牛 青

（贵州职业技术学院，贵阳 550023）

0 引言

从中国第一部三维动画影视作品《魔比斯环》开始，三维动画被逐渐的被应用于广告和电影电视剧的特效制作、广告产品展示、片头飞字等等。另外在不断的被应用于广告制作，如今也在教育行业被广泛的运用。计算机三维动画是利用计算机技术制作生成的立体动态图像。动画和电影的画面刷新率为24帧/s,即每秒放映24幅画面，主要是模仿现实人类或者任何东西的一连续动作，并且随着人们视觉的变化而不断变化，现代三维动画在视觉上可以做到以假乱真的效果。随着我国十二五规划中提倡大力发展动画产业，我国对三维动画技术的创新也是刻不容缓，利用计算机三维动画可以让现实、虚拟的世界更加的丰富多彩。另外一个问题是关于三维动画教学，应该在教学过程中融入计算机图形图像理论，从而使得学生能够更好的接受、学习三维动画制作与设计。

1 三维动画原理概述

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。 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，即一段三维动画是由多个静止的图像所组成。而且计算机三维动画在计算机图形图像理论中的一个重要的分支点，它是一种不同于平面动画的位移动画，利用位移向量改变定点的位置，但保持了原有的物质和拓扑结构，开发计算机三维动画制作程序，使得画中的景物有正面、侧面和反面，调整三维空间的视点，能够看到不同的内容。实现三维动画的语言种类有许多，主要分为线性表标记语言、扩展了动画描述功能的通用语言和图形语言三类。另外一种语言就是利用计算机程序语言来设计动画。

2 三维动画的实现

首先，三维软件的时间概念。通过在三维动画的设计软件里，主要是以“帧”来计算动画播放的时间，一帧就是一副静止的画面，连续的帧就形成动画，而对于帧数，简单地说，就是在1秒钟时间里传输的图片的帧数，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次。对于某一个时间点到另一个时间点的帧，称之为关键帧，至少前后要给出两个不同的关键状态。中间状态的变化和衔接电脑可以通过计算机完成。关键帧在三维动画设计中是基础和普遍运用的技术方法，影响画面图像的的参数，如移动、旋转、变形、变色的参数，都可以成为关键帧的参数。

另外一种设计三维动画的方法就是利用样条驱动动画，它主要是对物体的运动轨迹样条进行交互式的制定，结合制作的素材资源对动画进行设计、构思。不仅是三维动画，基本上所有的动画设计都采用的这两种方法制作。

3 三维动画及与计算机理论的应用

三维动画是从单个的平面或二维动画设计成复杂的几何立体动画，它可以设计任何东西，对动画中角色的外形的物体和人物进行仿真，更重要是它结合了计算机图形学理论，使得动画具有空间感、立体感。利用三维动画制作软件结合动画角色中的不同对象，将它们结合完成后，会集合在一个单个的关键帧节点下，并且可以在某一处关键帧、通道对其进行所需要的适当动画设计。而角色并不是对象的成组集合，角色点知识单一的组节点，而不能代表动画动作的节点。而是把代表动作或其他的节点放入角色组中或通道中，特定的关键帧利用计算机技术来对角色进行模拟，然后随着时间的推移而发生行为或动作的变化。笔者是三维动画制作的教师，就本身多年的教学谈谈关于计算机三维动画制作的经验。

3.1 关键帧动画

三维动画的关键帧技术是在传统的动画制作的基础上发展而来的，从上一帧至下一帧的一段连续的动画，是其间的每一个静止画面的帧所组成。制作相对较为简单，不需要对所有的帧进行逐个的进行绘制，而是选取静止画面中的几帧进行绘制即可。我们通过画面中连续动作变化的转折点，可以修改该帧的内容，表示关键状态的帧，成为关键帧。关键帧的绘制完成后，在对中间帧画面进行绘制，然后将它们结合在一起，就完成了三维动画的制作。最初的计算机动画技术是利用计算机插值关键帧，即通过改变运行参数的插值，如移动、旋转、变形、变色的参数或者组合多个运动参数的插值，从而实现控制动画的运动。现代计算机动画的制作，为了实现各种条件下的插值算法，采用了许多的新型数学计算方法来加快插值计算的速度、减少运动画面的不连续性以及对画面运动的路径节点进行控制。主要有以下三种方法：1）Gauss型数值积分方法。在动画插值中都会遇到弧长参数化问题：为了确定物体在运动轨迹上在某一帧的画面中的位置，一般会采用参数样条来表示物体运动的轨迹。如果只是单一的把参数和帧频直接联系起来，或者对参数空间单一的等间隔采样，那么物体在运动时，可能会出现不均匀的现象。为了使物体沿着样条运动并且均匀，就必须是弧长与样条参数进行一一对应。利用Gauss数值积分方法来计算弧长，使得弧长点能够很好的确定其在曲线上的位置；2）向前查分和查找表的方法。动画设计师在设计中为了观察物体运动是否合格，会经常性的调整运动的轨迹，调整操作时对交互速度的要求较高。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，如果对精确度的要求不高，那么采用这种方法则非常有效；3）双插值方法。关键帧插值的问题，从运动学控制的理论上来说，实际是一种参数插值的问题。运动的效果形象逼真取决于关键帧插值的方法是否合理和能否为用户提供快捷、方便和有效的控制手段。动画中的物体运动的轨迹应该要符合运动学控制和动画设计的原理，否则它给人们的感觉将会不真实，为了能够使得动画运动符合常规，那么必须对运动的特性进行控制，也就是通过对插值的函数进行调整，从而改变物体运动的速度和加速度。利用双插值的方法就是控制位置样条和运动样条，即位置对关键帧的函数和关键帧对时间的函数进行控制。总的来说，对于设置关键帧，主要是利用函数的变化来对插值进行控制。

