三维电脑动画技术概论

肖亿立

[摘要]近年来，三维电脑动画技术蓬勃发展，并且在影视、广告等领域内占有的地位越来越重要。在这样的背景下，概述有关三维电脑动画技术的知识：发展史、技术现状、未来展望，为有志从事三维电脑动画技术的人员提供一个概括性的综述。

[关键词]三维电脑动画技术 物体造型技术 运动控制技术 画面着色技术

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2009）0720196－01

伴随着近年来，《玩具总动员》、《马达加斯加》、《篱笆墙外》等一系列优秀3D动画电影的盛行，三维动画技术越来越受到人们的关注。那么，计算机三维动画技术是什么呢？

它是以计算机图形学为基础的，综合计算机科学、心理学、数学、物理学等各种科学为一体的新型技术，它实现了从传统图形技术向实时图形技术的转变。与二维动画相对应，三维动画增强了立体感和空间感，不再局限于上下左右的运动效果。在影视广告制作方面，这项新技术能够给人耳目一新的感觉，因此受到了众多客户的欢迎。本文首先总结了三维电脑技术的发展史，然后介绍了目前三维电脑的技术现状，最后对未来的三维电脑技术的发展做出展望。

一、三维电脑动画技术的发展史

1982年，迪斯尼（Disney）推出了第一套电脑动画的电影：Tron（电脑争霸），这是全新的动画电影的开山之作，同时为后来的3D电脑动画起到很好的开端。

蓬勃发展的三维动画技术是出现最近些年，这要归功于近些年来计算机技术的飞速发展和相关三维动画技术理论的不断深入研究。目前来看，可以将三维电脑动画技术的发展史可以分为三个阶段[1]：

1995年至2000年是第一阶段，此阶段是三维动画的起步以及初步发展时期。在这一阶段，皮克斯/迪斯尼是三维动画影片市场上的主要玩家。

2001年至2003年为第二阶段，此阶段是三维动画的迅猛发展时期。在这一阶段，三维动画从“一个人的游戏”变成了皮克斯和梦工厂的“两个人的撕咬”：梦工场的怪物史瑞克，皮克斯的海底总动员是这个阶段的典型作品。

从04年开始，三维动画影片步入其发展的第三阶段：全盛时期。在这一阶段，三维动画将演变成“多个人的游戏”：华纳兄弟电影公司的《极地快车》；蓝天工作室的《冰河世纪1》、《冰河世纪2》等。

二、三维电脑动画技术的现状

计算机动画分为二维动画和三维动画，三维动画技术涉及三个主要技术[2，3]：

（1）物体造型。包括如何描述和构造一个三维物体。（2）运动控制。在一个时问段内，物体的位置或形状发生改变。不仅所有角色产生运动，而且所有运动必须同步考虑。在物体运动的同时，一个虚拟相机也要改变其位置、方向和焦距。（3）画面着色。这是一个产生逼真图像的处理方法，一般除了采取消除隐藏面和光照计算外，还要进行一些诸如明暗、阴影、透明、纹理等效果处理。

（一）物体造型技术。计算机三维动画首要的步骤就是对客观物体进行计算机的三维模型重建，而客观物体形态万千，因此利用计算机进行几何建模的方法也各不相同。目前广泛采用的几何建模包括以下几种：

1．利用基本原色（如平面多边形、正方形、圆柱形、球体、曲面片）进行拼接组合来制作几何模型；2．通过两个造型之间进行布尔运算（交、并、差等）来产生新的几何模型；3．通过Sweep造型工具来制作客观物体模型。首先通过鼠标在二维平面上描绘出客观物体的各种特性曲线，后通过sweep方法将这些曲线变成三维模型；4．利用三维变换产生新造型。将三维模型进行线性或者非线性变换，从而产生新的造型。常用的变换包括旋转、缩放、弯曲、扭曲、倾斜、锥形变形等；5．利用离子模拟几何造型。通过一系列的粒子来定义物体，每个粒子都有出生，生命期，死亡过程。在粒子的生命期，粒子属性如色彩、透明度、大小、运动速度、加速度、运动方向等可随时间变化，从而产生某些自然现象如云、雾、雪、雨、火、瀑布等物体模型；6．三维扫描仪。又称为数字化仪，它能够迅速的获得物体表面的立体坐标和色彩信息，并将其转化为计算机能够直接处理的三维色彩数字化模型。

（二）运动控制技术。根据动画的生成方法，一般将三维动画分为两类：关键帧动画和算法动画。

关键帧动画是根据动画设计者的一组关键帧，自动生成中间画。有两种方法实现关键帧：一种方法是通过对关键帧三维形状进行插值计算而得到中间各帧；另一种方法是对物体本身模型中的参数进行插值计算。

算法动画中的运动是用算法来描述的，其中物理规律作用于各种参数。例如：机器人在各关节点的角度变化可以由运动学定律或动力学定律来控制，运动学是物理学中研究物体位置和运动的一个科学分支，动力学是物理学中描述物体怎样运动的另一个分支。因此，算法动画还可以分为动力学算法动画和运动学算法动画。

（三）画面着色技术。在三维动画技术中，为了模拟出自然界中物体的真实材质感，三位电脑动画画面着色技术从三个方面定义模型的色彩特征：色彩、纹理模型及属性。除定义几何物体的色彩外，还需定义光的色彩和类型。

1．色彩分析。在计算机图形学中，一般从三个方面考虑物体所受的光线：环境光引起的漫反射；入射光引起的漫反射；入射光引起的镜面反射。2．纹理贴图式样分析。除色彩外，还需要通过各种纹理贴图来表现出实际物体表面的各种纹理贴图，主要贴图式样有：Texture贴图、Pacify贴图、Reflection贴图、Decal贴图、Bump贴图、Procedural贴图。3．物体属性分类。为表现物体的各种质感，还为物体设定了各种属性：透明性、射性、射特性、发光特性。4．光源设定分类。光源的设定主要从以下三个方面考虑：光的模式、光的位置、光的颜色。其中光的模式又可分为点光源、平行光源和聚光灯光源。

三、三维电脑动画技术的展望

近20年来，计算机三维动画技术一直是计算机图形学研究的前沿领域，发展极快。目前，无论在理论上还是在应用上都已取得了很大的成功。但是，由于技术、设备的原因，计算机三维动画离人们的期望还有一定的距离，采用计算机模拟许多自然现象以及人体动作还有一定的困难。

在这样的背景下，与三维电脑动画技术平行的三维虚拟技术逐渐出现了融合的趋势，并且已经出现了很多有益的尝试[4]。三维动画技术与虚拟现实技术的结合是三维图形图像技术发展历程上的一次飞跃，它给人们带来了全新的视觉刺激和享受，实现了过去所无法想象的图形、图像表现技术。随着研究的深入与硬件技术的不断发展，我们有理由相信：三维动画技术与虚拟现实技术也必将有着广泛、密切的互动和交叉应用领域。

参考文献：

[1]http://baike.baidu.com/view/87262.htm.

[2]孙家广等，计算机图形学[M].清华大学出版社，1998.

[3]杨四亦，计算机动画运动生成的方法和原理[M].电子出版社，1995.

[4]刘贤梅等，三维动画技术与三维虚拟技术的研究[J].计算机仿真，2004，21（9）：127-129.