数字新媒体概论：计算机图形与动画技术

3.2.3　计算机图形与动画技术

图形是传递信息的最主要媒体之一，其表达信息更直观、更丰富。出现于20世纪60年代的计算机图形学(CG)成为发展迅速、应用广泛的新兴学科，也是计算机科学最活跃的分支之一。随着计算机软硬件的不断发展，尤其在20世纪80年代以后，计算机图形学快速发展，计算机能够表达的图形越来越丰富，从整体而言，图形学历经了二维图形、三维图形和实时图形仿真的阶段，正朝着虚拟环境方向飞速发展。

计算机动画是计算机图形技术与艺术相结合的产物，它综合运用计算机科学、艺术、数学、物理学、生命科学及人工智能等学科和领域的知识，来研究客观存在或高度抽象的物体的运动表现形式。随着计算机硬件和图形学等技术的快速发展，用计算机已能生成绚丽多彩的连续的虚拟真实画面，进一步拓展了视觉艺术表现的空间和力度。计算机动画技术在数字新媒体内容领域内有着大量和广泛的应用，特别是在数字娱乐领域，比如影视特技、电视片头、动画片和游戏等都依托了计算机动画技术的发展。

1.计算机图形技术的概念与标准

ISO给出计算机图形学的定义为:研究用计算机进行数据和图形之间相互转换的方法和技术。也可以定义为:计算机图形学是运用计算机描述、输入、表示、存储、处理(检索/变换/图形运算)、显示、输出图形的一门学科。

计算机图形学研究的对象是图形。图形是指能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象，它包括人眼观察到的自然景物、拍摄到的图片、绘图工具得到的工程图、用数学方法描述的图形等等。图形是客观对象的一种抽象表示，它带有形状和颜色信息。构成图形的要素有几何要素(刻画对象的轮廓形状的点、线、面、体等)和非几何要素(刻画对象表面属性或材质的颜色、灰度等)。图形可用形状参数和属性参数来表示，即参数表示法;也可用带有灰度或色彩的点阵来表示，简称为像素图、图像(数字图像)，即点阵表示法。

图3-7　计算机图形技术的研究内容

计算机图形技术主要研究如何在计算机中表示图形，以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，其核心就是将客观世界对象以图形的形式在计算机内表示出来，主要包括模型生成和图形显示，如图3-7所示。模型生成是获取、存储和管理客观世界物体的计算机模型，以在计算机上建立客观世界的模拟环境。图形显示是生成、处理和操纵客观世界物体模型的可视化结果，以在输出设备呈现客观世界物体的图像。

计算机图形技术所涉及的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、风格化绘制，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。

图3-8　图形系统的一般结构示意图

(1)计算机图形系统

计算机图形系统是计算机图形技术及其应用的具体体现，应具有计算、存储、交互、输入和输出等五方面的功能。计算机图形系统由硬件和软件组成，如图3-8所示。

图形软件又分为图形数据模型、图形应用软件和图形支撑软件三部分。这也是处于计算机系统内部而与外部图形设备进行接口的三个主要部分，三者之间彼此相互联系，互相协调，互相支持，形成图形系统的整个软件部分。图形硬件包括图形计算机系统和图形外围设备两类。图形计算机系统的硬件性能要求较高，具有速度更快、存储量更大、外设种类更齐全等特点，也可以是基于互联技术构成的网络计算机图形系统。外围设备除大容量存储器、通信控制器等设备外，主要是图形输入和输出设备。

(2)计算机图形软件标准

图形标准的制定是为了在不同的计算机系统和外设之间进行图形应用软件的移植。这种一致性包括应用程序在不同系统之间的可移植性、应用程序与图形设备的无关性、图形数据的可移植性和程序员层次的可移植性。为了实现这些可移植性，有三类接口必须实现统一标准。第一类接口是应用程序与图形软件的接口，称为应用接口，它隔离了应用程序与处理图形的实际物理设备的联系，从而保证了应用程序在不同系统之间的可移植性。第二类接口是图形软件与外部设备之间的接口，称为虚拟图形设备接口，它保证了图形软件与图形外部设备的无关性。第三类接口是数据接口，它规定了记录图形信息的数据文件的格式，使得软件与软件之间可以交换图形数据。

图形标准的产生始于1974年，在美国国家标准化委员会(ANSI)举行的主题为“与机器无关的图形技术”工作会议上提出了制定有关标准的原则。1977年美国计算机协会(ACM)计算机图形专业组(SIGGRAPH)提出了三维核心图形系统的图形软件标准，在1979年又推出该图形标准的改进版本。

