Question

什么是传统动画？什么是计算机动画？

Answer 1

二者含义及区别.
......
一、计算机动画的历史和现状
计算机动画综合了计算机图形学特别是真实感图形生成技术、图像处理技术、运动控
制原理、视频显示技术，甚至包括了视觉生理学、生物学等领域的内容，还涉及到机器人
学、人工智能、物理学和艺术等领域的理论和方法。目前更多地把它作为计算机图形学的
综合应用，但由于其自身的特色而逐渐形成一个独立的研究领域。计算机动画属于四维空
间问题，而计算机图形学只限于三维空间。计算机动画的研究大大地推动了计算机图形学
乃至计算机学科本身的发展。
早在1963年至1967年期间，Bell实验室的Ken．Knowlton等
人就着手于用计算机制作动画片。一些美国公司、研究机构和大学也相继开发动画系统，
这些早期的动画系统属于二维辅助动画系统，利用计算机实现中间画面制作和自动上色。
70年代开始开发研制三维辅助动画系统，如美国Ohio州立大学的D．Zelter
等人完成的可明暗着色的系统。与此同时，一些公司开展了动画经营活动，如Disne
y公司出品的动画片“TRON”就是MAGI等四家公司合作的。
从70年代到80年代初开始研制的三维动画系统，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。80年代后期发展到动力学算法以及反向运动学和反向动力学
算法，还有一些更复杂的运动控制算法，从而使链接物的动画技术日渐趋于精确和成熟。
目前正在把机器人学和人工智能中的一些最新成就引入计算机动画，提高运动控制的自动
化水平。
此外，加拿大蒙特利尔大学MIRA实验室的N．M．Thalmamn夫妇在动画
制作和高质量图像生成方面也是卓有成效的。他们于1986年出版的著作《计算机动画
的理论和实践》是迄今为止关于动画原理论述较为系统和全面的一部专著。他们还开发了
3D演员系统，在系统中引入了面向对象的动画语言。
从国土和区域来说，当前计算机动画的研究和交流中心集中在美国、日本和加拿大。
在ACM SIGGRAPH会议上每年都播映不少计算机动画片，在Euro Gra
ph会议以及日本举行的国际计算机图形学会议也是如此。与此同时，不少计算机动画片
参加了艺术动画片的评奖活动，1974年在Cannes电影节中，动画电影《La
Faim》曾获得Prix du Jury奖。
随着计算机技术的迅猛发展，计算机动画系统也日益复杂和完善。一个三维计算机动
画系统应包括实体造型、真实感图形图像绘制、运动控制方法、存储和重放、图形图像管
理和编辑等功能模块。进一步完善还应配置专用动画语言，各种软硬件接口和友善的人机
界面。早期的计算机动画系统有的甚至采用模拟计算机。高性能工程工作站的推出、配置
RISC结构的CPU芯片、采用并行运算和固化算法的专用图形处理器、高分辨率和光
栅扫描显示器和海量光盘存储器，为实时动画的制作提供了硬件基础。开发相应的接口，
连接摄像机、图像扫描仪、录音录相设备等相应外设，组成计算机动画系统，并且和多媒
体技术结合起来共同发展。Evan ＆ Sutherland公司耗资数百万美元，
开发了实时飞行模拟训练系统。SGI公司基于RISC结构的并行处理工作站适于开发
三维动画系统。
目前国内在工作站和一些小型机CAD系统中配套引进了一些动画软件，如机械CA
D中的机构运动模拟、加工过程模拟、建筑CAD中的全景观察系统等。在微机上的动画
软件有Mac机上的Video WorkⅡ、IBM－PC机上的Animator及
3D Studio，都具有图形图像编辑功能、动画存储及重放功能，一般采用关键帧
技术。三维动画系统如美国爱迪生公司在SGI工作站上开发的EX�PLORE系统，
包括造型、绘制、动画、图像编辑、纹理和映射、记录等六大功能模块，它的造型功能通
过CAD系统接口提供，对三维链接物动画采用反向运动学算法。类似软件还有美国加州
WAVEFRONT公司的三维动态视觉软件Wavefront，广泛应用于众多领域
的造型、设计、动态仿真模拟和科学数据分析上，可在不同档次的UNIX工作站上运行
。这些软件基本上代表了国际上80年代中期水平。国内一些高校、科研机构和工业部门
也在开展这方面的研究工作，主要是一些应用问题，如模拟机械手取物，模拟飞机飞过的
场景变化，人体运动模拟等。一般来说属于二维动画，从总体水平看还存在较大差距。对
引进系统的开发应用处于起步阶段，取得了一定效果，如亚运会的片头设计、商品广告设
计等。由于计算机动画应用十分广泛，效益甚佳，前景迷人，必将吸收更多的志士同仁加
入这一研究应用领域。
二、传统动画和计算机动画
传统动画的制作过程是：设计故事情节，设计具体场景和演员动作，设计语音踪迹，
设计关键动画帧，中间画制作，复制到色片上，涂色、检查和编辑。传统动画主要应用于
