爱华网计算机动画的历史及发展前景
——作者：杨青峰
摘要：随着当今科技的迅猛发展，社会的巨大进步，计算机的普及程度也越来越高了。当今计算机已经应用于各种领域，在动画方面的应用也日趋成熟，而且动画在现实生活中的应用也越来越普及了。本文主要探讨计算机动画在世界的发展历史，及其未来的发展趋势。
关键词：计算机 动画 历史 发展前景
Computer animation of the history anddevelopment prospects
——Author:Yang Qingfeng
Abstract : With today's technology has developed rapidlyand the society's tremendous progress, the computer's popularity ishigh. The computer has already applied to various areas inanimation, the application of ripe, and the animation in reality,the application is getting more and more popular. This articlemainly discuss the animation in world history, and its futuredevelopment tendency.
Key words : computeranimation history future
一、引言
随着计算机使用的普及以及计算机动画技术的飞速发展，人们对动画应用的要求也日益提高。所谓动画也就使一幅图像“活”起来的过程。使用动画可以清楚的表现出一个事件的过程，或是展现一个活灵活现的画面。如今电脑动画的应用十分广泛，让应用程序更加生动，增添多媒体的感官效果；还应用于游戏的开发，电视动画制作，创作吸引人的广告，电影特技制作，生产过程及科研的模拟等等。
窗口标题栏上、工具条上、状态条上存在的都是一些较小的图像，我们可通过不同的相对连续的几幅静态画面按一定的时间间隔显示来实现动画的效果。在VC中有一个CImageList类（CImageList类提供了Windows图像列表通用控件功能），可以以图像列表的方式管理图像，图像列表中的图像大小相同，索引以0为开始，每个图像都可以单独引用。接着，利用Draw函数在一定的时间间隔播放出来。MicrosoftWin32的API提供了一系列的函数，可以利用这些函数创建、销毁图像列表，可以显示图像、增加和删除图像，替代、合并和拖动图像。在开发程序时，程序的界面设计是一个非常重要的方面。随着计算机信息表示及实现的多媒体化，在许多学习软件、游戏软件，以及多媒体课件制作软件中，经常使用各种动画显示技巧，这样使画面变得更为生动活泼，更能吸引用户，也为更好地发挥软件的功能奠定了基础。若要进一步用好应用程序，您可依据本文思想结合鼠标移入、移出时的消息处理函数使Windows标准按钮显示动画效果。
二、计算机动画原理
动画是由许多幅单个画面组成的，因此，它是在图形图像基础上产生的。计算机动画是计算机图形图像技术与传统动画艺术结合的产物，它是在传统动画基础上使用计算机图形图像技术而迅速发展起来的一门高新技术。传统手工动画在百年历史中形成了自己特有的艺术表现风格，而计算机图形图像技术的加入不仅发扬了传统动画的特点，缩短了动画制作周期，且给动画加入了更加绚丽的视觉效果。动画有各种不同的定义。如著名动画艺术家约翰•汉纳斯(JohnHalas)说：“运动是动画的本质。”按照我们不十分严格的定义，确定“动画就是运动着和变化着的图形。”运动和变化是动画的灵魂。传统的动画，是产生一系列动态相关的画面，每一幅图画与前一幅图画略有不同，将这一系列单独的图画连续地拍摄到胶片上，然后以一定的速度放映这个胶片来产生运动的幻觉。根据人的视觉滞留特性，为了要产生连续运动的感觉，每秒钟需播放至少24幅画面。所以一个1分钟长的动画，需要绘制1440张不同的画面为了表现动画中人物的一个动作，如抬手，动画制作人员需根据故事要求设计出动画人物动作前后两个动作极端的关键画面。接着，动画辅助人员在这两个关键画面之间添加中间画面的工作，使画面逐步过渡到第二关键画面，以期在放映时人物的动作产生流畅、自然和连续的效果。