1985年，国际标准化组织(ISO)批准了第一个图形软件标准，即计算机图形核心系统GKS，这是一个以三维核心图形为蓝本的二维图形软件包。在1988年它的三维扩充GKS-3D被ISO批准为三维图形软件标准。面向程序员的层次交互图形标准PH IGS是ISO批准的第一个三维图形标准。GKS和PH IGS都是图形支撑软件标准。随后，ISO又发表了计算机图形接口标准CGI和计算机图形元文件标准CGM。CGI提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法，也可看作图形设备驱动程序的一种标准，在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。CGM提供与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式，通用性是其关键属性，其规定了生成、存储、传送图形信息的格式，面向系统和系统开发者，与CGI配套提供。

这些标准的制定，为计算机图形学的推广、应用、资源信息共享，起了重要作用。

除了官方制定和批准的标准外，还有一些在工业界广泛应用的事实上的标准，这些标准通常由某个公司或商业组织开发推广，如SGI公司的OpenGL，微软公司的Direct X，X财团的X-Window系统，Adobe公司的Postscript等。

2.真实感绘制与非真实感绘制技术

计算机能够生成非常复杂的图形，即进行图形绘制。在图形绘制过程中涉及了一系列的计算机图形算法与技术，从最基本的图元生成、图形变换、图形裁剪，到复杂的光照模型、纹理贴图等等，以及包括计算机造型技术、动画技术和加速技术等的应用。

(1)真实感绘制技术

从计算机图形学诞生以来，图形绘制的主要目标是能生成仿效传统相机效果的图像，即真实感图形绘制。真实感图形绘制是计算机图形学研究的主要方向之一，简而言之，就是借助数学、物理、计算机等学科的知识使用计算机生成三维场景的真实逼真图形、图像的过程。真实感图形绘制主要包括两个方面的内容:表面特性的精确表示和场景中光照效果的物理描述。真实感图形绘制有着非常广泛的应用，特别是在数字新媒体技术与内容领域，比如计算机动画制作、影视特效仿真、计算机游戏、多媒体教育和虚拟现实系统等许多方面都可以看到真实感图形在其中所发挥的重要作用。涉及真实感绘制的主要技术有以下几种。

1)消隐技术

消隐技术是在生成真实感图形时，判断出从某已选定观察位置所能看到的场景中的内容。已经有很多解决消隐问题的方法，并针对不同的应用开发出了许多有效的判别可见对象的消隐算法，称为可见面判别算法或隐藏面消除算法。提高消隐算法效率的常见方法有利用连贯性、包围盒技术、背面剔除、区域分割技术、物体分层表示等，由此人们提出了许多的判别可见面算法，如画家算法、Z缓冲器算法、扫描线算法、BSP树算法、八叉树算法、光线投影算法等。

2)表面细节绘制技术

表面细节绘制的目的是使生成的图形更接近于真实世界。主要绘制技术有反走样、透明、雾化、阴影、运动模糊等处理技术。

反走样技术是为了改善在生成图元显示时出现的锯齿形或阶梯状的失真现象(走样)。走样会影响图形显示的视觉质量和真实感效果。也就是反走样技术的目的就是为了改善图形的生成质量和效果，一般采用多像素加权平均等方法，实质上是图像处理技术。

透明处理是为了模拟真实世界中透明或半透明物体的视觉效果，比如光线弯曲(折射)、透明物体厚度所导致光线的逐步弱化等等。但实现非常困难，一般是将物体表面颜色与其后面物体融合绘制成半透明状态。常用的有alpha(透明值)混合技术。

雾化效果可以为最终图像添加简单大气效果，且能起到提高户外场景的真实度、产生虚拟景深和对物体进行光滑裁剪等很多作用。目前，可以使用像素层辐射式雾化生成较高质量的雾化效果。其他类型的雾化效果有纹理映射雾化效果、多层和分层雾化效果技术等。

阴影作为视觉提示，可以使整个场景看上去更逼真。即使阴影不够精确也比完全没有阴影要好，因为人眼通常会忽略阴影的具体形状。最简单的阴影算法与消隐算法比较类似，可以使用可见面判别来确定光源所不能照明的区域，生成的阴影图像均是有效的。

运动模糊是为了增加物体对象的运动感觉和景深效果。一种方法是对模糊部分进行建模并绘制成在运动方向上具有透明效果，以模拟由运动产生的模糊化效果。另一种方法是对系列图像取平均，将物体移动到它在一帧画面中所经历的一系列位置，最终产生一幅模糊图像。

