大中型制作公司的不同使用要求，圖形工作站也分為不同的級別。軟件平臺不僅指動畫制作軟件，還包括完成一部動畫片的制作所需要的其他類別軟件

動畫制作軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、高級語言、診斷程序、開發(fā)工具、網(wǎng)絡通信軟件等。目前，可用于動畫制作的系統(tǒng)軟件平臺有Windows系統(tǒng)、Liux系統(tǒng)、UNIX系統(tǒng)以及MaOSX(macOS)系統(tǒng)。應用軟件包括圖形設計軟件、二維和二維動畫軟件及特效與合成軟件等。3.計算機動畫系統(tǒng)圖形設計軟件一般提供豐富的繪畫工具

用戶可以直接在屏幕上繪制自己想要的圖形，且這類軟件都具有強大的圖像處理功能，如圖像掃描、色彩校正、顏色分離、畫面潤色、圖像編輯、特殊效果生成等，常見的圖形軟件有Photoshop、Illustrator等。二維動畫軟件一般都具有較完善的平面繪畫、中間面面生成、著色、畫面編輯合成、特效預演等功能，如AnimatorStudio、Flash等。三維動畫軟件運用計算機來模擬真實的三維場景和物體，在計算機中構造立體的幾何造型并賦予其表面顏色和處理，然后設計三維形體的運動、變形，確定場景中燈光的強度、位置及移動，最后生成一系列可動態(tài)實時播放的連續(xù)圖像。常用的三維動畫軟件一般都具有三維建模、材質(zhì)紋理貼圖、運動控制、畫面渲染、系列生成等功能模塊，如Maya、3dsMax、Softimage等。4.計算機動畫生成技術關鍵幀的概念來源于傳統(tǒng)的動畫片制作

先使用一系列關鍵頓來描述每個物體在各個時刻的位置、形狀以及其他有關參數(shù)，然后讓計算機根據(jù)插值規(guī)律計算并生成中間各幀，在動畫系統(tǒng)中，提交給計算機插值計算的是三維數(shù)據(jù)和模型。所有影響畫面圖像的參數(shù)都可成為關鍵幀的參數(shù)，如位置、旋轉(zhuǎn)角、紋理的參數(shù)等。關鍵頓是計算機動畫中最基本且運用最廣泛的設置方法之一另一種動畫設置方法是樣條驅(qū)動動畫。用戶通過交互方式指定物體運動的軌跡樣條幾乎所有的動畫軟件，如Maya、Softimage、Wavefront、TDI、3dsMax等，都提供這兩種基本的動畫設置方法。1關鍵幀動畫4.計算機動畫生成技術變形物體動畫是把一種形狀或物體變成另一種不同的形狀或物體

中間過程則通過形狀或物體的起始狀態(tài)和結束狀態(tài)進行插值計算。為了使變形方法能很好地結合到造型和動畫系統(tǒng)中，人們提出了許多與物體表示無關的變形方法，如自由格式變形方法(FFD)，該方法不對物體直接進行變形，而是對物體所嵌入的空間進行變形，適用面廣，是物體變形中最實用的方法之一。目前許多商用動畫軟件如Softimage、3dsMax、Maya等，都有類似于FFD的功能。2變形物體動畫4.計算機動畫生成技術過程動畫指的是動畫中物體的運動或變形由一個過程來描述

最簡單的過程動畫是用一個數(shù)學模型去控制物體的幾何形狀和運動，如水波隨風的運動。而較復雜的過程動畫有物體的變形、彈性理論、動力學、碰撞檢測物體的運動等。粒子系統(tǒng)動畫和群體動畫也屬于過程動畫。粒子系統(tǒng)動畫是一種模擬不規(guī)則模糊物體的景物生成系統(tǒng)。由于粒子系統(tǒng)是一個有“生命”的系統(tǒng)，它充分體現(xiàn)了不規(guī)則物體的動態(tài)性和隨機性，因而可產(chǎn)生一系列運動進化的畫面。這使得模擬動態(tài)的自然景色如火、云、水等成為可能群體動畫主要解決生物界群體運行的隨機性和規(guī)則性的仿真問題。3過程動畫4.計算機動畫生成技術在計算機動畫中，模擬人體的造型與動作是最困難、最具挑戰(zhàn)性的問題

