多媒体计算机技术：高效动画制作与播放

动画很早以前就出现了，它以生动活泼和富有想象力的表现形式为人们所喜闻乐见，比如“孙悟空大闹天宫”、“米老鼠和唐老鸭”等经典作品，更是家喻户晓。但传统动画是人工绘制的，效率较低，成本也较高。因而发展缓慢。后来，随着计算机硬软件技术的进步以及计算机技术对这一领域的渗透，给传统的动画注入了新的活力，从而形成了一门独立的技术——计算机动画技术。如今计算机动画技术已相当成熟，而且仍在不断发展。计算机多媒体技术作为一种新的系统集成手段，已将计算机动画技术和其它技术如图像技术、音乐技术、视频技术等一起集成到计算机中，由计算机对它们进行综合处理。因此可以说计算机动画既是一门独立的成熟的技术，又是计算机多媒体技术不可缺少的组成部分。

§7.3.1 计算机动画技术的发展与应用

1.发展

动画很受人们欢迎，它可充分发挥人的想象力和创造力，把人的视觉引向一些超越客观存在的境界，并从中得到享受，这是动画区别于视频的主要方面。但传统动画的制作过程相当复杂，一般是从设计规划开始，设计具体场景设计关键帧，然后是关键帧之间的中间画制作，复制到色片上，涂色、检查和编辑等等。所耗的人力、物力、财力以及时间都是巨大的，因此，在计算机技术发展起来后，人们开始尝试用计算机进行动画创作。

早在1963年到1967年期间，美国的Bell实验室和一些公司、研究机构和大学就有人着手用计算机制作动画片，这些早期的动画系统基本上是二维辅助动画系统，利用计算机实现中间画面制作和自动上色。从70年代起开始研制三维辅助动画系统，采用的运动控制方式一般是关键参数插值法和运动学算法，但由于当时的硬件和软件的水平限制，仍处在开发研制阶段，还没达到实用化的阶段。从80年代后期起，计算机的硬件已取得了显著的发展，特别是出现了一些图形方面的专用芯片，如几何发生器等；软件方面也取得了很大的进步，出现了许多新的技术和算法，从而使计算机动画技术日趋成熟。现在，计算机动画已发展成一个多种学科和技术的综合领域，它以计算机图形学，特别是实体造型和真实感显示技术（消隐、光照模型、表面质感等）为基础，涉及到图像处理技术、运动控制原理、视频技术、艺术甚至于视觉心理学、生物学、机器人学、人工智能等领域，它以其自身的特点而逐渐形成一门独立的学科。计算机动画研究的问题属于四维空间，而计算机图形学则属于三维空间，计算机动画技术的研究反过来也大大促进了计算机图形学的发展。

计算机动画通常是利用专用动画制作软件（如Autodes公司的Animator3DS工具软件）或多媒体著作工具中的动画模块进行制作的。

三维计算机动画的创作环境分为工作站和微机两种，分别以SGI工作站和PC系列微机为代表。美国SGI公司成功地将图形处理技术和RISC技术相结合，研究出了一系列具有高速几何处理功能的高性能图形工作站。由于SGI平台的日新月异，围绕其平台的三维计算机动画创作软件也层出不穷，软件的不断创新又促进了硬件的继续改善，SGI上的主要动画软件有Wavefront、Alias、Softimages等，微型机上的动画软件主要是Autodesk公司的3DStudio。

尽管计算机动画技术越来越先进，但就目前的状况来看，计算机动画还仅仅是辅助动画，是一个训练有素的动画师利用计算机作为辅助工具，使一系列的图像帧连续动态化起来形成的。动画师不能被计算机所替代，这正如作家不能被文字处理器替代一样。所以，计算机动画制作是高智力、高技术的创造性劳动。要在计算机上实现动画，它涉及到计算机软、硬件的各个方面，编程相当复杂，非一般技术人员所能胜任，同时动画的本身是一种艺术实践，动画的编剧，以及造型、格调、色彩等的设计也需要有高素质的专业人才。灵巧生动的动画技巧和美妙的创意是产生优秀动画的必备条件，宽广深厚的科学基础乃是不可缺少的根基。