3)纹理贴图技术

纹理贴图是指使用图像、函数或其他数据源来改变物体表面外观。通过这种方式将图像和物体表面结合起来，可以在建模、存储空间和速度方面节省很多资源。

图像纹理贴图是最常用的一种纹理贴图方式，它需要将一幅二维图像有效地粘贴到多边形的表面上并进行绘制。图像纹理贴图还提供了在物体表面上使用照片图像和动画的方法。

环境贴图也称反射贴图，在曲面上可以对反射效果进行很好的近似，主要有立方体环境贴图、球面贴图和使用环境贴图产生光照效果等。

凸凹贴图方法可以使表面看上去不是很均匀，如凸凹不平、起皱、波浪形等。凸凹纹理图可以模拟需要大量多边形才能生成的模型特征，比如折叠的衣服。有很多种方法可以获得凸凹纹理图，如浮雕凸凹贴图方法等。

4)高级光照与着色技术

光照用来表示材质和光源之间的相互作用，也可以表示光源与所绘制几何对象之间的相互作用。光照可以和颜色、纹理及透明度等一起使用，共同形成屏幕上的视觉外观效果。而着色处理是计算光照并由此决定像素颜色的过程，主要存在基于多边形、顶点和像素三种类型的着色处理方法计算光照效果。

在图形绘制中，通常使用的是局部光照模型，只需要用可见点的表面数据来计算出光照情况。为了达到更真实的场景效果，需要采用全局光照模型，比如，透明、反射、折射及阴影都是全局光照算法的示例，都使用到了除被照物体之外的其他物体的信息。全局光照两种基本的算法是光线跟踪算法和辐射度算法。

5)基于图像的绘制(www.xing528.com)

传统图形绘制技术均是面向景物几何而设计的，因而绘制过程涉及复杂的建模、消隐和光亮度计算。尽管通过可见性预计算技术及场景几何简化技术可大大减少需处理景物的面片数目，但对高度复杂的场景，三维模型的建立非常困难，有的甚至超出了人或计算机的描述能力;同时传统的图像的绘制过程计算量太大，产生图像的速度非常慢，要想实时地生成完全真实的图像几乎是不可能的。

为了解决这些问题，提出了基于图像的绘制(IBR)技术，它是一种全新的图形绘制方式。这时显示系统的数据来源不再限于场景的以图形方式描述的几何模型，其数据源可以是图形、数字化的图像或者两者的混合。与图形可能具有的无限的几何复杂度相比，图像的复杂度总是有限的，并可以容易地估算出来，而且图像的生成比图形容易，利用高速摄像机或其他成像设备可以很快获得场景的各种方位的图像。IBR技术改变人们对计算机图形学的传统认识，从而使计算机图形学获得更加广泛的应用。

(2)非真实感绘制技术

非真实感图形绘制(NPR)，亦称风格绘制，其应用领域非常广泛，其中一个主要应用领域就是对绘画风格和自然媒体(如钢笔和墨水、木炭、水彩画等)进行模拟。

1)基于图像像素的非真实感图形绘制

非真实感绘制首先是在图像的像素级上进行的。该类实现算法的输入一般是一个简单的像素矩阵，其每一元素可以是灰度值或RGB色彩值。绘制的过程是先产生一个基于像素的图像或者扫描所得图像，然后对其应用算法进行处理，产生出各种各样不同的效果，比如，在两级设备(指每个像素只有黑白两种设置)上完成连续色调即图像再现的半调处理方法，采用特殊半调处理来控制图案的掩膜方法(即抖动网屏技术)，通过组合铅笔尖大小的点来绘制图像的点线法，以及经过处理的最终图像由众多可分辨的小图像组合而成的马赛克处理等。

2)基于线条、曲线和笔画的非真实感图形绘制

在非真实感再现中，除了采用改变单个像素位置或颜色的技术外，也可以利用扩展到单个像素之外的单元，即通过线条、曲线和笔画来创建非真实感图形。手绘图像最显著的特征是它们的“不正确”。生成手绘图像的一种实现途径是基于绘图硬件，在笔的运动过程中引入有意的摆动，有时甚至可能会跳跃，就可以产生手绘的效果。另一种是基于软件的解决方法，通过改变打印机的页面描述语言(或者图形包)中的画线例程，以产生粗略的而不是精确的线条，即抖动线条。依据影响线条特性的变量，如笔的松紧度、笔的类型和笔的速度，编写画线例程。

