三维京剧动画的设计与实现——《都有一颗红亮的心》骨骼蒙皮与动画---毕业论文.doc

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1、I 本 科 毕 业 论 文 三维京剧动画的设计与实现 都有一颗红亮的心 骨骼蒙皮与动画 Design and Implementation of Three-dimensional Animation about Beijing Opera 姓 名: 学 号: 学 院:软件学院 系:软件工程 专 业:软件工程 年 级: 2006 级 指导教师: 年 月 II 摘 要 京剧是 我国主要剧种之一 , 是中国的 “国粹” ,已有 两百年的 历史。 京剧也被称为 “皮黄” ,由 “ 西皮 ” 和 “ 二黄 ” 两种基本腔调组成 。 它 是 由清代中叶的徽调、汉调 , 传入北京 后 合流演变合成 的 ,

2、 京剧 盛行于 20 世纪三、四十年代, 在当 时 被称为 国剧。它的气势宏美 、 表 演成熟,是近代中国戏曲的代表。 时至今日, 它仍是具有全国影响 力 的大剧种。 因此,我们选择京剧作为三维戏曲动画的题材。将三维动画与戏曲结合,以增加中国动画的民族文化内涵,更好地传承中国传统戏曲文化。 三维动画能够精确地表现人物的动作与表情,将之与中国京剧相结合,不但能惟妙惟肖地表现人物角色在表演京剧时的面部表情与肢体动作,在表现手法上给人耳目一新的感觉 。 既能较好地保存我国古典艺术,又能使之为儿童与成年人所喜爱,弘扬中国传统文化。 本论文从项目出发,介绍了三维动画的概念以及 其 发展 前景 。其次,详

3、细地介绍了以京剧红灯 记选段 都有一颗红亮的心 ,为表现对象的京剧三维动画的设计及其实现 过程 。再次,本论文具体描述了骨骼蒙皮以及动作、表情动画的制作过程,并指出了制作过程中需要注意的问题以及遇上的困难。最后,针对制作出的京剧动画进行分析和评价,对京剧动画提出进一步的展望。 关键词 : 三维动画 ; 京剧 ; 红灯记;三维京剧动画 III Abstract Beijing opera is one of the most important Chinese operas. It is the quintessence of China. It has had 200 year history

4、. Beijing opera is also called Pihuang. Pihuang is short for Xipi and Erhuang. They are two chief types of music in the traditional Chinese operas. Beijing opera evolved from Anhui opera and Han opera when they came into Beijing during the qing dynasty, and prevailing in the 1940s and 1930s. It is c

5、alled “national opera“ at that time. It is the representative of the modern Chinese operas. Now it is still one of the Chinses operas which have the national influence. So we choosed Beijing opera as the three-dimensional characters in the animation. Combining the three-dimensional animation with th

6、e Chinese opera can not noly increase the national culture in the Chinese animation, but also inherite the Chinese civilization. 3D animation can express the movement and expression of the characters precisely. Combined the 3D animation with Beijing opera, not only can express the facial expression

7、and the somatic movement of the characters well, but also make audiences feel surprise when the show is in the expression. It can also preserve our classical artistic well and arouse enthusiasm in children and ad ults. The most important is it can promote the Chinese traditional culture. Base on the

8、 project, the graduation thesis introduced the concept of three-dimensional animation and the development prospect of it. Second, the graduation thesis described the the Beijing Opera named “have red hearts”. Then introducing how to design the animation and how to animate it. Third, this the graduat

9、ion thesis decriped the working process of meshing skinning and the movement. And pointing out the problems which should be noticed during the process. finally, making the the analysis and the evaluation to this Beijing Opera animation and bringing forward the the prospect of it. Key words: Three-di

10、mensional Animation ; Beijing Opera ;Hong Deng Ji;Three-dimensional Beijing Opera Animation IV 目 录 第一章 三维动画概述 . 1 1.1 动画的基本概念 . 1 1.2 三维动画的制作原理与流程 . 2 1.3 三维动画的历史及发展前景分析 . 5 1.4 三维动画的应用领域 . 6 第二章 三维京剧动画设计 . 7 2.1 京剧动画 . 7 2.2 项目整体设计 . 7 2.3 项 目 实现过程 . 8 2.4 开发工具 . 9 第三章 具体实现 . 12 3.1 骨骼动画 . 12 3.2 骨