人體具有200個以上的自由度和非常復雜的運動，人的形狀不規(guī)則，肌肉會隨著人體的運動而變形，個性、表情等也是千變?nèi)f化的。另外，由于人類對自身的運動非常熟悉，不協(xié)調(diào)的運動很容易被察覺，因此，計算機動畫主要采用運動學和動力學方法來實現(xiàn)關節(jié)動畫與人體動畫。在運動學方法中，一種實用的解決方法是通過實時輸入設備記錄人體各關節(jié)的空間運動數(shù)據(jù)，即運動捕捉法。由于生成的運動基本上是真人運動的復制品，因而效果非常逼真，且能生成許多復雜的運動。與運動學相比,動力學方法能生成更復雜和逼真的運動，并且需要指定的參數(shù)相對較少，但計算量相當大，且很難控制。最接近真人運動效果的制作方法是將運動學和動力學這兩種方法相結合。在動作設計中，可以采用表演動畫技術即用動作傳感器將演示的每個動作姿勢傳送到計算機的圖像中，來實現(xiàn)理想的動作姿勢，也可以用關鍵幀方法或任務骨骼造型畫法來實現(xiàn)一連串的動作。4關節(jié)動畫與人體動畫4.計算機動畫生成技術基于物理模型的動畫也稱運動動畫，其運動對象要符合物理規(guī)律

該類動畫技術結合了計算機圖形學中現(xiàn)有的建模、繪制和動畫技術，并將其統(tǒng)一成為一個整體。運用這項技術，用戶只要明確物體運動的物理參數(shù)或者約束條件就能生成動畫，它更適用于模擬自然現(xiàn)象。5基于物模型的動畫03數(shù)字動畫設計與制作PARTTHREE數(shù)字動畫設計與制作無論是傳統(tǒng)動畫還是數(shù)字動畫，其動畫制作過程是大致相同的

在數(shù)字化的動畫制作過程中，要求作者摒棄傳統(tǒng)的工具將美術設計功底、視聽語言運用技能和精湛的計算機操作水平3種能力融為一體。在傳統(tǒng)的動畫制作過程中主要使用筆、紙、專用顏料、賽璐珞、攝像機等工具。數(shù)字化的動畫的制作過程大致為在傳統(tǒng)動畫過程基礎上增加數(shù)字技術成分。動畫制作是一個非常煩瑣且吃力的工作，分工極為細致