2.计算机动画的应用

目前计算机动画技术大量应用于影视创作、广告制作、辅助教学及模拟仿真等领域，例如电影《终结者》和《侏罗纪公园》中的某些镜头就是利用计算机动画拍摄而成的，以其扑朔迷离的梦幻效果，在人们面前展示了一个超现实而又非常逼真的景象，引人入胜。

比起传统动画，计算机动画的应用更加广泛、更具有特色，下面可列出一些典型的应用领域。

（1）用于电影电视动画片制作

可免去大量模型、布景、道具制作，节省大量的色片和动画师的手工劳动，提高效率，缩短周期，降低成本，这是技术上的一场革命。

（2）用于商品电视广告片制作

便于产生夸张、嬉戏和各种特技镜头，可取得特殊的效果和艺术感染力。

（3）用于辅助教学演示

在教学中，往往需要利用动画来模拟事物的变化过程，说明科学原理，尤其是二维动画，在教学中应用较多。在许多领域中利用计算机动画来表现事物甚至比电影的效果更好。因此，较完善的多媒体教学软件都配有动画以加强教学效果。

教学动画可免去教师制作大量的教学模型、挂图，便于采用启发式教学方式，教师可根据需要选择和切换画面，使得教学过程更加直观生动，有趣味性。

（4）用于飞行员的模拟训练

可以再现飞行过程中看到的山、水、云、雾等自然景象。飞行员每个操作杆动作，便显示出相应的情景，并在仪表板上动态显示数宇，以便对飞行员进行全面训练，节约大量培训费用。

（5）用于指挥调度演示

根据指挥员调度员的不同判断和决策，显示不同的结果状态图，可以迅速准确地调整格局，不断吸取经验改进方法，提高指挥调度能力。

（6）用于工业过程的实时监控仿真

在生产过程监控中，模拟各种系统的运动状态，出现临界或危险苗头随时显示。模拟过程中的刀具轨迹，减少试制件。通过状态和数据的实时显示结果，便于及时进行工人或自动反馈控制。

（7）用于模拟产品的检验或实验

可免去实物或模型试验，如汽车的碰撞检验，船舱内货物的装载试验等，节省产品和模型的研制费用，避免一些危险性试验。

（8）用于医疗诊断

可配合超声波、X光片检测、CT照相等，显示人体内脏的横切面，模拟各种器官的运动状态和生理过程，建立三维成像结果，为疾病的诊断治疗提供有效的辅助手段。

（9）用于开发游戏机的游戏软件

大量生动有趣的游戏软件，都是采用各种动画技巧开发投入市场的。

随着计算机硬软件的飞速发展，计算机动画也将继续进步。CPU速度的提高、各种图形专用硬件的推陈出新、高效的新算法的出现及人工智能的应用，都将促使计算机动画向更深度，更高级方面发展。在广度上，可视化技术和虚拟现实在计算机动画中也会得到更广泛和深入的应用。

§7.3.2 计算机动画制作的原理与过程

1.计算机动画制作原理

传统的影视动画制作方法采用逐张填色，逐张挂图拍摄，工序繁琐、复杂。而多媒体著作工具中的计算机动画制作在结合传统动画制作工艺的基础上，采用计算机图形学的科技成果，改变动画制作的传统观念，使用动画制作更加逼真、生动。

根据运动控制方式，计算机动画分为关键帧动画和算法动画。

关键帧动画：是通过一组关键帧和关键参数而得到中间的动画帧，分别称为关键位插值和开头插值。

算法动画：是采用算法实现运动物体的运动控制或模拟摄像面的运动控制。采用的算法有运动学算法、动力算法、反向运动学算法、反向动力学算法和随机运动学算法等，运动算法是指依据物理或化学等自然规律对运动控制。

由于动画“动”的方式大致分为移动（path）和原地改变形状（cycle）两种，因此计算机动画的制作，只需设定任意多个关键点的特性（如物体颜色、质感、位置、角度镜头与焦距）和中间间隔时间，计算机可以自动运算完成具有各种特性的变化过程，填补每个（由关键点帧，生成连续活动的动画。

动画帧数的数量极大，制作工作量也很大，但计算机动画制作可将动画分成很多局部和片段。通常一个局部和片段可经整体改变大小后反复使用多次，减少动画的制作量，同一物体的放大、缩小、不同运动轨迹，只需画一张图或制作一个片段即可。前后层之间的叠加可产生几十种效果，这样光、色叠加中不再需要画叠加部分，只需定义不同的叠加效果即可。