3)模拟绘画媒介和艺术手法

对手工绘制的工具及其物理特性与过程的观察与分析，是通过模型建立来模拟传统绘画媒介及其艺术手法的基础。传统绘画媒介的模拟包括对笔刷(钢笔、铅笔、画笔、毛笔)、颜料(粒子和调和介质)以及画纸和画布(表面纹理、物理特性)的模拟，各类模拟模型建立的依据是其物理特性、物理过程或者是显微级别上的工具行为。传统绘画媒介的模拟就是通过计算机来生成钢笔画、铅笔画、油画、水彩画、水墨画的效果，计算机图形学提供了模拟艺术手法效果的不同方法。

基于笔画的模拟是通过线条和笔画的组合，可以创建出不同艺术手法的图像，图像的风格取决于所用笔画的类型，从将颜料画刷痕迹分布在图像上的油画效果再现，到以线条为基本模块的钢笔画再现图像各不相同。基于笔画绘制的图像具有一些共性的特征，就是通过笔画来表现纹理和色调，比如钢笔画等。

模拟湿颜料的画法是基于相关的物理过程的仿真来构成绘制的技术，如水彩画、油画、水粉画和水墨画等绘制。比如，水墨画的绘制可以通过对水墨在宣纸上扩散的物理机理的数字仿真，以实现水墨画效果。

真实画图的抽象建模是对真实画图进行抽象建模，比如，模拟铅笔画，可将建模过程分成三个部分来处理，铅笔模型、纸模型和铅笔与纸之间的交互模型。

计算机图形技术提供了通过模型建立来模拟传统绘画艺术手法的一系列方法，但是由于基本的物理过程相当复杂，常常会导致模型的计算代价太大。因此，针对特定艺术手法的模拟也可以采用其他的方法，使得绘制结果在视觉上类似于手工绘制的效果，典型的例子有铜版画的光线跟踪方法、木版画的图像处理方法等。

3.计算机动画技术

计算机动画区别于计算机图形的重要标志是动画使静态图形产生了运动效果。计算机动画的应用小到一个多媒体软件中某个对象、物体或字幕的运动，大到一段动画演示，甚至到电视片头片尾、视频广告，直到计算机动画片和数字特效的设计与制作。

计算机动画是采用连续播放静止图像的方法产生景物运动的效果，也就是使用计算机产生图形、图像运动的技术。一般而言，计算机动画中的运动包括景物位置、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。计算机动画基本原理可以用一个典型的三维动画系统来描述，如图3-9所示。利用三维建模和真实感仿真可以实现角色的造型表达。借助于传统动画方法、物理规则和知识表达则可构成角色的运动表达。然后将角色的造型表达和运动表达结合起来，即生成了三维动画。

图3-9　三维计算机动画原理示意

计算机动画的关键技术体现在计算机动画制作软件和硬件上。动画制作软件是由计算机专业人员开发的制作动画的工具，使用这一工具不需要用户编程，通过相当简单的交互操作就能实现计算机的各种动画功能。不同的动画效果，取决于不同的计算机动画软件和硬件的功能。虽然制作复杂的程度不同，但动画的基本原理是一致的。从另一方面来看，动画的创作本身是一种艺术实践，动画的编剧、角色造型、构图、色彩等的设计需要高素质的美术专业人才才能较好地完成。总之，计算机动画真正体现了技术与艺术的相互交融。

(1)计算机动画的基本类型

根据运动的控制方式可将计算机动画分为实时动画和逐帧动画两种。

实时动画是用算法来实现物体的运动。实时动画也称为算法动画，它是采用各种算法来实现运动物体的运动控制。在实时动画中，计算机对输入的数据进行快速处理，并在人眼察觉不到的时间内将结果随时显示出来。实时动画的每个片段在生成之后就立即播放，因此生成动画的速率必须符合刷新频率的约束。实时动画的生成的速率与许多因素有关，如计算机的运算速度、图形计算的软件或硬件实现、所描述的景物的复杂程度、动画图像的分辨率等。实时动画一般不必存储在相应的媒介上，观看时可在显示器上直接实时显示出来。电子游戏的运动画面一般都是实时动画，在玩游戏时，人与机器之间的作用完全是实时的。