计算机动画是使用计算机来产生运动图像的技术。分为两类：1、二维动画系统又叫做计算机辅助动画制作系统，又称为关键帧系统。计算机可以自动生成两幅关键画面间的中间画。2、三维动画系统，属于计算机造型动画系统，该系统是用数学描述来绘制和控制在三维空间中运动的物体。动画艺术家设计好复杂的、二维动画的关键画面，必需先输入计算机才能进行下一步的工作。用数字化仪输入的图形可以用来做为生成中间画的原画，但在输入时必须对每一图形的每一笔画进行分类和分层，并形成一定的先后次序。因为计算机在进行中间画计算时,需在类型层次和次序上一一对应。数字化仪输入的驱动软件应具有分层的功能，层与层之间应有覆盖和透明的效果。为了使输入的两关键帧画面的笔画相等、顶点数相等，以编制一个输入引导程序，使得在已知前一个关键帧的条件，引导后一个关键帧的输入，并且可以编制一个程序来检查笔画和顶点数是否对应相等。一般情况下，如果两关键帧画面之间没有新线产生或某些线段消失，用计算机生成的画面能获得满意的结果。
中间画面的计算方法：插值算法：1、分解。首先将关键帧画面分解成几部分，每一部分包含一个关键图形，这些关键图形将做为生成操作的处理单元。然后，将每一部分的关键图形又分解成若干个笔画，这些笔画是可见线段的组合序列。2、预处理。如果两关键图形的笔画(或折线、曲线)数量不相等，则进行预处理，其目的是使两画面的笔画数量相等，所有的对应笔画均需要有相同数量的点。3、线性插值。要计算两关键帧图形之间的中间图形，需在两对应画面图形之间进行插值计算。4、插值法则。在插值计算过程中，有四个不同的法则，它们可使物体在中间的画面中分别以等速、加速、减速或先加速后减速的方式运动。5、骨架法。线性插值算法计算方法简单、速度快，但存在一些问题：第一，图形变换中每个点都是沿着直线运动，而且每个点的运动规则都相同，生成的动画显得生硬、不自然。第二，运动设计中要求几个关键帧画面，这些画面造成了运动的不连续。第三，若关键帧画面之间有旋转、扭曲等分量时，线性插值就会产生失真。骨架法是改善线性插值的一个方法。骨架法是图形的简单的骨架，而不是用图形本身来作为插值的依据。骨架，或称为线条图，是由几个点组成的图形或人物形态的简单描述，它描述要求的运动形式。使用骨架使得动画创作人员只需控制一些由骨架生成的关键图，然后计算机再由这些关键骨架图生成中间骨架图。由于骨架图较简单，也相似，就能得到较好的中间图。6、运动路径与P曲线。线性插值法计算物体形状的变化，是很方便的，当给出两幅关键图形后，它就能生成效果很好的中间图画。但是，由于前面谈到的线性插值的几个问题，它不大适合于物体位置改变的运动场合。这个问题可应用运动物体所遵循的物理定律来解决。应用路径描述与插值算法相结合能较方便地解决这个问题。动态图可以依靠连续变动静态图来得到，这些变动又可以由一个参数的暂态行为来确定。用P曲线就能很容易地描述一个点位置的暂态行为。
在屏幕上实现动画有三种方式：1、位置不动形态变化。2、形态不变，位置变化。3、位置和形态均变化。动画制作有许多方法，VisualBasic是使用图片对象数组，把一系列动作连续的图像保存在内存中来实现图像的快速变换。
三、计算机动画的发展历史
计算机动画的研究始于20世纪60年代初。1963年美国AT&TBell实验室制作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于二维动画系统的研制，应用于教学演示和辅助传统的动画片制作。
三维动画的研究始于70年代初，当时开发了一些三维计算机动画系统。直至80年代中后期，由于具有实时处理能力的超级图形工作站的出现，三维几何造型技术和真实感图形生成技术取得很大进展，促进了具有高度逼真效果的三维计算机动画技术迅速发展，并达到实用商品化地步。到90年代初，计算机动画技术应用于电影特技取得了显著成就。
与此同时，为适应科学研究与复杂系统中的动态模拟、视觉模拟、机器人学和生物力学等领域的需求，基于物理的造型和动画的研究的开展，已成为计算机动画研究中的一个重要课题。人体动画是近年来发展起来的计算机动画新课题。它是研究开发基于人造角色的集成动画系统，该系统产生涉及人造角色在三维场景中具有人的自觉意识的行为动画，这样的系统是以多种学科的知识、技术和方法为基础的，如动画、力学、机器人学、生物学、心理学和人工智能等。它能实现以下目标：第一，能自动产生计算机生成的人的自然行为；第二，提高运动的复杂性和真实性，其运动的真实性不仅体现在关节运动的真实感，而且要求在动画过程中，身体、手、面部等部位变形具有真实性；第三，减少运动描述的复杂性。现在的Poser就是著名的MetaCreations公司生产的具有特色的人体建模三维动画制作软件。
