第4章 动画制作基础
4.1 计算机动画基础
动画的英文是animation，该词源自拉丁文字根anima，意思为灵魂；动词animate表示赋予生命，引申为使某物活起来的意思。所以animation可以解释为经由创作者的安排，使原本不具有生命的东西像获得生命一般地活动。赋予无生命的物体、图像或者绘制图片等以生命的活力，就是动画的原始内涵。在动画中，运动的效果是通过快速地播放静态画面或者画面序列实现的。但是毫无规律和杂乱的画面是不能构成真正意义上的动画的，构成动画必须遵循一定的规则。主要包括以下三个规则：①由多个画面组成，并且画面必须连续。②画面之间的内容必须存在差异，如在位置、形态、颜色、亮度等方面有所差异。③画面表现的动作必须连续，即后一幅画面是前一幅画面的继续。
动画大约是从二十世纪二三十年代发展起来的，最初的形式是由美术动画电影传统的制作方法移植而来的。它利用了电影原理，即人眼的视觉残留现象，将一张张逐渐变化的并能清楚地反映一个连续动态过程的静止画面，经过摄像机逐张逐帧地拍摄、编辑，再通过电视播放系统，使之在屏幕上活动起来。这种形式称为传统动画。传统动画的生产过程主要包括编剧、设计关键帧、绘制中间帧、拍摄合成等方面。由此可以看出，这个过程相当复杂。从设计规划开始，经过设计具体场景，设计关键帧，制作关键帧之间的中间画，复制到透明胶片上，上墨涂色，检查编辑，最后到逐帧拍摄，其消耗的人力、物力、财力及时间都是巨大的。因此，当计算机技术发展起来以后，人们开始尝试用计算机进行动画创作。计算机技术的发展不仅大大提高了动画制作的效率，而且将动画制作带入了全新的发展领域，如三维动画。
4.1.1 计算机动画的基本概念
计算机动画是指采用图形与图像的处理技术，借助于编程或动画制作软件生成一系列的景物画面，其中当前帧是前一帧的部分修改。
计算机动画也是采用连续播放静止图像的方法产生景物运动的效果，这与传统动画基本相同，只是在传统动画的基础上把计算机技术用于动画的处理和应用，并可以达到传统动画所达不到的效果。由于采用数字处理方式，动画的运动效果、画面色调、纹理、光影效果等可以不断改变，输出方式也多种多样。计算机生成的动画不仅可以记录在胶片上，而且还可以记录在磁带、磁盘和光盘上。放映时不仅可以使用计算机显示器显示，而且还可以使用电视机屏幕显示及使用投影仪投影到银幕的方法显示。
在多媒体应用中，计算机动画可以十分简单，也可以十分复杂。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；光盘出版物片头、片尾的设计制作；甚至到电视片的片头、片尾；电视广告；直至动画片如《狮子王》等。计算机动画的创作本身不仅是一门图形、图像处理技术，更是一种艺术实践，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员才能较好地完成。总之，计算机动画制作是一种高技术、高智力和高艺术的创造性工作。
4.1.2 动画的视觉原理
当观看电影、电视或动画片时，画面中的人物和场景是连续、流畅和自然的。但当仔细观看一段电影或动画胶片时，看到的画面一点也不连续，只有以一定的速率把胶片投影到银幕上才能有运动的视觉效果。这种现象是由视觉残留造成的，动画和电影正是利用了人眼这一视觉残留特性。实验证明，如果动画或电影的画面刷新率为每秒24帧左右，则人眼看到的是连续的画面效果。但是，每秒24帧的刷新率仍会使人眼感到画面的闪烁，要消除闪烁感，画面刷新率还要提高一倍。因此，每秒 24 帧的速率是电影放映的标准，它能最有效地使运动的画面连续流畅。但是，在电影的放映过程中有一个不透明的遮挡板每秒遮挡24次，因此电影画面的刷新率实际上是每秒48次。这样就能有效地消除闪烁，同时又节省了一半的胶片。
4.1.3 动画的分类
1.实时动画和逐帧动画
按运动的控制方式，可将计算机动画分为实时（real-time）动画和逐帧（frame-by-frame）动画两种。