许多较完善的多媒体著作系统都配有动画制作功能模块。这些动画制作功能模块不仅提供二维（平面）动画创作功能，而且也可以提供三维（立体）真实感的动画能力。

一般三维动画工具通常还提供有多种造型工具，如正方体、圆球、圆锥体、正多边体、平板、无限广阔的地面以及一些特殊的数学模型（如一些无限起伏的山峦、悬崖与海岸，各种标准数学曲面等），此外还有轴对称、平面扩充、自由形状物体等数学模型。物体的形状、大小、比例、角度、位置都可以任意设定。而且能为三维物体的体表质感提供多种效果，如金属、玻璃、木质、大理石、镜面、石头、塑料等，多达数百种质感，并可交互调整质感的颜色、各种颜色的分布规律，例如比率、反光度、透明度、亮度、凸度和表现光洁度的高光效应等。通过现在图片资料的输入，借助计算机图形学中的图像映射（mapping）技术，以图片包裹物体、形成表面质感效果，并且可以反复调整包裹方式、图片大小、图片比例、反光度、透明度、亮度等等。还可以设定无限多的光源，可以为点光源，也可以为定向光源，而且可以自由调整光的颜色、焦距和照射度。从而形成生动逼真的动画。

2.动画的制作过程

计算机动画的制作完全不同于传统的动画制作，特别是三维动画，是一个在计算机中生成数字图形，设置它的运动，并用真实感的各种处理方法来生成逼真图像，并转换成视频信号的过程。

计算机动画的制作过程通常由以下几个阶段组成：

（1）输入素材；

（2）造型；

（3）调整材质和贴图；

（4）设置动画、相机和灯光；

（5）着色生成图像文件；

（6）输出结果。

3.有关动画制作的几个基本问题

（1）动画的常用文件格式

计算机动画文件的格式很少，其中常用的扩展文件名有.FLI、.FLC、.AVI等。

①FLI格式是Autodesk公司开发的属于较低分辨率的文件格式。.FLI格式具有固定的画面尺寸（320×200）及256色的颜色分辨率。由于画面尺寸约为全屏幕的1/4，可以320×200的尺寸播放或以640×400的尺寸播放，若使用后者即全屏幕（640×400）的方式播放，则每一个像素点放大为四个像素点，因此，放大画面时，画面分辨率就降低了。

②FLC格式也是Autodesk公司开发的属于较高分辨率的文件格式。.FLC格式是针对FLI格式的固定尺寸与颜色分辨率加以改进的，成为一种可使用各种画面尺寸及颜色分辨率的动画格式，.FLC格式可以使用小于.FLI格式的画面，也可使用大于.FLI格式的画面，在颜色分辨率上亦同。因此，.FLC格式可适应各种动画的需要，改变为适宜的长宽比或画面大小，亦可适应颜色的多少，适当减低颜色分辨率，以降低动画文件的长度。

无论.FLI或.FLC的格式动画都很难做到影音同步的效果，因此，若需要使用声音来辅助说明时，就需要使用其它的文件格式。

③严格说来，.AVI格式并不是一种动画格式，而是一种视频格式，与前者不同的是，它不但包含画面信息，也包含声音效果。因为包含声音的同步问题，因此，这种格式多以时间为播放单位，在播放时，不能控制其播放速度。

（2）动画文件的压缩

一个动画文件的制作与储存是相当耗费存储空间的，例如1分钟的，FLI动画，若以每秒15帧来播放，就须占57.6MB的存储空间。这就需要通过文件压缩来减少文件的存储空间。通常在多媒体应用软件制作中，动画文件都使用较简单的压缩方法。下面是FLI和FLC格式所使用的压缩方法：

①行列间的信号压缩

因为动画的画面比较简单，常会有些同色的区域，因此可利用Run-Length（简称RL）压缩法，将一组重复色彩的像素点用二个数值表示，一个代表该组像素点的色彩值，另一个为该色彩值的出现次数。用RL的压缩法，在单纯的背景下，可得到较好的压缩效果。