11、骼对位 . 23 3.3 骨骼蒙皮 . 34 3.4 项目最终效果 . 43 第四章 论文总结 . 45 参考文献 . 46 致 谢 .47V Content Chart 1 3D animation Introduction . 1 1.1 The basic conception of animation .1 1.2 The making principle and processe of 3d animation .2 1.3 The history and development of 3d animation .5 1.4 The application fields of 3d

12、animation .6 Chart 2 The design of 3d Beijing Opera animation. 7 2.1 Beijing Opera animation .7 2.2 The project integrated design .7 2.3 The project achievement process .8 2.4 The tools .9 Chart 3 The realization . 12 3.1 The skeleton movement animation .12 3.2 The skeleton contrapositio.23 3.3 The

13、skeleton meshing Skin .34 3.4 Project purpose .43 Chart 4 Conclusion . 45 References . 46 Acknowledgements. 47 三维 京剧动画 的设计与实现 1 第一章 三维动画概述 1.1 动画的基本概念 随着电脑技术 以及电脑软件和硬件 的发展,计算机数字媒体技术在各行各业发挥着巨大的作用,尤其是对颠覆一些传统的行业具有极大的影响力。从而人们对动画的理解,由原来的手绘动画逐渐转变为计 算机动画,由原来的二维动画逐渐转变为三维动画。从广义上来说,动画是经由创作者的设计安排,将 一些不活动的 画面 ,

14、经过影片的制作与放映, 变为如同具有生命一般的 影像 。 动画利用的最基本原理是人类的“视觉暂留”的特性 。视觉暂留的特性是指人 类 的眼睛看到 某个 画 面 后,在 1/24 秒内不会消失。利用这一原理,动画把 人 或 物的表情、动作 等 变化分 成 许多 画面 ,再用摄影机连续拍摄成一系列画面 ,并 在 一个画面 还没消失前 , 播放出下一 个 画 面 , 从而让人觉得有连续变化的画面效果,而不会出现停顿现象 。 动画有多种形式,只要作品符合动画的本质便可称之 为“动画”,而不是 用材质或者创作方式区分 其 是否为动画。在科技高速发展的今天,动画已从手绘转变为计算机动画。 计算机动画在当今

15、各领域具有广泛的应用,无论在游戏、计算机辅助教育、影视特技、商业广告等方面,到处都是它的身影。计算机动画的研究始于 20 世纪 60 年代初 12。 而计算机动画又分为二维动画和三维动画。运用 flash 等软件制作成的 一般为 二维动画 。 而三维动画则一般使用 Maya 或 3D MAX 进行 制作。 计算机艺术在 20 世纪 50 年代中期开始萌芽 。 1963 年 , 伊凡萨罗兰德(IvanSutherland)教授在麻省理工学院发表的绘画板论文是计算机艺术的应用起点 2。在这一年, 美国的 AT&T Bell 实验室,制作出了第一部计算机动画片。在 80 年代之前,计算机动画主要集中

16、于研制二维动画, 一般 应用于教学演示和辅助传统的动画片制作。而今,计算机动画则主要集中于研究三维动画。 人们对三维动画的研究始于 70 年代初, 并 开发了一些三维计算机动画系统。 在今天,计算机三维动画基本已渗透到人们生活的每个角落。 计算机动画可以省去原来传统手绘动画中的许多重复步骤。二维动画对三维 京剧动画 的设计与实现 2 传统手绘动画有很大的改进,并且具有许多优越性。首先,只 要动画制作人员认真仔细规划后,给出关键帧之间的插值规则,电脑就能进行中间画 的计算。其次,工作人员用电脑描线上色将会更加方便,并且操作简单、 颜色一致,避免了原来手绘动画时 产生的 颜料的开裂、窜色等问题。再

17、次,从成本上 来 说, 计算机动画 价格便宜 ; 从技术方面说, 计算机动画 省去 了 冗余环节,使制作更为方便且节省时间。但 目前计算机 只是 代替 二维动画 的手绘工作, ,起到辅助的作用而已。 三维动画则与二维动画较为不同,它的制作过程与手绘动画的制作过程有了极大的区别。 制作 三维动画首先要建立角色、背景物体的三维数据,并对其进行贴图蒙皮 ,接着 通过对骨骼的设定 让这些角色做出各种精确模拟人体或者物体的动作,如:接近与远离,旋转与平移等。接着再开发工具内设置虚拟摄影机,调整镜头,增加灯光,最终得到一系列较为精确的画面。三维动画表现物体运动无需再 如 过去手绘动画那般将每一帧的画面画出