逐帧动画是通过一帧一帧显示动画的图像序列而实现的运动效果。对于逐帧动画，场景中每一帧是单独生成和存储的。然后，这些帧可以记录在相应的存储媒介上或以实时回放的模式连贯地显示出来。简单的动画可以实时生成，而复杂动画的生成要慢得多，通常是采用逐帧生成的方法。然而，有些应用无论动画复杂与否，始终要求实时生成，比如，虚拟现实与电子游戏。计算机动画片和影视特效等的画面质量要求很高的动画，则往往采用逐帧生成的方法，都是逐帧动画。

根据视觉空间的不同，计算机动画又可以分为二维动画和三维动画。

二维动画，也称平面动画，它的每帧画面是平面地展示动画内容。虽然二维动画可以具有立体感，但这是借助于透视原理、阴影等手段得到的视觉效果。三维动画，也称立体动画，它包含了组成物体模型完整的三维信息，根据物体的三维信息在计算机内生成影像的模型、轨迹、动作等，可以从各个角度表现角色，具有真实的立体感。但与真实物体相比，三维动画又是虚拟的，它所显示的画面并不是由摄像机拍摄记录下来的真实物体的影像，而是由计算机生成的图形，因而它可以创造出现实生活中并不存在的景物，其“虚拟真实性”使动画作品很有感染力。

随着网络的发展和普及，适合网络特点的计算机动画技术层出不穷，网络动画形成了计算机动画的又一个分支。

网络动画采用矢量图形，其文件可以很小，且画面的线条简洁、颜色鲜艳，对计算机硬件的要求不高，软件操作也比较容易，很适合个体创作。同时，网络动画充分利用了网络的交互特性，所生成的动画往往还可以具有交互功能，可由观看者去控制动画的进程和变化。但网络动画的画面质量与采用像素点阵图形的影院计算机动画片不可相提并论。后者画面的色彩种类、灰度层次、线条笔触远远优于前者。

制作网络动画的软件现在有很多，Flash是后起之秀，也是目前的主流。它不仅支持动画、声音及交互功能，其强大的多媒体编辑能力还可以直接生成主页代码。由于Flash使用矢量图形和流式播放技术，克服了目前网络传输速度慢的缺点，因而被广泛采用。Flash提供的透明技术和物体变形技术使创建复杂的动画更加容易，为网络动画设计者提供了丰富的想象空间。其他的动画制作软件还有Ulead GIF Animator、Cool 3D、Firework等，它们各自的功能特点不同，因而制作的动画风格也不同。

(2)计算机动画系统

计算机动画系统是一种交互式的计算机图形系统，涉及硬件和软件两部分平台。

硬件平台主要包括输入与输出设备、主机等。输入设备包括对动画软件输入操作指令的设备和为动画制作采集素材的设备。2D/3D鼠标是最常见的输入设备。图形输入板则是一种更专业的输入设备，它为操作者提供了一个更加类似于传统绘画的直观的工作模式。图形扫描仪为动画系统提供所需要的纹理贴图等各类素材。三维扫描仪则可以通过激光技术扫描一个实际的物体，然后生成表面线框网格，通常用来生成高精度的复杂物体或人体形状。刻录机和编辑录像机是常用的动画视频输出设备。主机是完成所有动画制作和生成的设备，一般为图形工作站。图形工作站是一种以个人计算机和分布式网络计算为基础，具备强大的数据运算与图形图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、科学仿真、虚拟现实等专业领域对计算机图形处理应用的要求而设计开发的高性能计算机。针对小型动画工作室和大中型制作公司的不同使用要求，有不同级别的图形工作站。

软件平台不单单指动画制作软件，还包括完成一部动画片的制作所需要的其他类别的软件。动画制作系统的软件分为系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统、高级语言、诊断程序、开发工具、网络通信软件等。目前可用于动画制作的系统软件平台有Windows系列系统、Linux系统、Unix系统以及Mac OSX系统。应用软件包括图形设计软件、二维和三维动画软件和特效与合成软件等。图形设计软件一般提供丰富的绘画工具，让用户可以直接在屏幕上绘制出自己想要的图片。另外，这类软件都具有强大的图像处理功能，如图像扫描、色彩校正、颜色分离、画面润色、图像编辑、特殊效果生成等。如PhotoShop、Illustrator等。二维动画软件一般都具有较完善的平面绘画功能，还包括中间画面生成、着色、画面编辑合成、特效、预演等功能，如Animator Studio、Flash等。三维动画软件采用计算机来模拟真实的三维场景和物体，在计算机中构造立体的几何造型，并赋予其表面颜色和纹理，然后设计三维形体的运动、变形，确定场景中灯光的强度、位置及移动，最后生成一系列可动态实时播放的连续图像。软件一般包括三维建模、材质纹理贴图、运动控制、画面渲染和系列生成等功能模块。如Maya、3DS MAX、SoftImage等。特效制作与合成软件，可将手绘画面、实拍镜头、静态图像、二维动画和三维动画影视文件的多层画面合成或组合起来，加入各种各样的特技处理手段，达到前期拍摄难以实现的特殊画面效果，如Combustion、Maya Fusion、Shake、AfterEffects等。

