愛華網(wǎng)計算機動畫的歷史及發(fā)展前景
——作者：楊青峰
摘要：隨著當今科技的迅猛發(fā)展，社會的巨大進步，計算機的普及程度也越來越高了。當今計算機已經(jīng)應(yīng)用于各種領(lǐng)域，在動畫方面的應(yīng)用也日趨成熟，而且動畫在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用也越來越普及了。本文主要探討計算機動畫在世界的發(fā)展歷史，及其未來的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：計算機 動畫 歷史 發(fā)展前景
Computer animation of the history anddevelopment prospects
——Author:Yang Qingfeng
Abstract : With today's technology has developed rapidlyand the society's tremendous progress, the computer's popularity ishigh. The computer has already applied to various areas inanimation, the application of ripe, and the animation in reality,the application is getting more and more popular. This articlemainly discuss the animation in world history, and its futuredevelopment tendency.
Key words : computeranimation history future
一、引言
隨著計算機使用的普及以及計算機動畫技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對動畫應(yīng)用的要求也日益提高。所謂動畫也就使一幅圖像“活”起來的過程。使用動畫可以清楚的表現(xiàn)出一個事件的過程，或是展現(xiàn)一個活靈活現(xiàn)的畫面。如今電腦動畫的應(yīng)用十分廣泛，讓應(yīng)用程序更加生動，增添多媒體的感官效果；還應(yīng)用于游戲的開發(fā)，電視動畫制作，創(chuàng)作吸引人的廣告，電影特技制作，生產(chǎn)過程及科研的模擬等等。
窗口標題欄上、工具條上、狀態(tài)條上存在的都是一些較小的圖像，我們可通過不同的相對連續(xù)的幾幅靜態(tài)畫面按一定的時間間隔顯示來實現(xiàn)動畫的效果。在VC中有一個CImageList類（CImageList類提供了Windows圖像列表通用控件功能），可以以圖像列表的方式管理圖像，圖像列表中的圖像大小相同，索引以0為開始，每個圖像都可以單獨引用。接著，利用Draw函數(shù)在一定的時間間隔播放出來。MicrosoftWin32的API提供了一系列的函數(shù)，可以利用這些函數(shù)創(chuàng)建、銷毀圖像列表，可以顯示圖像、增加和刪除圖像，替代、合并和拖動圖像。在開發(fā)程序時，程序的界面設(shè)計是一個非常重要的方面。隨著計算機信息表示及實現(xiàn)的多媒體化，在許多學(xué)習(xí)軟件、游戲軟件，以及多媒體課件制作軟件中，經(jīng)常使用各種動畫顯示技巧，這樣使畫面變得更為生動活潑，更能吸引用戶，也為更好地發(fā)揮軟件的功能奠定了基礎(chǔ)。若要進一步用好應(yīng)用程序，您可依據(jù)本文思想結(jié)合鼠標移入、移出時的消息處理函數(shù)使Windows標準按鈕顯示動畫效果。
二、計算機動畫原理