18、,而是计算机根据三维数据 在 计算机内部生成的。并且由于在三维动画中,物体具有三维的各方面信息,因此 只要 在 初始时在 软件中对其 进行描述 , 之后 观察者便能够从各个角度对人物或者物体进行观察 ,得到更具有真实性的画面 。但其较之真实的物体又是虚拟的。因此,我们可以说三维动画具有“虚拟真实性”这一特性。 由此可见,计算机三维动画目前已是国内外计算机应用的热点领域之一。随着人们日益加快的生活步伐,三维动画已开始逐步占满人们生活的各个角落,包括军事、教育、娱乐、科研等方面。其作用在今天甚至将来不容小觑。 1.2 三维动画的制作原理与流程 计算机三维动画是一门把图形学、力学、现代数理方法、控制

19、论、优化方法、机器人学、图像处理方法、人工智能方法和面向对象方法等融合到一起的综合性很强的边缘学科 34。 20 世纪 70 年代初期, E.Catmull 开发出 了第一套三维动画系统 4。 计算机三维动画的制作 方法、制作流程等各方面与传统的手绘动画大不相同。三维动画的基本制作流程大致可以分为前期准备、中期制作、后期制三维 京剧动画 的设计与实现 3 作三个阶段。 前期制作可以分为 文学剧本创作、分镜头剧本创作、 美术 设计 。 文学剧本,是 一部动画片 的 制作 基础, 设计人员根据剧本的 要求将 剧本文字 所 表述 出的内容 视觉化 , 即用画面来表现 出来。剧本中描述的内容必须是可以

20、用画面表现的,是可以用分镜头剧本创作出来的,禁止出现抽象的、心理描述等不具有视觉特点的描述。动画片的文学剧本 的文字样式 是 广泛多样的,可以是神话,可以是童话,可以是科学幻想、民间故事、历史传说等 。 分 镜头剧本,是图像与文字并存的。分镜头剧本创作是对文学剧本的再次创作,是把文字视觉化的重要步骤。分镜头剧本的每一个画面代表一个镜头,文字则是用来描述镜头的长度、镜头内人物的台词及动作等,图像与文字一起说明了镜头的构图、光影、运动方式、时间、音乐等。用一种较为形象的比喻是,把一部动画片比喻为一篇文章,图像是文 字和词语,分镜头则是句法和文章的段落组织, 文章的结构和讲述方式都由其决定。因此,分

21、镜头剧本创作在动画片制作中起到举足轻重的作用,是通过视觉讲述故事的基本依据, 充分 体现了电影语言的本质。 美术设计,分为整体风 格设计、角色造型设计、场景设计。整体风格设计确定了整部动画片的美术风格,它通过对主要场景和情节的画面表现,展示了动画片的造型风格、场景处理、色彩基调、动作风格等。角色造型设计,包括人物、动物、器物的外形设计与动作设计,要求较为严格, 包括标准造型、 正视 图、 侧视图、 结构图、比例图、道具服装分解图 等,并设计角色的典型动作,并附以文字来说明。场景设计, 则是 动画片中景物和环境的来源,在一幅场景设计图中需要包括:平面图、结构分解图、色彩气氛图等 , 要求较为严谨

22、。 中期制作是关系到整部影片风格和水平的关键步骤,它可以分为角 色建模、材质贴图、灯光、动画以及渲染这几个过程。 角色建模是做好动画的基础,只有做出好的模型才能做角色的动作。建模时 , 动画 师 根据美术设计中对角色的设计,在计算机中用三维建模软件绘制出所需要的模型。建模是三维动画制作过程中重要而繁重的一项工作,动画中所需要的角色和场景中出现的物体,都需要一一搭建。 三维 京剧动画 的设计与实现 4 材质贴图,是给做好的模型附以生动的表面特性,体现物体的颜色、反光度、粗糙度、透明度等 特征 ,以表现出如石头、水、金属、皮肤等物体的特性 。使动画角色或者物体更加逼真 , 达到所要的效果 。 灯光

23、则是强化场景的效果和戏剧性的重 要手段,用以增加阴影、增添气氛,一般会在场景中设置三个光源: 主灯 、 补灯和背灯。主灯 的亮度最高,是 基本光源, 控制了角色的阴影产生, 通常放在 角色 正面的左边或右面 45度处。补灯 是为了 柔和主灯 所 产生的阴影, 尤其在 面部区域, 一般放置于 靠近摄影机的位置。背 灯 则 是用来 加强主体角色及 凸显 其轮廓 额 ,使主体角色从背景中突显出来,背灯通常放 于 背面的 3/4 处。 在“动画”这个 阶段 中,动画制作人员根据 分镜头剧本 和 动作设计,运用已 建筑好 的 模型 在三维动画制作软件中制作动画片段。 三维动画的动画技术实现有很多种方式,