通常分為前期制作、中期制作、后期制作等。前期制作包括企劃、作品設定、資金募集等。中期制作包括分鏡、原畫、中間畫、動畫、上色、背景作畫、攝影、配音、錄音等。后期制作包括剪接、特效、字幕、合成、試映等。1.數(shù)字動畫在傳統(tǒng)動畫幾經(jīng)浮沉之際，新的動畫革命在悄悄醞釀。1950年，MIT的計算機專家制作了第一部計算機動畫作品。到了20世紀0年代，一大批科學家和藝術家開始投身計算機圖像領域。20世紀70年代后期，杰姆斯·布林領導的實驗室作了早期的三維動畫短片Voyage2。20世紀80年代一大批數(shù)字動畫制作公司相成立1980年成立的PDI特效工作室(PacificDatalmages).1985年成立的皮克斯工作室(Pixar)1987年成立的藍天工作室(BlueSkyStudios)，如今都成為生產(chǎn)電影動畫的大型工作室。20世紀90年代，數(shù)字技術在歐美和日本的動畫工作室開始得到普及。1.數(shù)字動畫數(shù)字圖像技術成為電影和動畫工業(yè)復興的催化劑。迪士尼公司自1990年的《救難小英雄》以來就利用數(shù)字技術降低成本和營造更加美輪美兵的畫面，《美女與野獸》《阿拉丁》等動畫電影取得巨大成功。1994年的《獅子》更成為迪士尼公司當時最賣座的一部動畫長片。1995年，皮克斯工作室制作了第一部三維動畫長片《玩具總動員》，為三維動畫之濫觴。三維動畫片成為動畫產(chǎn)業(yè)的新主流，美國生產(chǎn)的《蟲蟲特工隊》《小蟻雄兵》《冰河世紀》《怪物史萊克》《海底總動員》《超人特攻隊》《機器人歷險記》等，都取得了空前的商業(yè)成功。1.數(shù)字動畫數(shù)字動畫的浪潮也在美國之外的地區(qū)掀起日本的《幽靈公主》《千與千尋》《攻克機動隊2》《蒸汽男孩》等動畫片，都采用了數(shù)字動畫技術。韓國、法國等國也借助這一浪潮大力發(fā)展動畫產(chǎn)業(yè)，成為新的動畫生產(chǎn)大國。中國動畫產(chǎn)業(yè)也有一批新的數(shù)字動畫制作者加入，動畫從業(yè)人員和動畫專業(yè)學生的迅速增加，為中國動畫迎來新的發(fā)展契機。數(shù)字動畫是依靠計算機技術和現(xiàn)代高科技技術生成的虛擬動畫片

分為二維動畫片、三維動畫片和合成動畫片。二維動畫片中數(shù)字動畫表現(xiàn)最突出的就是網(wǎng)絡動畫，在互聯(lián)網(wǎng)上傳播的互動式的動畫片。由于網(wǎng)絡動畫傳播速度快，有一定的互動操作性，制作起來又比較簡單，所以流傳度很高。三維動畫是隨著技術日新月異的進步發(fā)展而來的，數(shù)字化的發(fā)展使得三維動畫擁有與傳統(tǒng)動畫的“原畫與動畫”完全不同的觀念，并且超越了傳統(tǒng)動畫。1.數(shù)字動畫數(shù)字二維動畫是基于數(shù)字化信息化的平面動畫

數(shù)字二維動畫與傳統(tǒng)動畫的制作區(qū)別不是特別大，共同點都是二維動畫。只是數(shù)字二維動畫將動畫制作的過程完全數(shù)字化、信息化，更方便快捷。數(shù)字二維動畫制作全過程采用無紙化制作，作畫過程中的繪圖、描線、上色等都在計算機上完成，極大地提高了工作效率。把傳統(tǒng)二維動畫制作從紙上解放出來，通過數(shù)字技術可以更加高效地制作二維動畫片，增強動畫的視覺效果，更為重要的是，數(shù)字技術的加入，可以在計算機上實時預覽動畫的表演和節(jié)奏，而傳統(tǒng)二維動畫需將每張畫紙掃描線拍進計算機參看效果。傳統(tǒng)動畫設計技術，如補間和轉(zhuǎn)描機，都經(jīng)過計算機編程成為動畫制作軟件中的功能補間是由設計師先繪制關鍵幀，然后將關鍵幀放置在時間線的兩端，執(zhí)行軟件的“補間”功能，就會自動地產(chǎn)生這兩個關鍵幀之間的頓圖像。1數(shù)字二維動畫1.數(shù)字動畫三維動畫又稱3D動畫，是隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展而產(chǎn)生的新興技術

