1、 1 计算机三维动画技术及其实现 摘 要 动画是由若干静态 图片 快速 顺序 显示而成。生成帧是制作动画的核心 。计算机软件 能根据前一个关键帧和后一个关键帧自动生成期间的帧而不用人 工 制作 ，从而简化了动画设计过程 。 因此计算机动画设计技术逐渐发展起来，现阶段广泛应用于 电影业 、 广告 业 、电视片头、科学计算 、 工业设计、模拟、教育 、 娱乐以及虚拟现实 等多 个领域。 计算机三维动画的制作过程主要包括前期设定、建模、角色设定、材质与纹理、动画、布光与渲染和后期制作等七个过程。常用动画设计软件主要包括但不仅限于 Adobe Flash、 Autodesk 3ds Max、 Auto
2、desk Maya、Autodesk AutoCAD、 Adobe Photoshop、 Adobe Premiere 和 Adobe After Effects等。 本文 探讨 了计算机动画设计技术 的基本概念、原理、软件工具以及实现方法 ，并通过汽车三维动画演示影片的制作具体探讨计算机三维动画 的制作 过程。 也关注了 动画设计与软件工程的联系，特别是动画设计中的软件重用思想。 关键词 ： 三维动画 ； Computer Graphics； 3ds Max； Adobe Premiere 2 Abstract Animation is made of a number of static
3、pictures which shown in rapid sequence. Generation of frames is the core of animation production. Computer software can generate the frames between a pre key frame and a post key frame automatically instead of artificial production, thus simplify the production of animation. Therefore computer anima
4、tion technology developed gradually. In present, computer animation technology is widely used in the film industry, the advertising industry and television titles, scientific computing, industrial design, simulation, education, virtual reality and entertainment, and other fields. 3D Computer animati
5、on production process includes pre-set, modeling, rigging, materials and maps, animation, rendering and post-production. Animation design software mainly includes Adobe Flash, Autodesk 3ds Max, Autodesk Maya, Autodesk AutoCAD, Adobe Photoshop, Adobe Premiere and Adobe After Effects, etc. This paper
6、discusses the basic concept, principle, software tools and methods of computer animation technology. And this paper discusses the production of 3D animation on automobile demonstration to show the specific processes of 3D computer animation production. Also this paper concerns with the similarity be
7、tween computer animation technology and software engineering, especially software reuse in computer animation technology. Keywords: 3D Animation ; Computer Graphics ; 3ds Max ; Adobe Premiere 3 目 录 第一章 引言 . 7 第二章 计算机动画设计技术 . 8 2.1 计算机动画设计理论和应用 . 8 2.1.1 计算机动画设计理论 . 8 2.1.2 计算机动画应用 . 8 2.2 三维动画制作过程 .
8、 9 2.2.1 前期设定 . 9 2.2.2 建模 . 10 2.2.3 角色设定 . 10 2.2.4 材质与纹理 . 11 2.2.5 动画 . 11 2.2.6 布光与渲染 . 11 2.2.7 后期制作 . 12 2.3 常用动画设计软件 . 13 2.3.1 Adobe Flash. 13 2.3.2 Autodesk 3ds Max. 13 2.3.3 Autodesk Maya. 13 2.3.4 Autodesk AutoCAD. 14 2.3.5 Adobe Photoshop. 14 2.3.6 Adobe Premiere. 14 2.3.7 Adobe After E
9、ffects. 14 第三章 汽车三维动画演示影片项目 . 15 3.1 项目总体目标 . 15 3.2 项目计算机环境 . 16 3.2.1 硬件环境 . 16 3.2.2 软件环境 . 16 3.3 项目管理 . 16 4 3.3.1 阶段划分 . 16 3.3.2 任务分工 . 17 3.3.3 具体管理 . 17 3.4 项目技术流程 . 18 3.4.1 前期设定 . 18 3.4.2 建模 . 18 3.4.3 材质与纹理 . 19 3.4.4 动画 . 19 3.4.5 布光与渲染 . 20 3.4.6 后期制作 . 20 3.5 动画设计中的软件重用思想和在本项目中的应用 .