②画面间的信号压缩

当画面与画面间的差异不是很大时，如果只记录画面间的差异信号，可省下不少的存储空间。对于同一背景的动画而言，这种方法可产生相当高的压缩比。

§7.3.3 动画文件的播放

1.单一动画的播放

单一动画的播放是指将一个动画文件从第一帧播放到最后一帧，这是最简单的动画播放方式，只能表现出一段连续发生的事件，并且基于文件长度的考虑，所能表现的内容亦不会太长。在播放时，可以同时调整播放速度，使用暂停、慢动作或单帧显示等播放技术，以便能对连续事件进行片段观察。例如，在单个撞球游戏中，一个球A撞向另一个球B，若使用一个动画来分析球A撞击球B的情形时，可使用慢动作来观察球A的撞击方向与球B的滚动方向。因此，透过对动作的减慢，可仔细地观察细节，而快速的播放，则可再现真实的情形。通过动画播放的调节，就可达到更好的效果。

2.多动画的播放

当需要表现较长的情节时，往往要将许多个动画文件连接起来播放。一般方法是将各种动画文件按剧本方式，一个接一个连接起来播放。对于这种播放方式，在制作时必须注意以下三种问题；

（1）各个动画的画面尺寸必须一致，否则会使动画在切换时，产生跳动的情形。

（2）要控制好每个动画文件播放速度。由于后续动画是要到需播放时，才能将其读入。若前面播放动画的播放速度太快，将使动画切换时产生停帧的现象（等待硬盘读取数据）。

（3）前后动画衔接画面必须一致，即上一个动画文件的最后一帧必须与下一个动画文件的第一帧相一致。

如果存储空间足够，可先行将所有动画读入内存中，再逐一加以播放。这样，可较快地播放连续动画。这种方法也需使用相同的动画尺寸与考虑前后画面的衔接问题。(www.xing528.com)

3.循环播放

当所要显示的动画内容是一种不断循环的画面时，可以直接制作一个一次循环的动画来表现不断循环的效果。也可制作一个小型动画文件，采用多次播放方式来说明循环效果。前者的效果更加逼真，若适当调节播放速度，可产生加速循环与减速循环的效果。对于这种播放形式，必须注意动作循环的连续性，即在制作动画时，必须注意把后续动画的第一帧画面与前面动画的最后一帧画面平滑连接，才不致产生不连续动作的感觉。

4.双动画同步播放

这是指同时以相同的播放速度播放两个动画文件，产生同步动画的效果。这种同步效果，可表现局部放大、相互关系等多种内容。例如，一个为零件的动画，另一个播放重要零件的动作，即可产生局部放大动作的效果。又如，两个不同的部位互相关联的零件动作，即可使用两部动画来描述这两个零件的关系，若将前后轮放置于同一动画中，则一方面动作太小不易观察，另一方面中间部分是不需要的信息，会干扰观察。因此，使用双动画同步效果将可以达到相当好的效果。需注意的是由于PC机的速度问题，当动画播放速度太快时，会造成无法同步情形。

§7.3.4 常用动画制作软件及应用实例

1.常用动画制作软件

（1）二维动画制作软件Animator Pro

Animator Pro是美国Autodesk公司推出的能够在个人计算机上创作动态高分辨率图像的二维图像制作软件及动画软件包。利用创作屏幕及其上部的菜单条，可以在屏幕上进行单个图像绘画制作，系统设定以。GIF格式存储图像。通过创作多个单独的画面，然后把它们组合成动画文件，系统以FLC文件格式存储动画数据文件，该动画文件可以存储大约4000个画面。

（2）三维动画制作软件3DStudio

Autodesk 3D Studio是美国Autodesk公司推出的，能在个人计算机上创造出超级动画的制作软件，具有建立高分辨率3D模型、着色投影、材质编辑、动画处理、生成和后期的剪辑等强大功能。