三維動畫軟件能夠建立一個虛擬世界，設計師在這個虛擬世界中按照要表現(xiàn)的對象的形狀尺寸建立模型以及場，再根據(jù)要求設定模型的運動軌跡、虛擬攝像機的運動和其他動畫參數(shù)，最后按要求為模型添加特定的材質(zhì)，并打上燈光，進行渲染輸出。三維動畫制作是一件藝術和技術緊密結合的工作。三維動畫多了時間和空間的概念，它需要借鑒平面設計的一些法則，但更多的是要按影視藝術的規(guī)律來進行創(chuàng)作。三維動畫的發(fā)展到目前為止可以分為3個階段。1995-2000年是三維動畫的起步以及初步發(fā)展時期，被稱為第一階段，迪士尼旗下皮克斯工作室的動畫影片《玩具總動員》就是這一階段的標志。2001一2003年是三維動畫迅猛發(fā)展時期，被稱為第二階段，皮克斯工作室和夢工廠分別成為這一時期三維動畫的大贏家，代表作為《怪物史萊克》《怪獸申力公司》《海底總動員》等。從2004年開始，三維動畫步入了全盛時期，也就是現(xiàn)在的第三階段。2三維動畫2.動畫制作軟件制作二維動畫的軟件有很多，目前主流的是Flash。Flash具有跨平臺的特性

Flash支持動畫、聲音及交互功能，是一款功能強大的二維動畫制作軟件，有很強的矢量圖形制作能力，它提供了遮罩、交瓦的功能，支持Alpha遮的使用，并能對音頻進行編輯。Flash采用了時間線和幀的制作方式，不僅在動畫方面有強大的功能，在網(wǎng)頁制作、媒體教學、游戲等領域也有廣泛的應用，其強大的多媒體編輯能力還可以直接生成網(wǎng)頁代碼。Flash由于使用矢量圖形和流式播放技術，克服了目前網(wǎng)絡傳輸速度慢的缺點，因而被廣泛采用。1二維動畫制作軟件二維動畫制作軟件還有UleadGIFAnimatr、TBS等它們各自的功能特點不同，因而制作的動畫風格也不同。常用的二維動畫文件格式有FLI、FLC、SWF等。2.動畫制作軟件常用的三維動畫制作軟件有Maya、3dsMax、Softimage等。

Maya的功能非常強大，為眾多設計師、廣告設計者、影視制片人、游戲開發(fā)者、視覺藝術設計專家、網(wǎng)站開發(fā)人員所推崇。它的應用領域主要包括4個方面:平面圖形可視化，它極大地增進了平面設計產(chǎn)品的視覺效果，其強大的功能開闊了平面設計師的應用視野，網(wǎng)站資源開發(fā):電影特效:游戲設計及開發(fā)。在目前市場上用來進行數(shù)字和三維制作的工具中，Maya是首選解決方案。2三維動畫制作軟件3dsMa是Discreet公司開發(fā)的三維動畫染和制作軟件主要應用于廣告、影視、工業(yè)設計、建筑設計、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域。擁有強大功能的3dsMax被廣泛地應用于電視及娛樂業(yè)中。3.計算機動畫制作流程二維動畫的數(shù)字化制作流程與傳統(tǒng)動畫的制作流程更為相近，因為它們都是平面化的制作方式，都以二維為主

二維動畫前期設計階段分為選題、策劃、文字劇本、文字分鏡、分鏡頭臺本、造型設計、背景繪制。中期制作都是運用計算機實現(xiàn)的，制作中的原畫、動畫、動檢、攝像機鏡頭等環(huán)節(jié)可以選擇多種無紙動畫制作軟件，如TBS、FlashToonBomHarony等，利用手繪板或數(shù)位屏等計算機繪圖工具進行，但應盡量做到軟件的統(tǒng)一使用。后期編輯合成階段是將中期制作環(huán)節(jié)中的動畫內(nèi)容進行配音、編輯、合成。1二維動畫制作流程首先是利用Flash的繪圖工具將設計出的角色、場景等元素以元件的形式完成繪制利用圖層進行角色與背景的合成，利用動畫制作方法實現(xiàn)鏡頭中的動作。3.計算機動畫制作流程三維動畫幾乎完全依賴于計算機制作