电视电影制作，作为政府管理部门的通讯交流工具，作为科研和教育的手段，作为工业部
门的培训工具等。
计算机动画首先在辅助传统动画制作方面发挥了作用，大大提高了制作效率和降低成
本。例如：可采用数字化输入或交互编辑生成关键画，也可以采用编程方式生成复杂图形
来辅助画面生成；可采用计算机插值或控制产生中间画面，利用计算机涂色系统生成色彩
变化画面，模拟摄像功能投放动画帧等来辅助运动生成；在后期制作中进行辅助编辑和加
进伴音效果。
还有，计算机可以把动画制作技巧上升到传统动画所无法达到的高度。例如：即使是
最高明的动画师也难于再现三维物体的真实运动，借助于计算机则可以轻易地实现；随着
现代计算机造型技术和显示技术的发展，利用计算机生成的三维真实感模型运动比二维动
画具有无法比拟的优越性。
计算机动画系统使人们制作了更多更好的动画片，遗憾的是，也同时制作了许多质量
差的动画片。问题在于计算机动画师对几十年积累起来的手工动画的经验和技巧缺乏了解
。因此，理解并掌握传统动画原理对制作动画片是十分必要的。借助于传统动画的一些常
用手法，利用计算机的先进工具，找到两者之间的相应对照，进而发展为更加生动的技术
。
就目前计算机动画的现状来看，计算机动画仅仅是辅助动画，是一个训练有素的动画
师利用计算机作为辅助工具，使一系列二维或三维物体组成的图像帧连续动态变化起来。
完全由计算机产生的动画只存于命令文件式或算法控制的动画中。尽管计算机产生动画的
技术愈来愈先进，但动画师还不能被程序代替，就像作家不能被文字处理器代替一样。灵
活生动的动画技巧仍旧是产生优秀艺术动画的必备条件，宽广深厚的科学理论基础仍旧是
产生模拟动画的根基。只有当动画的运动控制完全自动化和智能化，人工干预完全消失时
，计算机动画才是真正自动生成的动画。
传统动画的原理和一些常用手法，在计算机动画中，尤其是三维物体动画中可以找到
相应简易实现方法，还可以近一步发展为更加准确生动的技术。具体来说有下述几个方面
。
伸展和压缩。柔性体在伸展和压缩过程中保持总体积不变。当物体快速运动时，两帧
画面差距拉大，容易引起跳跃感，这时可将物体轮廓模糊，或拉伸物体使物体运动显得平
滑。在三维计算机动画中只需将物体运动方向进行比例变换即可实现拉伸或压缩。
时间间隔控制。两个画面帧的时间间隔决定了物体的运动速度，反映了物体的运动特
性，甚至角色的感情色彩。正确的时间间隔控制是合理地分配预备动作、动作本身及动作
反馈的时间比例。计算机程序可以精确控制这三者之间的恰当时间分配。
动作设计。动作设计包括预备动作，主题动作、后续动作和衔接动作。预备动作是主
题动作的准备动作，后续动作是主题动作的收尾动作，衔接动作则是两个主题动作的连接
动作。这些动作作为一个整体用来更充分完整地表现主题动作。
场景设计。为配合主题动作制造一定的环境和氛围，需要精心设计场面布局和背景，
它和时间间隔控制，动作设计密切配合，更将地表现主题动作。
直接向前方法和关键帧方法。直接向前方法是发挥动画师的想象力，边想边设计动画
的方法，关键帧方法则是先设计好关键帧，时间间隔，再完成中间画帧组成整体动画，这
和计算机动画中的关键帧技术相对应，可利用计算机播值方法生成中间画面。
慢进慢出。在早期的动画片中，为了更好地表现主题动作，通常在运动的末尾采用慢
进慢出手法。在大多数三维关键帧动画系统中，中间画往往采用样条曲线插值，这时对应
于数学上的二阶或三阶位移函数连续，通过局部调整样条曲线的位置、方向、伸展度、连
续性来实现，有时还要加上对样条进行图形编辑。
运动弧。运动弧是对运动从起点到终点的路径指定，在三维关键帧动画系统中，运动
弧由控制中间帧时间间隔的一条样条曲线拟合，为了取得更好效果，还应使用控制速率的
另一条样条曲线。
此外，还有夸张、嬉戏、渲染等技巧，以达到生动、有趣、吸引人的目的。总之，无
论是手工动画还是计算机动画，都是为了准确、清晰、有趣地表达自己的思想观点，采用
的动画技巧是一种工具和手段，显然计算机动画系统是一种有力的工具。
三、计算机动画原理
通常根据运动控制方式将计算机动画分为关键帧动画和算法动画。
1．关键帧动画
关键帧动画通过一组关键帧或关键参数值而得到中间的动画帧序列，可以是插值关键
图像帧本身而获得中间动画帧，或是插值物体模型的关键参数值来获得中间动画帧，分别
称之为形状插值和关键位插值。
早期制作动画采用二维插值的关键帧方法。当两幅形状变化很大的二维关键帧时不宜
采用参数插值法，解决的办法是对两幅拓扑结构相差很大的画面进行预处理，将它们变换
为相同的拓扑结构再进行插值。对于线图形即是变换成相同数目的手段，每段具有相同的
变换点，再对这些点进行线性插值或移动点控制插值。
关键参数值插值常采用样条曲线进行拟合，分别实现运动位置和运动速率的样条控制
。对运动位置的控制常采用三次样条计算，用累积弦长作为逼近控制点参数，以再采用求