動畫是由許多幅單個畫面組成的，因此，它是在圖形圖像基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。計算機動畫是計算機圖形圖像技術(shù)與傳統(tǒng)動畫藝術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它是在傳統(tǒng)動畫基礎(chǔ)上使用計算機圖形圖像技術(shù)而迅速發(fā)展起來的一門高新技術(shù)。傳統(tǒng)手工動畫在百年歷史中形成了自己特有的藝術(shù)表現(xiàn)風(fēng)格，而計算機圖形圖像技術(shù)的加入不僅發(fā)揚了傳統(tǒng)動畫的特點，縮短了動畫制作周期，且給動畫加入了更加絢麗的視覺效果。動畫有各種不同的定義。如著名動畫藝術(shù)家約翰•漢納斯(JohnHalas)說：“運動是動畫的本質(zhì)?！卑凑瘴覀儾皇謬栏竦亩x，確定“動畫就是運動著和變化著的圖形?！边\動和變化是動畫的靈魂。傳統(tǒng)的動畫，是產(chǎn)生一系列動態(tài)相關(guān)的畫面，每一幅圖畫與前一幅圖畫略有不同，將這一系列單獨的圖畫連續(xù)地拍攝到膠片上，然后以一定的速度放映這個膠片來產(chǎn)生運動的幻覺。根據(jù)人的視覺滯留特性，為了要產(chǎn)生連續(xù)運動的感覺，每秒鐘需播放至少24幅畫面。所以一個1分鐘長的動畫，需要繪制1440張不同的畫面為了表現(xiàn)動畫中人物的一個動作，如抬手，動畫制作人員需根據(jù)故事要求設(shè)計出動畫人物動作前后兩個動作極端的關(guān)鍵畫面。接著，動畫輔助人員在這兩個關(guān)鍵畫面之間添加中間畫面的工作，使畫面逐步過渡到第二關(guān)鍵畫面，以期在放映時人物的動作產(chǎn)生流暢、自然和連續(xù)的效果。
計算機動畫是使用計算機來產(chǎn)生運動圖像的技術(shù)。分為兩類：1、二維動畫系統(tǒng)又叫做計算機輔助動畫制作系統(tǒng)，又稱為關(guān)鍵幀系統(tǒng)。計算機可以自動生成兩幅關(guān)鍵畫面間的中間畫。2、三維動畫系統(tǒng)，屬于計算機造型動畫系統(tǒng)，該系統(tǒng)是用數(shù)學(xué)描述來繪制和控制在三維空間中運動的物體。動畫藝術(shù)家設(shè)計好復(fù)雜的、二維動畫的關(guān)鍵畫面，必需先輸入計算機才能進行下一步的工作。用數(shù)字化儀輸入的圖形可以用來做為生成中間畫的原畫，但在輸入時必須對每一圖形的每一筆畫進行分類和分層，并形成一定的先后次序。因為計算機在進行中間畫計算時,需在類型層次和次序上一一對應(yīng)。數(shù)字化儀輸入的驅(qū)動軟件應(yīng)具有分層的功能，層與層之間應(yīng)有覆蓋和透明的效果。為了使輸入的兩關(guān)鍵幀畫面的筆畫相等、頂點數(shù)相等，以編制一個輸入引導(dǎo)程序，使得在已知前一個關(guān)鍵幀的條件，引導(dǎo)后一個關(guān)鍵幀的輸入，并且可以編制一個程序來檢查筆畫和頂點數(shù)是否對應(yīng)相等。一般情況下，如果兩關(guān)鍵幀畫面之間沒有新線產(chǎn)生或某些線段消失，用計算機生成的畫面能獲得滿意的結(jié)果。
中間畫面的計算方法：插值算法：1、分解。首先將關(guān)鍵幀畫面分解成幾部分，每一部分包含一個關(guān)鍵圖形，這些關(guān)鍵圖形將做為生成操作的處理單元。然后，將每一部分的關(guān)鍵圖形又分解成若干個筆畫，這些筆畫是可見線段的組合序列。2、預(yù)處理。如果兩關(guān)鍵圖形的筆畫(或折線、曲線)數(shù)量不相等，則進行預(yù)處理，其目的是使兩畫面的筆畫數(shù)量相等，所有的對應(yīng)筆畫均需要有相同數(shù)量的點。3、線性插值。要計算兩關(guān)鍵幀圖形之間的中間圖形，需在兩對應(yīng)畫面圖形之間進行插值計算。4、插值法則。在插值計算過程中，有四個不同的法則，它們可使物體在中間的畫面中分別以等速、加速、減速或先加速后減速的方式運動。5、骨架法。線性插值算法計算方法簡單、速度快，但存在一些問題：第一，圖形變換中每個點都是沿著直線運動，而且每個點的運動規(guī)則都相同，生成的動畫顯得生硬、不自然。第二，運動設(shè)計中要求幾個關(guān)鍵幀畫面，這些畫面造成了運動的不連續(xù)。第三，若關(guān)鍵幀畫面之間有旋轉(zhuǎn)、扭曲等分量時，線性插值就會產(chǎn)生失真。骨架法是改善線性插值的一個方法。骨架法是圖形的簡單的骨架，而不是用圖形本身來作為插值的依據(jù)。骨架，或稱為線條圖，是由幾個點組成的圖形或人物形態(tài)的簡單描述，它描述要求的運動形式。