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。采用的算法有运动学算法、动力学算法、反向运动学算法、反向动力学算法、随机运动算法等。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。实时动画的响应时间与许多因素有关，如动画图像大小、动画图像复杂程度、运算速度快慢（计算机）及图形的计算是采用软件还是硬件等。
逐帧动画也称为帧动画或关键帧动画，它通过一帧一帧显示动画的图像序列而实现运动的效果。其原理是在“连续的关键帧”中分解动画动作，也就是在时间轴的每帧上逐帧绘制不同的内容，使其连续播放而成动画。由于逐帧动画的帧序列内容不相同，因此给制作增加了负担而且最终输出的文件量也很大，但它的优势也很明显：逐帧动画具有非常大的灵活性，几乎可以表现任何想表现的内容，而它类似于电影的播放模式很适合于表演细腻的动画。例如，人物或动物急剧转身、头发及衣服的飘动、走路、说话以及精致的三维效果等。
2.二维动画和三维动画
根据动画反映的空间范围不同，动画可分为二维动画和三维动画。
二维动画就是平面的动画，它通过平面上物体的运动或变形来实现，设计人员依靠场景和人物的平面绘制，做成一幅一幅的图片，然后连续起来成为动画。二维动画是对传统动画的一个改进，它不仅具有模拟传统动画制作的功能，而且可以发挥计算机所特有的功能，如生成的图像可以复制、粘贴、翻转、放大缩小、任意移位及自动计算等。制作二维动画的软件有Flash、GIF Animator等。
计算机处理二维动画的过程包括：输入和编辑关键帧；计算和生成中间帧；定义和显示运动路径；产生特技效果；实现画面与声音的同步；控制运动系列的记录等。其中有两个基本步骤：屏幕绘画和动画生成。屏幕绘画主要利用图像处理软件完成，有时为了自动或半自动生成动画，也采用图形方法来描述画面。动画生成以屏幕绘画的结果（作为关键帧）为基础进行生成处理，最终完成动画创作。
图形、图像技术是二维动画的关键技术。图像技术可用于绘制关键帧，多重画面叠加，数据生成；图形技术可用于自动或半自动的中间画面生成。图像有利于绘制实际景物，图形则有利于处理线条组成的画面。二维动画处理利用了它们各自的处理优势，两者配合使用。
三维动画是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一个新兴技术。三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄像机的运动和其他动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面。三维动画制作是一件艺术和技术紧密结合的工作。在制作过程中，一方面要在技术上充分实现广告创意的要求，另一方面，还要在画面色调、构图、明暗、镜头设计组接、节奏把握等方面进行艺术的再创造。与平面设计相比，三维动画多了时间和空间的概念，它需要借鉴平面设计的一些法则，但更多地是要按影视艺术的规律来进行创作。
4.1.4 动画文件格式
PC上，常见的动画文件格式有GIF、SWF、FLC或FLI、AVI、MOV和QT等。
1.GIF动画格式
GIF（Graphics Interchange Format）的原义是“图像互换格式”，是CompuServe公司在1987年开发的图像文件格式。GIF文件的数据，是一种基于LZW算法的连续色调的无损压缩格式，其压缩率一般在50%左右。目前几乎所有相关软件都支持它，可以使用多种图像浏览器（如ACDSee）来直接观看它。
GIF分为静态GIF和动画GIF两种。静态GIF是目前网页上显示图片最流行的文件格式，不需要专门的插件就可以对这些网页进行浏览。动画GIF是GIF格式的一种扩展，它能被几乎所有的Web浏览器支持，学术上称为GIF89a。本质上，动画GIF就是由许多独立的GIF图（帧）一层层重叠而成的。这些独立的GIF图被定时、循环地显示出来。每一个独立的GIF图（帧）都可以按照用户的定义显示一段时间，或者按照计算机的时钟速度不停地转换。用户可以自定义每个帧的循环次数，一次或多次都可以。通过这些独立帧之间的快速转换，使人产生动画的感觉。