所有的角色對象都是由一系列的模型產(chǎn)生的，對象的動作也使用運動學模型自動生成。關鍵頓后可開始補間變形等設計過程，最后由繪制的過程產(chǎn)生最后的動畫作品。2三維動畫制作流程三維動畫的制作通常包括3個步驟構建對象和場景、定義動作及繪制。3.計算機動畫制作流程2三維動畫制作流程①構建對象和場景設計師采用三維圖像的設計方法構建對象和場景，包括模型、定義表面和場景組合。對象的構建可以使用不同形狀的對象元素，如多邊形、球體等。表面可以使用不同的材質(zhì)，如木材、石頭、金屬、玻璃等，也可以設定材質(zhì)的特性，如透明度和反光度等。設計師也可以構建場景，如攝像機的拍攝角度、燈火和背景環(huán)境等。3.計算機動畫制作流程2三維動畫制作流程②定義動作三維動畫中的動作取決于許多不同的因素，包括攝像機的移動、燈火的變化、對象的移動聲音的變化等，幾乎所有相關的因素都會影響整個圖像畫面。一個三維動畫設計師通常會使用補間的方式做許多不同的嘗試。例如，使用不同的元素設計關鍵幀，放置在不同場景的時間點上，再使用計算機自動產(chǎn)生它們之間的幀，以完成一個動畫片段，最后挑選最適合的動畫片段作為最終的動畫作品。在所有的動作中，人和動物的肢體動作是最復雜的。為了真實、準確地表現(xiàn)人和動物的肢體動作，在過去研發(fā)出許多相關的模型和技術，其中動作捕捉(MotionCapture)和運動學(Kinematics)是最主要的兩種技術。3.計算機動畫制作流程2三維動畫制作流程②定義動作動作捕捉是記錄人或動物的真實動作過程，再把這個動作過程投射到計算機產(chǎn)生的動畫角色上。在記錄過程中，表演者在身體上安裝了許多傳感器，計算機會偵測表演者的肢體動作，并用此動作信息來控制和設計動畫角色的動作。使用這個方法可以捕捉到一般技術模擬不出來的復雜肢體動作，從而設計出真實感非常強的擬人或動物的動畫角色。在動作捕捉方面，臉部表情的捕捉尤其困難。3.計算機動畫制作流程2三維動畫制作流程②定義動作運動學主要是研究肢體的系統(tǒng)和肢體的動作。動物是由肢體系統(tǒng)中各個器官部位組成的，如手、腳、膝蓋等。移動一個部位會帶動其他相關部位一起移動。三維動畫設計使用了兩種運動學技術:正向運動學(ForwardKinematics)和反向運動學(IverseKinematics)。正向運動學是指一個動畫對象由一組肢體組件組成，設計師可以控制并調(diào)整每一個肢體組件。例如，設計一個走路的動作，先轉(zhuǎn)動一下關節(jié)，大腿向前移動，移動一下膝蓋，小腿向后移動，最后拱起腳。正向運動學比較容易實踐，但是操作起來比較費時，而且最后作品的質(zhì)量完全取決子設計者的經(jīng)驗。反向運動學是指移動一個肢體部位時，與此部位連動的肢體部位會同時移動。這樣設計師的操作變得比較簡單，而且可以保持動畫角色肢體動作的一致性。3.計算機動畫制作流程2三維動畫制作流程③繪制繪制是產(chǎn)生三維動畫幀的最后一個步驟。繪制依據(jù)動畫制作過程中產(chǎn)生的規(guī)格，如模型、表面定義、場景組合和動作等，產(chǎn)生最后的動畫作品。繪制有事先繪制(Prerendered)和即時繪制(RenderedinRealTime)兩種方式。事先繪制適合用在與用戶沒有什么互動的應用中，如動畫電影。而與用戶有頻繁互動的應用，如游戲，使用哪些動畫片段取決于用戶，就比較適合使用即時繪制的方式了。3.計算機動畫制作流程2三維動畫制作流程③繪制三維動畫的繪制工作通常需要耗費大量的運算和存儲能力，不是一般個人計算機能力所及的。一部動畫電影包括上萬高畫質(zhì)的幀，每一幀圖像的生成需要大量的模型運算來產(chǎn)生各種圖像的細節(jié)，如光線、動作、背景等。例如，皮克斯工作室制作第一部《玩具總動員》時，使用了演染農(nóng)場來進行最后的渲染工作。渲染農(nóng)場包括一個有117臺工作站的運算網(wǎng)絡，每一臺工作站具有至少兩個處理器。3.計算機動畫制作流程2三維動畫制作流程③繪制二維動畫游戲一般使用即時渲染的方式，它也需要使用圖像運算功能強大的計算機或定制型游戲機才能夠正常運行，如PlayStation。這些游戲中動畫的即時渲染通常使用C++程序語言進行編程，并通過應用程序接口(ApplicationProgrammingInterfaces，APIs)，如OpenGL和Direct3D呼叫執(zhí)行即時渲染的工作。04動畫制作實戰(zhàn)一AnimatePARTFOUR1.Animate的操作界面1菜單欄Animate的菜單命令分為11種

