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        三維電腦動畫技術(shù)概論

        2009-09-29 08:58:18肖億立
        新媒體研究 2009年14期

        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(gè)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(yùn)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(jì)算機(jī)三維動畫技術(shù)是什么呢?

        它是以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)的,綜合計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)圖形技術(shù)向?qū)崟r(shí)圖形技術(shù)的轉(zhuǎn)變。與二維動畫相對應(yīng),三維動畫增強(qiáng)了立體感和空間感,不再局限于上下左右的運(yùn)動效果。在影視廣告制作方面,這項(xiàng)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(shí)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?dú)w功于近些年來計(jì)算機(jī)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(gè)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(shí)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(shí)期。在這一階段,三維動畫從“一個(gè)人的游戲”變成了皮克斯和夢工廠的“兩個(gè)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(gè)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(shí)期。在這一階段,三維動畫將演變成“多個(gè)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(jì)算機(jī)動畫分為二維動畫和三維動畫,三維動畫技術(shù)涉及三個(gè)主要技術(shù)[2,3]:

        (1)物體造型。包括如何描述和構(gòu)造一個(gè)三維物體。(2)運(yùn)動控制。在一個(gè)時(shí)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(yùn)動,而且所有運(yùn)動必須同步考慮。在物體運(yùn)動的同時(shí),一個(gè)虛擬相機(jī)也要改變其位置、方向和焦距。(3)畫面著色。這是一個(gè)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(jì)算外,還要進(jìn)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(jì)算機(jī)三維動畫首要的步驟就是對客觀物體進(jìn)行計(jì)算機(jī)的三維模型重建,而客觀物體形態(tài)萬千,因此利用計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jìn)行拼接組合來制作幾何模型;2.通過兩個(gè)造型之間進(jìn)行布爾運(yùn)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(jìn)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(gè)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(yùn)動速度、加速度、運(yùn)動方向等可隨時(shí)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(jì)算機(jī)能夠直接處理的三維色彩數(shù)字化模型。

        (二)運(yùn)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(jì)者的一組關(guān)鍵幀,自動生成中間畫。有兩種方法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幀:一種方法是通過對關(guān)鍵幀三維形狀進(jìn)行插值計(jì)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(jìn)行插值計(jì)算。

        算法動畫中的運(yùn)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(jī)器人在各關(guān)節(jié)點(diǎn)的角度變化可以由運(yùn)動學(xué)定律或動力學(xué)定律來控制,運(yùn)動學(xué)是物理學(xué)中研究物體位置和運(yùn)動的一個(gè)科學(xué)分支,動力學(xué)是物理學(xué)中描述物體怎樣運(yùn)動的另一個(gè)分支。因此,算法動畫還可以分為動力學(xué)算法動畫和運(yùn)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(shí)材質(zhì)感,三位電腦動畫畫面著色技術(shù)從三個(gè)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,一般從三個(gè)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(shí)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(gè)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(diǎn)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(jì)算機(jī)三維動畫技術(shù)一直是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)三維動畫離人們的期望還有一定的距離,采用計(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M].清華大學(xué)出版社,1998.

        [3]楊四亦,計(jì)算機(jī)動畫運(yùn)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(jì)算機(jī)仿真,2004,21(9):127-129.

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