三维动画技术浅析

摘要：简单介绍三维计算机动画技术的原理和实现，对里面的关键帧部分的概念进行阐述，并说明计算机三维动画技术的应用前景，同时，结合现代技术的研究，提出计算机三维动画技术领域有待注意的关键技术问题及研究方向。

关键词：三维动画；关键帧；技术方法模型

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 21-0000-01

Analysis of Three-Dimensional Animation

Liu Tianyu,Li Xiang

(Tianjin Normal University,Tianjin 300387,China)

Abstract:A brief three-dimensional computer animation technology,principles and implementation of key frames on the inside part of the concept described,and description of three-dimensional computer animation technology prospects,combined with modern technology,research,proposed three-dimensional computer animation technology to be attention the key technical issues and research directions.

Keywords:3D animation;Key frame;Technical methods model

计算机动画主要研究运动控制技术以及与动画有关的造型、绘制、合成等技术。尽管造型技术在CAD和CAGD中得到了广泛的研究，但计算机动画对传统的实体、曲面造型提出了一些新的要求。一方面，计算机中场景的精度不必像工业设计那样高；另一方面，对造型工具的灵活性及景物运动的可控性提出了更高的要求。这就导致许多针对动画应用而设计的造型技术出现，如隐函数曲面造型技术和Catmullclark离散曲面造型技术等；同时，由于其简单性和兼容性，多边形网格模型在计算机动画系统中得到了广泛的重视。动画技术有很多，我们把现有的动画技术归纳为：关键帧动画、渐变和变形动画、过程动画、关节动画和人体动画、基于物理的动画5个方面。

一、关键帧技术

关键帧的概念源于传统的卡通片。熟练的动画师负责设计卡通片中的关键画面，即所谓的关键帧，然后由助理动画师设计中间帧。关键帧技术是计算机动画中最基本且应用最广泛的方法。关键帧技术主要解决弧长参数化问题、插值过程的运动学问题、物体朝向插值问题。

Guenter等提出用Gauss型数值积分方法计算弧长，用Nenton-Raphason迭代来确定弧长点在曲线上的位置，Watt等人提出了用向前差分加查找表的方法来提高交互的速度，以此来解决弧长参数化问题。

Steketee等用双插值的方法来控制运动参数，Kochanek等提出适合于Keyframe系统的三次插值样条，用张量、连续量和偏移量对样条进行控制，以解决插值过程的运动学问题。

Shoemake提出用单位四元数空间上的Bezier样条插值四元数，Barr等人采用四元数对带有角速度约束的景物的朝向进行光滑插值，Kim通过构造一组新的基，提出把三维欧氏空间曲线变化到单位四元数空间曲线的一般性方法。这几种方法都在一定程度上解决了关键帧中物体朝向插值问题。

关键帧技术通过对运动参数插值实现对动画的运动控制，如物体的置、方向、颜色等的变化，也可以对多个运动参数进行组合插值。这一概念来源于传统动画。在早期的动画制作室，高级动画师设计卡通片中的关键帧，然后由助理动画师设计中间帧。后来这一技术应用到计算机动画制作软件中，最初仅仅用来插值帧与帧之间卡通画的形状，不过随着计算机应用技术的发展而逐渐成为可以用来插值影响运动的任何参数。关键帧插值方法，最关键的问题就是：给定物体运动的轨迹，求物体在某一帧画面中的位置。物体运动的轨迹一般由参数样条来表示。如果直接将参数和帧频联系起来，对参数空间进行等间隔采样，有可能带来运动的不均匀性。为了使物体沿样条匀速运动，必须建立弧长与样条参数的一一对应关系。Guenter等提出用Gauss型数值积分方法计算弧长，Newton-Raphason迭代来确定给定弧长点在曲线上的位置，并采用查找表法记录参数点弧长值的方法来加速计算。在动画设计中，动画师需要经常调整物体运动的轨迹来观察物体运动的效果，其中交互的速度是一个很重要的因素。Watt等人提出了用向前差分加查找表的方法来提高交互的速度。插值过程的运动学控制从原理上讲，关键帧插值问题可归结为参数插值问题，传统的插值方法均可应用到关键帧方法中。但关键帧插值又与纯数学的插值不同，有其特殊性。因为插值动画的最终目的是逼真的运动效果。不符合现实世界科学规则的是不可以存在的。为了更好地解决插值过程中的时间控制问题，Steketee等提出了用双插值的方法来控制运动参数。其中之一为位置样条，它是位置对关键帧的函数；另一为运动样条，它是关键帧对时间的函数。Kochanek等提出了一类适合于keyframe系统的三次插值样条，他们把关键帧处的切矢量分成入矢量和出矢量两部分，并引入三个参数：张量t、连续量c和偏移量b，对样条进行控制。

二、普通帧生成与动画效果添加

计算机动画中的运动包括：角色位置、方向、大小和形状的变化；虚拟摄像机的运动景物表面纹理、色彩的变化等等。为了让这些效果体现在动画中，除了最基本的关键帧动画技术，还需要粒子动画、动力学动画、光效动画及毛发动画等特效。从最初的传统动画开始，在关键帧之间的普通帧就一直是不可或缺的。而在三维动画制作软件中，关键帧与中间帧的概念也是一个相对的概念。在经典三维动画制作软件3DMAX中借助运动控制器可以得到更为复杂的帧动画。

三、结论

近20年来，计算机三维动画技术一直是计算机图形学研究的前沿领域，发展极快。目前，无论在理论上还是在应用上都已取得了很大的成功。但是，由于技术、设备的原因，计算机三维动画离人们的期望还有一定的距离，采用计算机模拟许多自然现象以及人体动作还有一定的困难。在技术上，有几个方面值得我们注意：a.复杂拓扑曲面的造型和动画研究。由于NURBS曲面在表示复杂拓扑物体方面存在着许多困难，近年来，有人提出根据任意拓扑控制网格生成B样条曲面的细分曲面方法，该方法已受到人们的重视；b.运动捕获动画数据的处理。运动捕获的动画数据包括关节运动数据和脸部表情动画数据，怎样把运动捕获数据重用和重置目标值得进一步研究；c.基于物理的动力学动画。基于物理的动力学动画能得到以假乱真的虚拟特技画面，但怎样建立具有普通性的数学模型，怎样减少计算量和怎样有效控制动画过程等还有待进一步探索。

参考文献：

[1]Breen,D.E.A Partial-Based Model for Simulating the DrapingBehavior of Woven Cloth.Doctoral Dissertation.RensselaerPolytechnic Inst.,Apr.1993

[2]Bao,H.J,Peng.Q.S.A Fast Ray Tracing Algorithm Basedon Adaptive Space Suidivision.Science,Vol.4,No.2,1994.

[3]鲍虎军,彭群生.一个有效的多边形裁剪算法[J].自动化学报,Vol.22,No.6,1996

[作者简介]刘甜宇（1991-），女，山东省人，本科，研究方向：计算机应用技术；李响（1985-），男，天津市人，硕士，助理实验师，研究方向：计算机应用技术、网格计算。