(3)计算机动画生成技术

运动是动画的本质，动画的生成技术也就是运动控制技术。为了实现各种复杂的运动形式，动画系统一般提供多种运动控制方式，以提高控制的灵活度以及制作效率。计算机动画生成技术主要有关键帧动画、变形物体动画、过程动画、关节动画与人体动画和基于物理模型动画等。

关键帧的概念来源于传统的卡通片制作，先使用一系列关键帧来描述每个物体的各个时刻的位置、形状以及其他有关的参数，然后让计算机根据插值规律计算并生成中间各帧，在动画系统中，提交给计算机插值计算的是三维数据和模型。所有影响画面图像的参数都可成为关键帧的参数，如位置、旋转角、纹理的参数等。关键帧技术是计算机动画中最基本并且运用最广泛的方法。另外一种动画设置方法是样条驱动动画。在这种方法中，用户采用交互方式指定物体运动的轨迹样条。几乎所有的动画软件如Maya、Softimage、Wavefront、TDI、3DS MAX等都提供这两种基本的动画设置方法。

变形物体动画是把一种形状或物体变成另一种不同的形状或物体，而中间过程则通过形状或物体的起始状态和结束状态进行插值计算。为了使变形方法能很好地结合到造型和动画系统中，人们提出了许多与物体表示无关的变形方法，比如自由格式变形(FFD)方法不对物体直接进行变形，而是对物体所嵌入的空间进行变形，其适用面广，是物体变形中最实用的方法之一。目前许多商用动画软件如Softimage、3DSMAX、Maya等都有类似于FFD的功能。

过程动画指的是动画中物体的运动或变形由一个过程来描述。最简单的过程动画是用一个数学模型去控制物体的几何形状和运动，如水波随风的运动。较复杂的如包括物体的变形、弹性理论、动力学、碰撞检测在内的物体的运动。另一类过程动画为粒子系统动画和群体动画。粒子系统动画是一种模拟不规则模糊物体的景物生成系统。由于粒子系统是一个有“生命”的系统，它充分体现了不规则物体的动态性和随机性，因而可产生一系列运动进化的画面。这使得模拟动态的自然景色如火、云、水等成为可能。群体动画主要解决生物界群体运行的随机性和规则性的仿真问题。

在计算机动画中，把人体的造型与动作模拟在一起是最困难、最具挑战性的问题。人体具有200个以上的自由度和非常复杂的运动，人的形状不规则，人的肌肉随着人体的运动而变形，人的个性、表情等千变万化。另外，由于人类对自身的运动非常熟悉，不协调的运动很容易被观察者所察觉。主要采用运动学和动力学方法来实现关节动画与人体动画。在运动学方法中，一种实用的解决方法是通过实时输入设备记录真人各关节的空间运动数据，即运动捕捉法。由于生成的运动基本上是真人运动的复制品，因而效果非常逼真，且能生成许多复杂的运动。把运动学和动力学相结合能够产生更加逼真的动画。与运动学相比，动力学方法能生成更复杂和逼真的运动，并且需指定的参数相对较少，但计算量相当大，且很难控制。在动作设计中，可以采用表演动画技术，即用动作传感器将演示的每个动作姿势传送到计算机的图像中，来实现理想的动作姿势，也可以用关键帧方法或任务骨骼造型动画法来实现一连串的动作。

基于物理模型的动画也称运动动画，其运动对象要符合物理规律。基于物理模型的动画技术结合了计算机图形学中现有的建模、绘制和动画技术，并将其统一成为一个整体。运用这项技术，用户只要明确物体运动的物理参数或者约束条件就能生成动画，更适合对自然现象的模拟。

计算机动画的制作技术的基础是计算机图形学和计算机动画生成技术。目前，计算机动画制作技术已经形成了一个巨大的产业，并有进一步壮大的趋势。其中，表演动画和人脸动画成为这一领域最令人振奋和引人瞩目的新技术，且在数字影视和数字游戏的设计与制作领域得到了广泛的应用。