10、20 第四章 建模、动画和后期制作的具体实现 . 23 4.1 建筑物建模和贴图 . 23 4.1.1 建筑物建模 . 23 4.1.2 建筑物材质和贴图 . 25 4.2 汽车运动设定 . 26 4.2.1 设置关键点 . 26 4.2.2 编辑关键点切线 . 27 4.3 后期制作 . 27 第五章 结束语 . 29 致谢语 . 30 参考文献 . 31 5 Contents Chapter 1 Introduction. 7 Chapter 2 Computer Animation Design Technology. 8 2.1 Computer Animation Design Th
11、eory and Application . 8 2.1.1 Computer Animation Design Theory. 8 2.1.2 Computer Animation Application. 8 2.2 3D Animation Production Process . 9 2.2.1 Pre-set. 9 2.2.2 Modeling. 10 2.2.3 Rigging . 10 2.2.4 Materials and Maps. 11 2.2.5 Animation. 11 2.2.6 Lighting and Rendering. 11 2.2.7 Post-produ
12、ction. 12 2.3 Common Animation Design Software . 13 2.3.1 Adobe Flash. 13 2.3.2 Autodesk 3ds Max. 13 2.3.3 Autodesk Maya. 13 2.3.4 Autodesk AutoCAD. 14 2.3.5 Adobe Photoshop. 14 2.3.6 Adobe Premiere. 14 2.3.7 Adobe After Effects. 14 Chapter 3 Project of 3D Animation on Automobile Demonstration. 15 3
13、.1 Project Goals . 15 3.2 Computer Environment . 16 3.2.1 Hardware Environment. 16 3.2.2 Software Environment. 16 3.3 Project Management . 16 6 3.3.1 Stages. 16 3.3.2 Division of Tasks. 17 3.3.3 Management. 17 3.4 Project Process . 18 3.4.1 Pre-set. 18 3.4.2 Modeling. 18 3.4.3 Materials and Maps. 19
14、 3.4.4 Animation. 19 3.4.5 Lighting and Rendering. 20 3.4.6 Post-Production. 20 3.5 Software Reuse in Animation Design and in This Project . 20 Chapter 4 Modeling, Animation and Post-production. 23 4.1 Building Modeling, Materials and Maps . 23 4.1.1 Building Modeling. 23 4.1.2 Building Materials an
15、d Maps. 25 4.2 Setting Up Automobile Movement . 26 4.2.1 Setting Up Key Points. 26 4.2.2 Editing Key Point Tangent. 27 4.3 Post-production . 27 Chapter 5 Conclusion. 29 Acknowledgement. 30 References. 31 第一章 引言 7 第一章 引言 动画是由若干静态 图片 快速 顺序 显示而成。产生动画最基本的元素就是那些静止的图片，即帧，所以怎么生成帧就是制作动画的核心 。计算机软件 能根据前一个关键帧和