即文件、編輯、視圖、插入、修改、文本、命令、控制、調(diào)試、窗口和幫助。1.Animate的操作界面2編輯欄編輯欄位于舞臺頂部

該欄包含編輯場景和編輯元件的常用命令1.Animate的操作界面2編輯欄各個按鈕的功能如下。①編輯元件:單擊該按鈕，彈出當前文檔中的所有元件列表，選中一個元件，即可進入對應元件的編輯窗口。②編輯場景:單擊該按鈕，在彈出的下拉列表中顯示當前文檔中的所有場景名稱，選中一個場景名稱，即可進入對應的場景。③舞臺居中:滾動舞臺聚集到特定舞臺位置后，單擊該按鈕，可以快速定位到舞臺中心。1.Animate的操作界面2編輯欄各個按鈕的功能如下。④旋轉(zhuǎn)工具:單擊該按，在舞臺中心會出現(xiàn)控制標志，可任意變換舞臺的旋轉(zhuǎn)角度。⑤剪切掉舞臺范圍以外的內(nèi)容:將舞臺范圍以外的內(nèi)容裁切掉。⑥舞臺縮放比例:用于設置舞臺縮放的比例。1.Animate的操作界面3舞臺舞臺是用戶進行創(chuàng)作的主要區(qū)域

圖形的創(chuàng)建、編輯、動畫的創(chuàng)作和顯示都在該區(qū)域中進行舞臺是一個矩形區(qū)域，相當于實際表演中的舞臺，任何時間看到的舞臺僅顯示當前幀的內(nèi)容。4時間軸面板時間軸面板是用于進行動畫創(chuàng)作和編輯的主要工具

可分為兩大部分:圖層控制區(qū)和時間軸控制區(qū)。1.Animate的操作界面4時間軸面板圖層控制區(qū)位于時間軸面板左側，用于進行與圖層有關的操作工具

按照順序顯示當前正在編輯的場景中所有圖層的名稱、類型、狀態(tài)等。在時間軸上使用多層層疊技術可將不同內(nèi)容放置在不同的層中，從而創(chuàng)建一種有層次感的動畫效果。時間軸控制區(qū)位于時間軸面板右側，用于控制當前幀、執(zhí)行幀操作、創(chuàng)建動畫、動畫播放的速度，以及設置幀的顯示方式等。舞臺上出現(xiàn)的每幀的內(nèi)容都是該時間點上出現(xiàn)在各層上所有內(nèi)容的反應。1.Animate的操作界面5浮動面板組在Animate工作環(huán)境的右側?？恐S多浮動面板

并且自動對齊。這些面板可以自由地在界面上拖動，也可以將多個面板組合在一起，成為一個選項卡組，以擴充文檔窗口。6繪圖工具箱使用Animate進行動畫創(chuàng)作，首先要繪制各種圖形