本站原创摘 要：随着科技的发展,人们的生活变得多姿多彩,图形、图像、动画等名词越来越多的被提及,计算机动画应用于广告、MTV、电影等多方面,计算机动画属于计算机图形学的研究对象,是计算机图形学四类基本应用之一.计算机软、硬件性能的突破使计算机动画效果得到大幅提升,图形学从光照、明暗处理、材质等多方面实现计算机动画的真实感.
关 键 词：计算机图形学；计算机动画；光照；明暗处理；材质
作者简介：唐添姣（1979-）,女,辽宁大连人,本科,主要从事中等职业高中二维、三维动画的教育教学.辽宁沈阳沈河区,沈阳市现代科技学校.
[中图分类号]：G434[文献标识码]：A
[文章编号]：1002-2139（2013）-6-0-01
一、计算机图形学的应用
巴比伦人在4000年多年前,就开始在石板上绘制建筑物的楼层规划图,图形技术作为传递信息的媒介而出现.尽管文字、语言都可以实现相似的目的,而且数学知识作为图形技术的相关支持技术,到文艺复兴时期才得以发展,但随着计算机和通信技术对人们生活影响的加大,图形用户的需求的增长以及软/硬件技术的突破,不断推动了计算机图形学的发展,图形不单纯用来做为信息的显示.
计算机图形学同时广泛应用于工业设计、用户界面、仿真及计算机动画多领域.
计算机图形学应用于在建筑、机械等工业设计.计算机辅助设计领域中,应用交互式图形工具随处可见.
计算机图形学应用于用户界面.计算机图形学在用户界面中的应用,类似窗口、图标、菜单和鼠标等可视化对象都是人与计算机交互中的最重要元素.
计算机图形学应用于仿真领域.当计算机图形系统不断得到发展,能够实时的生成复杂的图像时,研究人员开始将其应用在飞行模拟等仿真器上.
计算机图形学应用于计算机动画.飞行仿真器的研制的成功促使人们把计算机图形学应用到电视、电影和广告行业.利用传统手工动画技术与计算机图形学相结合可以创造出兼具艺术和技术性的动画效果,非单一技术可实现.
二、计算机动画
计算机动画通常指动画场景中任何随时间而发生的视觉变化.不但可以随时间进展通过平移、旋转来改变对象的位置,还可以随时间的进展而改变对象的大小、颜色、透明度和表面纹理等.就计算机动画产生而言,对象的改变为直接手段,间接的计算机还可以通过改变照相机的参数,如照相机的方向、焦距和位置而产生,甚至可以是通过改变光照效果和其他参数以及照明和绘制过程,影响人的视觉系统,来产生计算机动画.计算机生成的动画有其鲜明的外观特性,但我们可以利用计算机图形学技术生成照片级的真实感的图像.
三、计算机图形学如何实现计算机动画图像的真实感
现代计算机图形系统中,我们充分利用计算机软/硬件性能,生成具有真实感图像效果的三维对象,实现逼真的动画效果,具体涉及光照、明暗处理和材质等多方面的处理.
1.光照
计算机生成的图像属于人工合成图像,客观上并不存在,由于计算机图像的成像方法与传统的照相机和人眼视觉系统成像方法类似,因此,无论采用的是物理还是数学方法,在计算机图像生成过程中,观察者和被观察者都是不可或缺的,两者均为对象,任何一个图像处理系统都必须提供一种从对象到图像的变化方法,为了生成一幅图像,观察者相当于照相机,我们通过规定观察者与被观察者间的空间位置,得到一幅二维图像,成像的前提就是光照,在没有光照的情况下,所有对象都是黑的.因此,我们需要光源,光源发出的光线照射到物体表面,一部分光线从表面反射,穿过透镜进入到照相机,光与对象表面的相互作用决定了光线进入到照相机的量,maya等三维动画制作软件中会涉及到光线跟踪,光线跟踪或光子映射就是一种基于上述思想的图像成像技术,是计算机图像成像技术的理论基础,利用光线跟踪方法可以模拟任意场景中的任意物体的物理效果.光源有四种基本类型：环境光、点光源、聚光灯、和平行光.
2.明暗处理
在明暗处理方法上可以有平面明暗处理法、插值或Gouraud明暗处理法和Phong明暗处理法.
在观察强光的递增序列时,由于人眼的视觉神经和锥状细胞连接方式,我们会在光强阶梯变化的一侧感觉到亮度的正向尖峰效果,而在另一侧感觉到亮度的负向尖峰效果,我们会在图像的边缘看到条纹效果,这种现象被称为马赫带效应.除了在多边形边缘不会产生较差的比较平滑的明暗处理方法外,我们无法避免马赫带效应.例如平面明暗处理法和Gouraud明暗处理模型得到的光滑的明暗效果,都是不可避免的会产生马赫带效应.
3.材质
计算机动画真实感的关键要看材质.材质附着在模型表面,为模型增加质感和色彩,所谓的材质包含两层含义,一方面是材,另一方面是质,材既是素材,它是附着在模型表面后形成的纹理,例如,衣服上的油污、金属表面上的划痕、生锈金属上的锈渍等.质既是质感,它是指物体本身原始的材料属性,如木材、钢铁、布料等物体本身的质感.材,在计算机三维动画制作软件maya中称为纹理.就计算机图形系统而言,纹理就是图案,纹理可以是棋盘格图案这种的简单、规则图案,也可以是天然物质那种复杂图案.纹理可以是一维、二维、三维或四维的,我们凭借对象的不同纹理,辨认对象.由于在计算机图形学中表面占有重要地位,因此,最常用的纹理映射方法当属二维纹理映射.纹理映射都要求在三维或四维坐标系之间建立映射关系,在建立映射的不同阶段,要用到不同的坐标系,如屏幕坐标系、世界坐标系、纹理坐标系、参数坐标系.纹理映射的方法随绘制结构、表面类型的不同而不同.纹理以二维图像数组形式出现,可以是由应用程序生成的,也可以是由照片扫描输入的,以数组的形式存在处理器内存里,我们称这些数组的基本元素为纹理基本元素或纹素,纹理映射就是把一个连续的二维矩形区域纹理图案上的单值点映射到几何对象上的某一个点上,几何对象的该点又映射到屏幕坐标上的一点作为显示输出.