16、后一个关键帧自动生成期间的帧而不用人 工 制作， 从而简化了动画设计过程 。 因此计算机动画设计技术逐渐发展起来，现阶段广泛应用于 电影业 、广告 业 、电视片头、科学计算 、 工业设计、模拟、教育 、 娱乐以及虚拟现实 等多个领域。 计算机三维动画的制作过程主要包括前期设定、建模、角色设定、材质与纹理、动画、布光与渲染和后期制作等七个过程。常用动画设计软件主要包括但不仅限 于 Adobe Flash、 Autodesk 3ds Max、 Autodesk Maya、 Autodesk AutoCAD、Adobe Photoshop、 Adobe Premiere 和 Adobe After
17、Effects 等。 本项目为汽车三维动画演示影片，目标是 制作一部 以汽车为主要内容的三维动画 演示 影片 ， 以 演示、 广告应用为背景 ， 主要表现该 汽 车在公路上行驶的各种场景，展示该车的外观、性能和特质 。 笔者根据软件工程中的原型实现模型思想，把项目的阶段分为三段，第一阶段的里程碑为演示技术可行性的原始版本，第二阶段 的里程碑为基本达到设计要求的基本版本，第三阶段的里程碑为优化制作后的增强版本。这样的阶段划分减小了技术风险，增强了可行性和后期调整的灵活性。 整个项目分为前期设定、建模、材质与纹理、动画、布光与渲染、后期制作这六个技术流程，包括汽车建模和贴图、环境建模和贴图、建筑物
18、建模和贴图、汽车运动轨迹设定、摄像机设定、布光、渲染、后期制作等主要任务。 同时我们也重视动画设计中的软件重用思想在本项目中的应用，不仅大大节省了项目时间，也使模型更加规范、标准和风格统一。 本 文将介绍计算机动画设计技术，并通过汽车三维动画演示影 片的制作具体探讨计算机三维动画设计过程。 计算机三维动画技术及其实现 8 第二章 计算机 动画设计技术 2.1 计算机 动画设计理论 和 应用 2.1.1 计算机 动画设计理论 动画是由若干静态 图片 快速 顺序 显示而成。因人的眼睛 有 视 觉 暂留现象 ， 物体被移动后其形象在人眼视网膜上还可有约 1 秒的停留， 当人眼 对上一个 图片 的感知
19、还 未 消失，下一张 图片 又出现 时 ，就会有 画面 动 起来 的感觉。那些静 态 的图片叫 做 帧；播放速度越快，动画越流畅。电影胶片的播放速度 是 24 帧 /秒。 因此， 产生动画最基本的元素就是那些静止的图片，即帧，所以怎么生成帧就是制作动画的核心， 无论 做 2D 动画还是 3D 动画 都 是这个道理 。 动画制作软件中 时间轨上 的 每个小格 就代表 一个帧，按理说，每一帧都需要 人工 制作 ，但 计算机软件 能根据前一个关键帧和后一个关键帧自动生成期间的帧而不用人 工 制作，这就是 用计算机软件 制作动画的原理。 2.1.2 计算机 动画应用 计算机动画在现阶段主要应用于以下几
20、个领域：电影业 、 广告 业 、电视片头、科学计算 、 工业设计、模拟、教育 、 娱乐以及虚拟现实。 在 电影业 中，计算机动画已成为一种有力的工具。 虽然电影中仍在采用人工制作的模型或传统动画实现特技效果，但是计算机技术正在逐渐替代它们。开始的 时候，计算机生成动画需要耗费大量时间建立模型，但是一旦生成 模型 以后就为变形、修改、运动提供了方便。 计算机生成的动画 具有其他技术不可替代的特技效果， 特别适用于科幻片的制作。 在电视 领域 ，使用计算机动画技术最多的是电视广告。计算机动画能 制作 出精美神奇的视觉效果，给电视广告增添 一种奇妙 的 、超越现实的夸张浪漫色彩，让受众留下深刻印象
21、， 自然地接受 广告 的推销意图。 此外计算机动画在电视片头制作中也有广泛的应用。 在 科学计算 领域 ， 计算机动画技术 可将科学计算过程以及计算结果转换为几何图形 或 图像信息并在屏幕上显示出来，以便于 观察分析 、 模拟分析 和交互处理 ，第二章 计算机动画设计技术 9 这 叫 做 “ 科学计算可视化 ” 。 在 工业设计 领域 ， 计算机动画为设计人员提供了 极大的便利 ，可以将产品的风格 、功能 特性 、力学分析、性能实验以及最终产品在屏幕上显示出来，并可从不同的视角观察它 ， 还可以 到内部观察物体的内部结构和细节。 在 模拟、教育和娱乐 领域 ， 计算机动画有着广阔的应用前景。