使用骨架使得動畫創(chuàng)作人員只需控制一些由骨架生成的關(guān)鍵圖，然后計算機再由這些關(guān)鍵骨架圖生成中間骨架圖。由于骨架圖較簡單，也相似，就能得到較好的中間圖。6、運動路徑與P曲線。線性插值法計算物體形狀的變化，是很方便的，當給出兩幅關(guān)鍵圖形后，它就能生成效果很好的中間圖畫。但是，由于前面談到的線性插值的幾個問題，它不大適合于物體位置改變的運動場合。這個問題可應(yīng)用運動物體所遵循的物理定律來解決。應(yīng)用路徑描述與插值算法相結(jié)合能較方便地解決這個問題。動態(tài)圖可以依靠連續(xù)變動靜態(tài)圖來得到，這些變動又可以由一個參數(shù)的暫態(tài)行為來確定。用P曲線就能很容易地描述一個點位置的暫態(tài)行為。
在屏幕上實現(xiàn)動畫有三種方式：1、位置不動形態(tài)變化。2、形態(tài)不變，位置變化。3、位置和形態(tài)均變化。動畫制作有許多方法，VisualBasic是使用圖片對象數(shù)組，把一系列動作連續(xù)的圖像保存在內(nèi)存中來實現(xiàn)圖像的快速變換。
三、計算機動畫的發(fā)展歷史
計算機動畫的研究始于20世紀60年代初。1963年美國AT&TBell實驗室制作了第一部計算機動畫片。在80年代之前，計算機動畫主要集中于二維動畫系統(tǒng)的研制，應(yīng)用于教學(xué)演示和輔助傳統(tǒng)的動畫片制作。
三維動畫的研究始于70年代初，當時開發(fā)了一些三維計算機動畫系統(tǒng)。直至80年代中后期，由于具有實時處理能力的超級圖形工作站的出現(xiàn)，三維幾何造型技術(shù)和真實感圖形生成技術(shù)取得很大進展，促進了具有高度逼真效果的三維計算機動畫技術(shù)迅速發(fā)展，并達到實用商品化地步。到90年代初，計算機動畫技術(shù)應(yīng)用于電影特技取得了顯著成就。
與此同時，為適應(yīng)科學(xué)研究與復(fù)雜系統(tǒng)中的動態(tài)模擬、視覺模擬、機器人學(xué)和生物力學(xué)等領(lǐng)域的需求，基于物理的造型和動畫的研究的開展，已成為計算機動畫研究中的一個重要課題。人體動畫是近年來發(fā)展起來的計算機動畫新課題。它是研究開發(fā)基于人造角色的集成動畫系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生涉及人造角色在三維場景中具有人的自覺意識的行為動畫，這樣的系統(tǒng)是以多種學(xué)科的知識、技術(shù)和方法為基礎(chǔ)的，如動畫、力學(xué)、機器人學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)和人工智能等。它能實現(xiàn)以下目標：第一，能自動產(chǎn)生計算機生成的人的自然行為；第二，提高運動的復(fù)雜性和真實性，其運動的真實性不僅體現(xiàn)在關(guān)節(jié)運動的真實感，而且要求在動畫過程中，身體、手、面部等部位變形具有真實性；第三，減少運動描述的復(fù)雜性?，F(xiàn)在的Poser就是著名的MetaCreations公司生產(chǎn)的具有特色的人體建模三維動畫制作軟件。
四、計算機動畫的未來發(fā)展趨勢
計算機對現(xiàn)代教育的影響是非常深遠的，特別是在計算機網(wǎng)絡(luò)普及的今天，教育形式也出現(xiàn)了多樣化，其中遠程教育是傳統(tǒng)教育跟計算機技術(shù)及計算機網(wǎng)絡(luò)有機結(jié)合的產(chǎn)物，是未來教育的發(fā)展方向，而多媒體技術(shù)對遠程教育的貢獻應(yīng)該說是最大的。