GIF格式的特点是压缩比高、磁盘空间占用较少，所以这种图像格式迅速得到了广泛应用。此外，考虑到网络传输中的实际情况，GIF图像格式还增加了渐显方式，也就是说，在图像传输过程中，用户可以先看到图像的大致轮廓，然后随着传输过程的继续而逐步看清图像中的细节部分，从而适应了用户的“从朦胧到清楚”的观赏心理。目前因特网上大量采用的彩色动画文件多为这种格式的文件。
但GIF格式有其缺点，即不能存储超过256色的图像。尽管如此，这种格式仍在网络上广为应用，这和GIF图像文件短小、下载速度快、可用许多具有同样大小的图像文件组成动画等优势是分不开的。
2.FLIC和FLI/FLC
FLC/FLI（FLIC 文件）是 Autodesk 公司在其出品的二维、三维动画制作软件中采用的动画文件格式，FLIC是FLC和FLI的统称：FLI是最初的基于320×200分辨率的动画文件格式，而FLC是FLI的扩展，采用了更高效的数据压缩技术，其分辨率也不再局限于320×200。Autodesk公司出品的Autodesk Animator和3DSudio等动画制作软件，均采用这种彩色动画文件格式。
FLIC 文件常见于计算机辅助设计、动画图形中的动画序列和计算机游戏应用程序中，它使用行程编码（RLE）算法和 Delta 算法进行无损数据压缩，有三个步骤。第一是压缩保存整个动画序列中的第一幅图像；第二是将前后两幅相邻图像的改变部分和有差异的地方逐帧计算出来；第三是将前两个步骤所得到的结果数据进行 RLE 压缩。对得到的最后数据进行检查，会发现它们的压缩率都相当高，原因是动画序列中前后相邻图像没有多大的差别。
3.SWF格式
SWF（Shock Wave Flash）是Macromedia公司的动画设计软件Flash的专用格式，是一种支持矢量和点阵图形的动画文件格式，被广泛应用于网页设计、动画制作等领域。SWF文件通常也称为Flash文件。
SWF格式能够与HTML文件充分相容，还能够增添MP3音乐，也即SWF格式的动画图像能够用比较小的体积来表现丰富的多媒体形式。在图像的传输方面，不必等到文件全部下载才能观看，而是可以边下载边看，因此非常适合网络传输，即使是在传输速率不佳的情况下，也能取得较好的效果。SWF如今已被大量应用于Web网页进行多媒体演示与交互性设计。此外，SWF动画是基于矢量技术制作的，因此无论将画面放大多少倍，画面质量不会因此而有任何降低。综上所述，SWF格式作品以其高清晰度的画质和小巧的体积，受到了越来越多网页设计者的青睐，也越来越成为网页动画和网页图片设计制作的主流，目前已成为网上动画的事实标准。
4.AVI格式
AVI（Audio Video Interleaved），即音频视频交错格式，是将语音和影像同步组合在一起的文件格式。它对视频文件采用了一种有损压缩方式。这种格式的文件应用范围比较广泛，原因是其将音频和视频用较高的压缩率混合到一起。AVI格式文件是目前视频文件的主流。这种格式的文件随处可见，比如一些游戏、教育软件的片头及多媒体光盘中，都会有不少的AVI文件。另外，它还应用于网页上提供的影片下载等方面。
AVI视频格式的优点是图像质量好，可以跨多个平台使用。其缺点是体积过于庞大，而且压缩标准不统一，最普遍的现象就是高版本Windows媒体播放器播放不了采用早期编码编辑的AVI格式视频，而低版本Windows媒体播放器又播放不了采用最新编码编辑的AVI格式视频，所以在进行一些 AVI 格式的视频播放时，常会出现由于视频编码问题而造成的视频不能播放或即使能够播放，但存在不能调节播放进度和播放时只有声音没有图像等一些问题。
5.MOV格式
MOV是QuickTime软件的文件格式，它是苹果计算机公司开发的音频、视频文件格式，用于存储常用数字媒体类型，如音频和视频。MOV、QT格式能支持256位色彩，支持RLE、JPEG等领先的集成压缩技术，提供工作流与文件回放和实时的数字化信息流，但要通过因特网才能实现。这种格式还提供了强劲的声音和视频效果，其中包括200多种MIDI兼容音响和设备的声音效果和150 多种视频效果。最近 QuickTime 文件格式被国际标准化组织（ISO）选择作为正规的统一数字媒体存储格式，用来开发MPEG4。
MOV 格式具有较高的压缩比率和较完美的视频清晰度等特点，而且它具有跨平台性，即不仅能支持Mac平台系列，也能支持Windows平台。