3D Studio由五大模块组成，即二维造型模块、三维放大模块、三维编辑模块、材质编辑模块、关键帧编辑模块。

2.三维动画制作软件3DStudio简介

3D Studio（简称3DS）是在PC机系列上的三维动画制作软件，它具有强大的三维造型功能，可以用多种方式建立模型和物体。还可以和Auto CAD进行数据交换，从而把AutoCAD的精度和3DStudio的速度和质感结合起来。它还提供了一个材质编辑模块，可创造想象的任何材质和特殊效果，使物体表面达到完美的质感。3D Studio提供了四种着色方式，能用来生成高分辨率真彩的图像，以多种图像文件格式存盘。它提供了完整的关键帧动画控制，可以精确地对物体、光源和摄影机进行多种改变，还能够把它们联系在一起，创造出多层次的运动效果，借助于3D Studio，可以制作出各种用途的高质量的三维动画，具有很高的效率和实用性。

（1）3D Studio的基本结构及流程

3DS由五大模块组成：

①2D Shaper——二维造型模块

②3D Lofter——三维放样模块

③3D Editor——三维编辑模块

④Keyframer——关键帧编辑模块

⑤Material Editor——材质编辑模块

（2）3D Studio各模块的基本功能

①2D Shper——二维造型模块

图7-6 二维造型模块的功能流程图

2D Shper模块的主要功能是用来创作和编辑二维的线条图形，也称为仿样线多边形。一旦制作出这样的仿样线多边形，便可将其中的一个或多个赋值为Shape（图形）。然后，这些被赋值的Shape可以传入3D Lofter模块中放样面三维网格物体，也就是被沿着一个三维空间的路径伸展成三维网格物体，制作的三维网格物体被自动传入3D Editor的放样路径，还可以在3D Editor模块中输入一个或多个这些被赋值的Shape，3DS会自动把它们转变成平面二维网格物体来用作景物或背景。如图7-6所示。

②3D Lofter——三维放样模块

所谓三维放样，就是为二维的几何图形在某个路径上增加一个厚度，使其变成三维物体。这条用来放样的路径不仅仅限于直线，而且可以是任意形状在三维空间中的曲线，这样可制作种类多变的曲面体。

3D Lofter模块的功能是从2D Shaper模块中输入一个或多个二维图形，然后将输入的二维图形放置在一个三维空间的路径上，这些图形和路径实际上都是由顶点和片段组成的仿样线、图形和路径共同构成一个更复杂的元素，称为模型。最后将这些图形沿该路径放置，该模块会自动创作出中间过渡的几何形状，从而产生一个光滑的三维物体。3D Lofter模块还提供了单独的变形工具用来制作简易的特殊效果。在该模块中制作的三维物体被自动地装入3D Editor模块中，成为三维景物的一部分。

③3D Editor——三维编辑模块

3D Editor模块是启动3DS后出现的第一个模块，它是制作物体和景物的中心模块，其主要功能如下：

·制作的基本三维图元，诸如球体、立方体和锥体等；

·通过连接顶点和建立物体的面制作其它的三维网格物体；

·把从2D Shaper传来的二维Shaper转变为由顶点和面组成的二维网格物体；

·对二维或三维网格物体进行排列、编辑；

·给二维或三维网格物体的表面指定材质或贴图；

·制作、调整光源和摄影机；

·生成已形成的、从任何视图中所看到的景物；

·着色生成静止的彩色或单色的三维景物图形，并存八磁盘。

3D Editor模块的景物是和Keyframer模块共享的，它是用来作为在Keyframer模块中创作的动画的起点。

④Keyframer——关键帧编辑模块

Keyframer模块专门用于动画创作。在该模块中，3D Editor模块的景物自动作为动画的第一帧，然后可以移到任何画帧并重新安排景物，这样就制作出一个关键帧。该模块可以自动制作出关键帧之间的所有画帧。三维景物中不同类型的组件可以进行不同方式的改变。具体地说，物体（Object）可以改变位置、旋转、定比例和变形，泛光灯（Omni）可以改变自身位置和颜色，聚光灯（Spot）可以改变灯的位置、目标位置、颜色、射点和落点，摄影机可以改变自身位置、目标位置、视场和转动等。需要注意的是物体层次上只能对网格物体进行关键帧处理，元素、面及顶点都不能进行关键帧处理。

Keyframer提供了完整的关键帧动画控制，它既可以将物体移动、旋转、变比、挤压或者使其产生变形，也可以通过移动摄影机或者是开发摄影机的视野和摄影目标来制作动画。点光源和全光源的目标也可用以制作动画。动画中物体的运动路径可从2D Shaper或3D Lofter中得到。还可定义物体之间的相互关系，以保证动作的台理性。