24、一般分为关键帧动画、路径 动画、关联动画、动作捕捉和动力学。 对于人 或动物 的动作变化, 动画制作人员可以运用 系统提供 的骨骼工具, 将模型蒙皮于骨骼之上,再进行关键帧动画的调节 。 在关键帧动画中,动作的变化 是 通过设定关键帧来实现 。 动画制作人员在动作序列的关键动作处设立关键帧,关键帧之间的过度则由计算机直接生成。在路径动画中,则需要为角色定义运动路径,便可产生限制于该路径上前行的动画。在关联动画中,是将两个物体关联起来,其中一个物体的动画根据另一个物体的动画而运动。动作捕捉是较新的科技产物,该技术是用多个摄影机在不同角度对某个运动物体的动作行为 进行捕捉并记录下来,再将这些动作信

25、息经抽象处理后传送于三维软件中,并附加于角色模型。至于动力学动画 ,它 是用来产生模拟碰撞、风力或重力等自然力的,由动画制作人员自行设定参数。 渲染, 是指 三维动画制作软件中的渲染器 根据场景的设置、物体 已赋予的材质贴图 和 灯光等, 产生某一段视频或者某一帧的画面,即 制作 出完整 的一段动画 视频或者一幅完整的画面 。 渲染器有多种扫描方式,按照渲染出的效果质量排序依次是 线扫描方式 (Line scan)、光线跟踪方式 (Raytracing)以及辐射度渲染方式 (Radiosity)。 后期制作可 以说是对影片的再创作,在这一过程中 ,动画师 将做好的动画面段、声音素材等,按照分镜

26、头的剧本的设计,运用软件进行编辑 、 添加三维 京剧动画 的设计与实现 5 特效等,最终生成动画视频。特效师根据具体故事在三维软件中实际制作出各种特效,例如水、烟、雾、火、光等。音效师则是根据画面需要制作出可以加强画面的音效,即可以使画面视觉更加生动的、交代故事情节、表现动作、烘托气氛的音效。在后期编辑时,后期人员把渲染出的视频与音效、特效等完整合成,并根据客户、导演、监制的意见剪辑,去掉多余的画面,最终制成一部画面连接流畅、节奏鲜明的有理想效果的动画。 1.3 三维 动画的历史及 发展前景 分析 三维动画业是新兴行业,也可称 为 CG( Computer Graphics)行业 。 它是 电

27、脑美术的一个分支,是建立在动画艺术和电脑软硬件技术发展 的 基础上形成的一种相对独立 的 新型艺术形式。 三维动画的发展可大约分为三个阶段。第一阶段是从人们开始对三维动画的研究至 90 年代初 1。 早期 三维动画 主要应用于军事领域。直到 70 年代后期, 伴随着 PC 机的出现,计算机图形学才 开始逐渐 拓展到平面设计、服装设计、建筑装潢等领域。 80 年代,随着 计算机 软硬件的进一步发展,计算机图形处理技术 得到了更进一步的提高 , 电脑美术 开始 作为一个独立 的 学科 ,并且 真正 开始 走上了发展之路。 人们 也 开始将计算机动画技术应用于电影特技,进而取得了显著的成就, 使得

28、这一技术开始为人所关注。 进入 90 年代后 5,三维动画开始有了初步发展。 伴随着一个又一个的三维动画制作软件的开发,三维动画的应用领域也在不断扩张。 直至 2001 年,三维动画的艺术制作业发展较为迅猛,并且有了良好的普及和运用,尤其是在电影制作中 更是 起到了颠覆性的作用。在这一时期,产生了许多使用三维动画技术的经典影片,如侏罗纪公园、勇敢者游戏、泰坦尼克号、玩具总动员等。 其中泰坦尼克号创造了 18 亿美金的全球票房纪录 5。而 玩具总动员这部纯三维动画片 更是 取得了巨大的成功。 到了 2004 年,三维动画的发展已进入全盛时期,有百家争鸣的势头。这是 由于影视中大量的使用三维动画技术 , 以在电影中呈现镜头无法拍摄或者人类无法完成的特技效果,使得 影片 产生 了令人震撼的视觉冲击效果,令观众感到耳目一新,获得了空前成功 。 三维动画 也正在 迅速 地 取代传统动画 ,成为最 为 卖座的动画片种。 在这一阶段的电影, 如 蜘蛛侠、 指环王三

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