四、计算机动画的未来发展趋势
计算机对现代教育的影响是非常深远的，特别是在计算机网络普及的今天，教育形式也出现了多样化，其中远程教育是传统教育跟计算机技术及计算机网络有机结合的产物，是未来教育的发展方向，而多媒体技术对远程教育的贡献应该说是最大的。
从国际上看，计算机动画技术的发展正在趋向于规模化、标准化、网络化。首先，规模化是指应用范围广而应用水平和产生的效益高。其次，现在动画制作软件和动画技术呈现出一种百家争鸣的形势，各有特色但相互间的兼容则做得不够，不便于交流与合作，因此，随着技术的日益成熟，标准化是大势所趋。第三，网络化表现为网络技术和电脑动画技术间的相互促进。从技术的发展方向看，体视动画会是未来的热点。现在一些通过立体眼镜能够呈现立体效果的游戏就是体视动画的应用，目前人们正在研究降低立体眼镜的成本、提高图像质量的方法和有关的替代技术，未来我们很可能不用立体眼镜的帮助也能欣赏逼真的立体效果。另一个热点会是虚拟现实（VR）技术，与一般的动画相比，VR的特点在于实时、交互。VR中的场景会随参观者的位置、视点变化而实时动态生成，并具有人机交互的能力，这种技术在未来将大有可为。
计算机动画主要研究运动控制技术以及与动画有关的造型、绘制、合成等技术。尽管造型技术在CAD和CAGD中得到了广泛的研究，但计算机动画对传统的实体、曲面造型提出了一些新的要求。一方面，计算机动画中场景造型的精度不必像工业设计那样高；另一方面，对造型工具的灵活性及景物运动的可控性提出了更高的要求。这导致许多针对动画应用而设计的造型技术，如隐函数曲面造型技术和Catmull-Clark离散曲面造型技术等。除此之外，由于其简单性和兼容性，多边形网格模型在计算机动画系统中得到了广泛的重视。绘制本身是真实感图形的主要研究内容，但随着动画技术的发展，传统的真实感图形绘制技术必须予以改造，使之满足动画的需要。动画技术有很多，要对它们进行细致的分类是困难的。
计算机动画发展到今天，无论在理论上还是在应用上都已取得了巨大的成功，但离人们的期望还有一定的距离，采用计算机动画模拟许多自然界的现象还有困难……
动画追求的新奇性和创新性推动了这一方向的发展。物体的造型与动画通常有密切的联系，造型的某些新方法往往同时提供了新的动画控制方法。由于NURBS曲面在表示复杂拓扑物体方面存在着许多困难，由Catmull和Clark提出的根据任意拓扑控制网格生成B样条曲面的细分曲面方法近几年来在计算机动画中越来越受到人们的重视，相关的论文不少。在1998～2000年的siggraph中，有近10篇与Catmull-Clark细分曲面有关的论文，其中Pixar公司的DeRose等人把细分曲面引入到角色动画中，取得了非常好的效果。在动画软件maya中，基于Catmull-Clark细分曲面的造型和动画已经成为其重要手段。隐式曲面的造型和动画研究也令人关注。运动捕获技术在电影《泰坦尼克》中取得了非常大的成功，该片中乘客从船上落入水中的许多惊险镜头都是由动画特技来完成的。实际上，运动捕获已成为现代高科技电影不可缺少的工具。运动捕获的动画数据包括关节运动数据和脸部表情动画数据。怎样把运动捕获动画数据重用和重置目标值得进一步研究。影视特技要求虚拟的动作画面能以假乱真，基于物理的动力学动画能较好地满足这一要求。这一方面的研究包括怎样建立更具普遍性的数学模型、怎样减少计算量和怎样有效控制动画过程等。这些都是计算机动画未来的发展空间。
五、结论
由以上可以看出，计算机动画在现实生活中的应用越来越广泛了，相信计算机动画的未来必将十分美好！未来的计算机动画领域必将以更加迅猛的步伐前进，未来的生活将更加离不开计算机动画了。
参考文献：
[1]陈华 《浅谈在VC应用程序上引用动画的效果》 交通期刊 2006年9月18日
[2]soso问问 http://wenwen.soso.com/z/q68322447.htm
[3]soso问问 http://wenwen.soso.com/z/q131880551.htm
[4]百度知道 http://zhidao.baidu.com/question/95589783.html
[5]朱肖莉 《为动画插上翅膀——电脑动画发展史》 中国计算机报 2004年09月15日
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