在该模块中，动画可在屏幕上预演，也可存盘。还有通过单帧控制控制视频录像机的内部命令。

⑤）Material Editor——材质编辑模块

Material Editor模块可用来设计及编辑材质。材质是一些视觉性质的组合，如颜色、贴图图案、反光度、表面粗糙度等。第一物体都必须指定一种材质，这些材质商定了物体在着色后的视觉效果。系统缺省时为每一物体指定一种白色的能反光的塑料材质，这个缺省材质可以改变。Material Editor模块通过采用一套随后可施用于物体或平面的参数方法，确定物体的表面特征。从而可以很容易地特制环境光、漫射光、特殊光的反射以及透明和各种类型的图像，并可在数秒内很快看到编辑的结果。

在现实世界中，任何物体在受到光照后，都会表现出三种基本反射性质：

Ambient：物体背光部分的颜色；

Diffuse：物体着光部位的颜色；

Specular：物件反射光位置的颜色（高强光区）。

Material Editor模块中，可以用RGB方法来改变以上性质。同时还可调整Shininess亮度参数来改变Specular区的大小；调整Transparency滑棒来控制物体的透明度；可以设定双面材质；建立自己会发光的材质；使用文理贴图（Texture）表明透明度的贴图（Opacity）、反射贴图（Reflection）和表现粗糙度的贴图（Bump），并可接受GIF、TGA。FLC等图像文件。

（3）3D Studio基本模块的相互关系

3D Studio基本模块的相互关系见图7-7。

图7-7 3DS基本模块关系图

（4）3D Studio动画的创作过程

①先在二维造型模块（2D Shaper）中绘制各种平面几何图形。

②在三维放样模块（3D Lofter）中，将平面几何图形制作成三维立体形体，并把它存入三维编辑模块中。

③在三维编辑模块中（Editor）中，对物体所在的场景进行各种设置调整，包括设置场景中的光源和观察场景时所用的摄影机的位置。

④利用材质编辑模块（Meterial Editor）制作物体所需的各种表面材质和纹理质感，并在三维编辑模块中指派给物体，使物体显现出五颜六色的表面质感。

⑤利用关键帧编辑模块（Keyframer）对在三维编辑模块中制作的场景设置关键帧，以定义各种物体的运动轨迹。

⑥着色处理，生成FLC动画文件。

（5）3DS的环境基本要求

运行3DS至少需要下列硬件和软件环境：

①IBMPS/270或80，COMPAQ Deskpro 386或兼容386微型机（至少是80386SX），内存至少是4MB（内存越大，着色速度越快），至少应配有VGA显示卡和监视器，Microsoft兼容鼠标或数字化仪如Summagraphics 1201，20MB以上硬盘；

②对80386计算机，必须配备数学协处理器（Inter 80387，Weitek 3167或者兼容产品）， 80486计算机已内含80387，但如加装Weitek 4167可提高速度，使80486CPU发挥最佳性能。

③一个1.2MB的5.25英寸或1.44MB的3.5英寸软盘驱动器；

④若需达到真彩色的动画效果并录制到录像带上，应选配Frame Buffer图像卡如Truevision公司的Targa16、24、32、At-Vista等；选用逐帧控制卡可控制逐帧录像机录制广播级质量的动画作品，如Diaquest公司的DQ-422；逐帧录像机可选用SONY Betacam系列。如果计算机上配有视频编码卡，也可录制到录像带上；

5DOS3.30以上的操作系统；

⑥最好配备CD-ROM驱动器，可以利用更加丰富的光盘资源。

（6）3DS安装及配置

3DS安装较简单，具体操作是将第一张盘放入A驱动器，在DOS提示符下敲INSTALL，再敲回车键，然后根据提示，依次放入其它盘片。

安装完毕后，就可以进行配置了，3DS的系统配置文件是3DS.SET。启动3DS时，系统将调用3DS.SET，该文件定义了系统操作环境的设置，系统提供的3DS.SET已经对操作环境提供了默认值，可根据自己的需要用文本编辑器对其进行修改，但初学者者最好不要对其修改。详细信息可以参见3DS手册。