從國際上看，計算機動畫技術(shù)的發(fā)展正在趨向于規(guī)?；?、標準化、網(wǎng)絡(luò)化。首先，規(guī)?；侵笐?yīng)用范圍廣而應(yīng)用水平和產(chǎn)生的效益高。其次，現(xiàn)在動畫制作軟件和動畫技術(shù)呈現(xiàn)出一種百家爭鳴的形勢，各有特色但相互間的兼容則做得不夠，不便于交流與合作，因此，隨著技術(shù)的日益成熟，標準化是大勢所趨。第三，網(wǎng)絡(luò)化表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電腦動畫技術(shù)間的相互促進。從技術(shù)的發(fā)展方向看，體視動畫會是未來的熱點?，F(xiàn)在一些通過立體眼鏡能夠呈現(xiàn)立體效果的游戲就是體視動畫的應(yīng)用，目前人們正在研究降低立體眼鏡的成本、提高圖像質(zhì)量的方法和有關(guān)的替代技術(shù)，未來我們很可能不用立體眼鏡的幫助也能欣賞逼真的立體效果。另一個熱點會是虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)，與一般的動畫相比，VR的特點在于實時、交互。VR中的場景會隨參觀者的位置、視點變化而實時動態(tài)生成，并具有人機交互的能力，這種技術(shù)在未來將大有可為。
計算機動畫主要研究運動控制技術(shù)以及與動畫有關(guān)的造型、繪制、合成等技術(shù)。盡管造型技術(shù)在CAD和CAGD中得到了廣泛的研究，但計算機動畫對傳統(tǒng)的實體、曲面造型提出了一些新的要求。一方面，計算機動畫中場景造型的精度不必像工業(yè)設(shè)計那樣高；另一方面，對造型工具的靈活性及景物運動的可控性提出了更高的要求。這導(dǎo)致許多針對動畫應(yīng)用而設(shè)計的造型技術(shù)，如隱函數(shù)曲面造型技術(shù)和Catmull-Clark離散曲面造型技術(shù)等。除此之外，由于其簡單性和兼容性，多邊形網(wǎng)格模型在計算機動畫系統(tǒng)中得到了廣泛的重視。繪制本身是真實感圖形的主要研究內(nèi)容，但隨著動畫技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的真實感圖形繪制技術(shù)必須予以改造，使之滿足動畫的需要。動畫技術(shù)有很多，要對它們進行細致的分類是困難的。
計算機動畫發(fā)展到今天，無論在理論上還是在應(yīng)用上都已取得了巨大的成功，但離人們的期望還有一定的距離，采用計算機動畫模擬許多自然界的現(xiàn)象還有困難……
動畫追求的新奇性和創(chuàng)新性推動了這一方向的發(fā)展。物體的造型與動畫通常有密切的聯(lián)系，造型的某些新方法往往同時提供了新的動畫控制方法。由于NURBS曲面在表示復(fù)雜拓撲物體方面存在著許多困難，由Catmull和Clark提出的根據(jù)任意拓撲控制網(wǎng)格生成B樣條曲面的細分曲面方法近幾年來在計算機動畫中越來越受到人們的重視，相關(guān)的論文不少。在1998～2000年的siggraph中，有近10篇與Catmull-Clark細分曲面有關(guān)的論文，其中Pixar公司的DeRose等人把細分曲面引入到角色動畫中，取得了非常好的效果。在動畫軟件maya中，基于Catmull-Clark細分曲面的造型和動畫已經(jīng)成為其重要手段。隱式曲面的造型和動畫研究也令人關(guān)注。運動捕獲技術(shù)在電影《泰坦尼克》中取得了非常大的成功，該片中乘客從船上落入水中的許多驚險鏡頭都是由動畫特技來完成的。實際上，運動捕獲已成為現(xiàn)代高科技電影不可缺少的工具。運動捕獲的動畫數(shù)據(jù)包括關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)和臉部表情動畫數(shù)據(jù)。怎樣把運動捕獲動畫數(shù)據(jù)重用和重置目標值得進一步研究。影視特技要求虛擬的動作畫面能以假亂真，基于物理的動力學(xué)動畫能較好地滿足這一要求。這一方面的研究包括怎樣建立更具普遍性的數(shù)學(xué)模型、怎樣減少計算量和怎樣有效控制動畫過程等。這些都是計算機動畫未來的發(fā)展空間。
五、結(jié)論
由以上可以看出，計算機動畫在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用越來越廣泛了，相信計算機動畫的未來必將十分美好！未來的計算機動畫領(lǐng)域必將以更加迅猛的步伐前進，未來的生活將更加離不開計算機動畫了。
參考文獻：
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