三維電腦動畫技術(shù)概論

肖億立

[摘要]近年來，三維電腦動畫技術(shù)蓬勃發(fā)展，并且在影視、廣告等領(lǐng)域內(nèi)占有的地位越來越重要。在這樣的背景下，概述有關(guān)三維電腦動畫技術(shù)的知識：發(fā)展史、技術(shù)現(xiàn)狀、未來展望，為有志從事三維電腦動畫技術(shù)的人員提供一個概括性的綜述。

[關(guān)鍵詞]三維電腦動畫技術(shù) 物體造型技術(shù) 運動控制技術(shù) 畫面著色技術(shù)

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0720196－01

伴隨著近年來，《玩具總動員》、《馬達(dá)加斯加》、《籬笆墻外》等一系列優(yōu)秀3D動畫電影的盛行，三維動畫技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。那么，計算機三維動畫技術(shù)是什么呢？

它是以計算機圖形學(xué)為基礎(chǔ)的，綜合計算機科學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等各種科學(xué)為一體的新型技術(shù)，它實現(xiàn)了從傳統(tǒng)圖形技術(shù)向?qū)崟r圖形技術(shù)的轉(zhuǎn)變。與二維動畫相對應(yīng)，三維動畫增強了立體感和空間感，不再局限于上下左右的運動效果。在影視廣告制作方面，這項新技術(shù)能夠給人耳目一新的感覺，因此受到了眾多客戶的歡迎。本文首先總結(jié)了三維電腦技術(shù)的發(fā)展史，然后介紹了目前三維電腦的技術(shù)現(xiàn)狀，最后對未來的三維電腦技術(shù)的發(fā)展做出展望。

一、三維電腦動畫技術(shù)的發(fā)展史

1982年，迪斯尼（Disney）推出了第一套電腦動畫的電影：Tron（電腦爭霸），這是全新的動畫電影的開山之作，同時為后來的3D電腦動畫起到很好的開端。

蓬勃發(fā)展的三維動畫技術(shù)是出現(xiàn)最近些年，這要歸功于近些年來計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和相關(guān)三維動畫技術(shù)理論的不斷深入研究。目前來看，可以將三維電腦動畫技術(shù)的發(fā)展史可以分為三個階段[1]：

1995年至2000年是第一階段，此階段是三維動畫的起步以及初步發(fā)展時期。在這一階段，皮克斯/迪斯尼是三維動畫影片市場上的主要玩家。

2001年至2003年為第二階段，此階段是三維動畫的迅猛發(fā)展時期。在這一階段，三維動畫從“一個人的游戲”變成了皮克斯和夢工廠的“兩個人的撕咬”：夢工場的怪物史瑞克，皮克斯的海底總動員是這個階段的典型作品。

從04年開始，三維動畫影片步入其發(fā)展的第三階段：全盛時期。在這一階段，三維動畫將演變成“多個人的游戲”：華納兄弟電影公司的《極地快車》；藍(lán)天工作室的《冰河世紀(jì)1》、《冰河世紀(jì)2》等。

二、三維電腦動畫技術(shù)的現(xiàn)狀

計算機動畫分為二維動畫和三維動畫，三維動畫技術(shù)涉及三個主要技術(shù)[2，3]：

（1）物體造型。包括如何描述和構(gòu)造一個三維物體。（2）運動控制。在一個時問段內(nèi)，物體的位置或形狀發(fā)生改變。不僅所有角色產(chǎn)生運動，而且所有運動必須同步考慮。在物體運動的同時，一個虛擬相機也要改變其位置、方向和焦距。（3）畫面著色。這是一個產(chǎn)生逼真圖像的處理方法，一般除了采取消除隱藏面和光照計算外，還要進行一些諸如明暗、陰影、透明、紋理等效果處理。

（一）物體造型技術(shù)。計算機三維動畫首要的步驟就是對客觀物體進行計算機的三維模型重建，而客觀物體形態(tài)萬千，因此利用計算機進行幾何建模的方法也各不相同。目前廣泛采用的幾何建模包括以下幾種：