22、飞行员训练中，少不了依赖计算机 三维 动画的 飞行模拟器 。 有些基本概念、原理和方法需要给学生以感性上的认识，在实际教学中有可能无法用实物来演示 ， 使用计算机动画 可以淋漓尽致地 演 示出来。 基于 PC 的三维游戏正在不断 增加 ， 其 制作也离不开 计算机 三维 动画技术。 在 虚拟现实 领域， 计算机动画技术模拟产生的一个三维空间的虚拟环境系统。借 助于 系统提供的视觉、听觉甚至触觉的设备， 可以 身临其境地置身于这个虚拟环境中随心所欲地活动，就像在真实世界中一样。 3D web 技术把三维世界带入了因特网，网上用户可以使用浏览器观察 3D web 场景。 2.2 三维 动画 制作
23、过程 2.2.1 前期设定 前期设定是动画制作流程中最重要的阶段之一，正如软件设计中的设计阶段。即使在技术发达的今天， 三维 动画项目也往往从铅笔和纸开始。故事版、概念草图和角色设计是 每一个成功的 三维 动画项目的根本。 动画的目标是通过视觉来叙述一个故事。用传统的电影制作视角可以增加设计者的灵感。色彩、灯光、摄像机角度与合成都是传达情绪 很重要的元素。一个好的作品，应该把这些元素结合到镜头中，让每个镜头都讲述自己的故事。 在前期设定中，不能不提到预可视化技术（ previsualize）。 著名导演 卢卡斯和他的 CG（计算机图形）艺术家小组 在 星球大战 ： 前 传 I 的制作过程 中
24、率先采用了预可视化技术 ，即在故事板完成后就立即用计算机对影片中的场景进行预可视化。 由此得到的动画使卢卡斯可以利用简单的几何体、 动画和灯光来建立并试验故事板中艺术家所构思的镜头。 这也提供了良好的渠道来与视效艺术家们进行沟通。这些艺术家们不仅得到了绘制完整的故事板，同时也准确地了解到场景中对象和摄像机的运动方式。从那以后，预可视化技术就作为设计带特效复杂计算机三维动画技术及其实现 10 镜头的方法而在电影业中受到欢迎。 在商业 广告 领域，预可视化技术也 方便了客户和广告商的沟通， 提升了广告影片的质量、效果和制作速度。 可以说，预可视化技术类似于软件工程开发 方法中 的原型 实现模型，通
25、过原型的创建，弄清需求、探索可行性 、调整设计 、方便开发者和客户的沟通。 2.2.2 建模 在开 始创建三维动画之前，需要先制作用于动画的对象 。建模就是建造场景中的角色、道具和环境的过程。这些对象由 3D 几何曲面构造而成，因此可以旋转并且可以从任意角度观察 。视角自由是 3D 动画影片相比于真实影片的最大优点 。相比传统的 2D 技术，在动画中使用 3D 技术的最大优点是： 3D 对象 例如一个角色只需要建造一次，而 2D 制作的角色则要根据动画的每一 帧 来重新制作。 按照工作流程，在开始建模之前 建模 师最需要知道的是，在动画中模型会被看到多少以及摄像机接近模型的程度。在前期 设定过
26、程 中 ，设计师应该判断将如何在项目中使用模型。例如，远看 仅会从某人口袋中露出来的一支钢 笔模型，却花费了几天的时间来制作细节，这样相当浪费时间。如果 在前期设定中先计划好，就可以避免在不重要的细节上浪费时间，从而可以集中制作重要的部分。 当确定了 用于一个模型的场景类型和摄像机镜头，就需要接着考虑之后的模型变化。在角色模型的情况中，需要建模角色的 几何形状并且能够在动画中适当地变形或者弯曲。在一般情况下， 几何体应该在为纹理贴图布置好纹理坐标（称为 UV 坐标）之前完成。模型的复杂程度也直接影响渲染时间。 2.2.3 角色设定 角色设定，或者称为装配（ rigging），是准 备角色以用于动画制作的步骤。通常， 可以从制作符合模型比例和特征的骨架开始。例如，一个角色的膝关节应该放置在膝盖处，髋关节应该放置在臀部等。 接下来创建控制对象并连接到骨架。这些控制器让动画师像操纵木偶一样可以直观地移动骨架并摆出各种姿势。正确装配好的骨架可以交付给一个可能不精通技术的动画师，而他应该仍然可以操纵骨架并使得动画过程进展得更快。 最终，可以对角色蒙皮或者将骨架连接到角色模型上。这样，几何体可以跟