3.2 变形动画

计算机三维动画技术常常会对动画中的人物、物体进行变形，因此必须提高变形技术。常用的二维动画变形技术是一种基于图像Morph的技术，在动画软件中，Morph称为图像之间插值的变形。而图像本身插值变形则称为Warp。在设计中如果要进行Warp操作，必须先明确图像特征结构的定义，然后根据特征结构对图像变形，这是单一的对单个图像进行变形操作。而对于两幅的图像操作Morph变形，首先必须对各个图像进行Warp操作，根据不同方向得到Morph的图像系列，将其合成来获得Morph的结果。通过点或结构矢量所构成的图像框架的描述结构称之为图象的特征结构。而三维动画进行变形操作，主要分为两大类：1）拓扑结构的变形。三维动画的Morph变形，主要是改变、建立两个三维物体的插值和对应关系，绘制三维Moth的插值转换路径，并且在对三维物体进行Morph处理是，可以融入物体的特征结构特性的描述；2）自由格式变形。这种变形方法主要是添加了Warp3D功能，使得三维物体在变形时，能够自由的进行空间放射的变换，如果要使物体变形，直接改变变形函数的参数即可。

3.3 人体动画

在三维动画中，人体的造型和仿真动作是三维动画最吸引人的地方，同时，而早期的计算机动画对人体外形的控制不是很好，随着动画产业的发展，它逐渐成为计算机图形学中最困难的挑战。主要是每个人的样貌、体型、骨骼、关节特征都不同，那么在动画中仿真设计就必须符合人的特征，而常规的计算机图形学中的计算和几何模型很难表现出人的那种生态和真实性。我国国内的一些电影和游戏只能做出简单的模仿，即利用旋转复制法，这种方法主要是通过感受器对人的实际运动状态进行记录和复制，然后在动画中模拟出真人实体的运动。

3.4 物理特性建模

这种方法主要是在几何模型中融入物体的物理特性，然后对仿真进行数值计算，而且在仿真的过程中，物体的行为会自动确定。物体的物理特性主要是指物体本身物理参量与几何模型及运动、不同物理参量和不同物体的参量之间的关系，它们分别表示了物体的内部结构和对物理特性的影响，物体之间的相互作用是随着物理参量的变化而变化。

3.5 位移动画技术

位移动画技术是动画制作中一种简单实用的方法，必须有两个或两个以上的关键帧，而且是一个成组的图形，它主要主要是进行延长帧和调整色彩的方法，在物体的表面设置一个顶点的位移向量，在保持物体的材质和拓扑结构的前提下，形成动画。而且计算机动画制作也充分利用了粒子、L系统的方法，例如，在许多的电影设计中，利用这种粒子系统来表现自然景物，例如雨水、暴雪、火焰等。

4 结束语

动画产业是我国十二规划中的重点发展产业。国产原创系列电视动画片《喜羊羊与灰太狼》，由广东原创动力文化传播有限公司出品。自2005年6月推出后，陆续在全国近50家电视台热播，这是我国动画产业发展的一个转折点。从《相似》到2008年的《北京欢迎您》，我国三维动画技术和产业也在不断发展。随着计算机动画软件的不断更新，例如FLASH、MAYA等软件已经被列入我国教育动画专业的必修教程，教师在教学时，也应该充分的融入计算机图形图像的理论，使得学生更容易接受三维动画学习，制作、设计的三维动画，更加具有真实性。

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