1．利用基本原色（如平面多邊形、正方形、圓柱形、球體、曲面片）進行拼接組合來制作幾何模型；2．通過兩個造型之間進行布爾運算（交、并、差等）來產(chǎn)生新的幾何模型；3．通過Sweep造型工具來制作客觀物體模型。首先通過鼠標(biāo)在二維平面上描繪出客觀物體的各種特性曲線，后通過sweep方法將這些曲線變成三維模型；4．利用三維變換產(chǎn)生新造型。將三維模型進行線性或者非線性變換，從而產(chǎn)生新的造型。常用的變換包括旋轉(zhuǎn)、縮放、彎曲、扭曲、傾斜、錐形變形等；5．利用離子模擬幾何造型。通過一系列的粒子來定義物體，每個粒子都有出生，生命期，死亡過程。在粒子的生命期，粒子屬性如色彩、透明度、大小、運動速度、加速度、運動方向等可隨時間變化，從而產(chǎn)生某些自然現(xiàn)象如云、霧、雪、雨、火、瀑布等物體模型；6．三維掃描儀。又稱為數(shù)字化儀，它能夠迅速的獲得物體表面的立體坐標(biāo)和色彩信息，并將其轉(zhuǎn)化為計算機能夠直接處理的三維色彩數(shù)字化模型。

（二）運動控制技術(shù)。根據(jù)動畫的生成方法，一般將三維動畫分為兩類：關(guān)鍵幀動畫和算法動畫。

關(guān)鍵幀動畫是根據(jù)動畫設(shè)計者的一組關(guān)鍵幀，自動生成中間畫。有兩種方法實現(xiàn)關(guān)鍵幀：一種方法是通過對關(guān)鍵幀三維形狀進行插值計算而得到中間各幀；另一種方法是對物體本身模型中的參數(shù)進行插值計算。

算法動畫中的運動是用算法來描述的，其中物理規(guī)律作用于各種參數(shù)。例如：機器人在各關(guān)節(jié)點的角度變化可以由運動學(xué)定律或動力學(xué)定律來控制，運動學(xué)是物理學(xué)中研究物體位置和運動的一個科學(xué)分支，動力學(xué)是物理學(xué)中描述物體怎樣運動的另一個分支。因此，算法動畫還可以分為動力學(xué)算法動畫和運動學(xué)算法動畫。

（三）畫面著色技術(shù)。在三維動畫技術(shù)中，為了模擬出自然界中物體的真實材質(zhì)感，三位電腦動畫畫面著色技術(shù)從三個方面定義模型的色彩特征：色彩、紋理模型及屬性。除定義幾何物體的色彩外，還需定義光的色彩和類型。

1．色彩分析。在計算機圖形學(xué)中，一般從三個方面考慮物體所受的光線：環(huán)境光引起的漫反射；入射光引起的漫反射；入射光引起的鏡面反射。2．紋理貼圖式樣分析。除色彩外，還需要通過各種紋理貼圖來表現(xiàn)出實際物體表面的各種紋理貼圖，主要貼圖式樣有：Texture貼圖、Pacify貼圖、Reflection貼圖、Decal貼圖、Bump貼圖、Procedural貼圖。3．物體屬性分類。為表現(xiàn)物體的各種質(zhì)感，還為物體設(shè)定了各種屬性：透明性、射性、射特性、發(fā)光特性。4．光源設(shè)定分類。光源的設(shè)定主要從以下三個方面考慮：光的模式、光的位置、光的顏色。其中光的模式又可分為點光源、平行光源和聚光燈光源。

三、三維電腦動畫技術(shù)的展望

近20年來，計算機三維動畫技術(shù)一直是計算機圖形學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，發(fā)展極快。目前，無論在理論上還是在應(yīng)用上都已取得了很大的成功。但是，由于技術(shù)、設(shè)備的原因，計算機三維動畫離人們的期望還有一定的距離，采用計算機模擬許多自然現(xiàn)象以及人體動作還有一定的困難。

在這樣的背景下，與三維電腦動畫技術(shù)平行的三維虛擬技術(shù)逐漸出現(xiàn)了融合的趨勢，并且已經(jīng)出現(xiàn)了很多有益的嘗試[4]。三維動畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合是三維圖形圖像技術(shù)發(fā)展歷程上的一次飛躍，它給人們帶來了全新的視覺刺激和享受，實現(xiàn)了過去所無法想象的圖形、圖像表現(xiàn)技術(shù)。隨著研究的深入與硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，我們有理由相信：三維動畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)也必將有著廣泛、密切的互動和交叉應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]http://baike.baidu.com/view/87262.htm.

[2]孫家廣等，計算機圖形學(xué)[M].清華大學(xué)出版社，1998.

[3]楊四亦，計算機動畫運動生成的方法和原理[M].電子出版社，1995.

[4]劉賢梅等，三維動畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)的研究[J].計算機仿真，2004，21（9）：127-129.