得中间帧位置，也可以采用Bezeir样条等其它B样条方法。对运动速度控制常采用
速率——时间曲线函数，也有的用曲率——时间函数方法。两条曲线的有机结合用来控制
物体的动画运动。
2．算法动画
算法动画是采用算法实现对物体的运动控制或模拟摄像机的运动控制，一般适用于三
维情形。根据不同算法可分为：
·运动学算法：由运动学方程确定物体的运动轨迹和速率；
·动力学算法：从运动的动因出发，由力学方程确定物体的运动形式；
·反向运动学算法：已知链接物末端的位置和状态，反求运动方程以确定运动形式；
·反向动力学算法：已知链接物末端的位置和状态，反求动力学方程以确定运动形式
；
·随机运动算法：在某些场合下加进运动控制的随机因素。
算法动画是指按照物理或化学等自然规律对运动控制的方法。针对不同类型物体的运
动方式，从简单的质点运动到复杂的涡流、有机分子碰撞等。一般按物体运动的复杂程度
分为：质点、刚体、可变软组织、链接物、变化物等类型，也可以按解析式定义物体。
用算法控制运动的过程包括：给定环境描述、环境中的物体造型、运动规律、计算机
通过算法生成动画帧。目前针对刚体和链接物已开发了不少较成熟的算法，对软组织和群
体运动控制方面也做了不少工作。
模拟摄影机实际上是按照观察系统的变化来控制运动，从运动学的相对性原理来看是
等价方式，但也有其独特的控制方式，例如可在二维平面定义摄影机运动，然后增设纵向
运动控制。还可以模拟摄影机变焦，其镜头方向由观察坐标系中的视点和观察点确定，镜
头绕此轴线旋转，用来模拟上下游动、缩放效果。
对计算机动画的运动控制方法已经作了较深入的研究，技术也日渐成熟，然而使运动
控制自动化的探索仍在继续。对复杂物体设计三维运动需要确定的状态信息量太大，例如
对一个六个自由度设计一分钟动画的信息量为60×30＝1800个，加上考虑环境变
化，物体间的相互作用等因素，就会使得确定状态信息变得十分困难。因此探求一种简便
的运动控制途径，力图使用户界面友好，提高系统的层次就显得十分迫切。
高层次界面采用更接近于自然语言的方式描述运动，并按计算机内部解释方式控制运
动，虽然用户描述运动变得自然和简捷，但对运动描述的准确性却带来了不利因素，甚至
可能出现模糊性、二义性问题。解决这个问题的途径是借鉴机器人学、人工智能中发展成
熟的反向运动学、路径设计和碰撞避免等理论方法。在高度智能化的系统中物体能响应环
境的变化，甚至可以从经验中学习。
常用的运动控制人机界面有交互式和命令文件式两种。交互式界面主要适用于关键帧
方法，复杂运动控制一般采用命令文件方式。在命令文件方式中文件命令可用动画专用语
言编制，文件由动画系统准确加以解释和实现。在机器解释系统中采用如下几种技术：
·参数法：设定那些定义运动对象及其运动规律的参数值，对参数赋以适当值即可产
生各种动作；
·有限状态法：将有限状态运动加以存储，根据需要随时调用；
·命令库：提供逐条命令的解释库，按命令文件的编程解释执行；
·层次化方法：分层次地解释高级命令。
此外，对一些不规则运动，如树生长、山形成、弹爆炸、火燃烧等自然景像，常引进
一些随机控制机制使动画更自然生动。
四、计算机动画的应用
比起传统动画，计算机动画的应用更加广泛，更具有特色，这里列出一些典型的应用
领域。
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；
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，可取得特殊的宣传
效果和艺术感染力；
用于辅助教学演示。免去制作大量的教学模型、挂图，便于采用交互式启发式教学方
式，教员可根据需要选择和切换画面，使得教学过程更加观直观生动，增加趣味性，提高
教学效果；
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字，以便对飞行员
进行全面训练，节约大量培训费用；
用于指挥调度演习。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；
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。模拟加工过程中的刀具轨迹，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；
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，避免一些危险性的试验；
用于医疗诊断。可配合超声波、X光片检测、CT照像等，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；
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。