学习笔记：《数字媒体技术概论》-5/10 计算机图形与动画技术-中国大学慕课公开课

已于 2022-07-26 12:18:42 修改
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分类专栏： 数字媒体技术概论 文章标签： 媒体 学习 视频 传媒
于 2022-07-26 10:36:12 首次发布
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本文深入探讨了计算机图形学的基础概念，包括色彩模型（RGB、CMYK、HLS/HSB、Lab）、光照模型（Phong、漫反射、镜面反射）、动画制作过程（关键帧、计算机动画技术），以及光照与纹理映射技术。

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目录

第五章 计算机图形与动画技术

5.1-计算机图形学概念

5.3-色彩

5.4-光照模型与纹理映射

5.5-动画基本概念

5.6-动画的制作

5.7-常见的动画技术

第五章 计算机图形与动画技术

5.1-计算机图形学概念

  1. 定义：通过计算机将信息、数据转换为图形，并在专门显示设备上显示原理、方法和技术的学科
  2. 目标：通过图形/几何的方式来表示/展示一些问题和信息（观察-->问题-->几何-->图像）
  3. 内容体系
    1. 基础模块
      1. 向量、矩阵、齐次坐标和几何变换等数学工具
      2. OpenGL、Direct3D等图形API
      3. 图形输出设备与输出技术的简单基础知识，如光栅显示器基本原理、颜色处理与颜色模型
    2. 建模与表示模块
      1. 概念：利用图形方式表示现实/虚拟世界的对象与信息
      2. 操作：在计算机中，通过坐标、连接关系所对应的几何信息与拓扑信息来表示
    3. 绘制模块
      1. 概念：可视化过程
      2. 操作：将数字几何模型转换为直观形象的图形/图像形式
      3. 过程
        1. 应用程序：给图形系统提供几何模型信息
        2. 几何处理：几何图元处理（插值）、投影、裁剪
        3. 像素处理：光栅化、像素着色
  4. 相关学科
    1. 图像处理：图像➡️图像
      1. 概念：客观世界物体影像 --> 数字化图像的相关技术
      2. 例子：图像压缩/复原/增强
    2. 模式识别：图像➡️数据
      1. 概念：用计算的方法模拟人类的视觉系统，从图像中提取相应的数据特征
      2. 例子：文字/语音/人脸识别
    3. 计算几何：模型➡️模型
      1. 概念：方便、灵活、有效建立几何形体的数学模型，以及在计算机中更好存储和管理这些模型数据
    4. 计算机图形：数据➡️图形
计算机图形学过程—实例
计算机图形学—流程图
计算机图形学任务

5.3-色彩

  1. 光/电磁波中的一部分范围：能产生色觉的光
  2. 人能感受到的光/可见光：380纳米～780纳米，太阳光属于可见光
  3. 电磁波按照波长分类：Gamma --> X射线 --> 紫外线 --> 可见光 --> 红外线 --> 雷达波 --> FM（调频广播） --> TV --> 短波 --> AM（调幅广播）
  4. 色彩3属性
    1. 色度/色相 Hue：每种颜色都有自己独特的色相，区别于其他颜色
    2. 亮度/明度 Lightness/Brightness/Value：明度是辨别色彩明暗的程度。有彩色系-——两种情况:
      1. 各种色相之间的明度差别，同样的纯度，黄色明度最高，蓝色最低，红绿色居中
      2. 同一色相的明度，因光量的强弱而产生不同的明度变化
    3. 饱和度/纯度 Saturation/Chroma：色彩的饱和度或纯净程度，也就是一种色彩中所含该色素成分的多少，含的越多，纯度就越高，越少则纯度就越低
      1. 加入白色，加入越多，纯度越低，趋向粉色
      2. 加入黑色，加入越多，纯度越低，趋向灰色
      3. 加入对比色，加入越多，纯度越低，趋向灰色
  5. 混色模型

    1. 加法混色模型RGB：电视机、显示器

      1. 白色的光线由红绿蓝三原色加色产生的

      2. 原色意味着他们可以产生其他不同的色彩

    2. 减法混色模型CMYK：绘画、印刷

      1. 当彩色的墨水/墨粉打印在页面上，则发生减色过程，因为颜料吸收（减去）了其他颜色的波形

  6. 色彩模型

    1. HLS/HSB色彩系统

      1. 概念：是工业界的一种颜色标准，通过对色相(H)，饱和度（S），亮度（L）三个通道的叠加来获得各种各样的颜色

      2. 运用最广泛的颜色系统之一

    2. RGB/CMYK系统

    3. Lab系统

      1. 是国际照明委员会指定的色彩模式

      2. 色彩空间比RGB空间大

      3. L: Lightness，亮度数值，从0到100；a：红色和绿色两种原色之间的变化区域，数值从-120到+120；b:黄色到蓝色两种原色之间的变化区域，数值从-120到+120

  7. 色彩的对比和感觉

    1. 色彩的对比

      1. 边缘对比：两种颜色在对比时，它的边缘部分对比效果最强烈，尤其当两种颜色互为补色

      2. 色度对比：在色彩三属性中以色度/色相差异为主形成的对比

      3. 亮度对比：在色彩三属性中以亮度差异形成的对比。同一种颜色在白底商会显得更亮，在黑底上会显得更暗

      4. 饱和度对比：在色彩三属性中以饱和度差异形成的对比。同一种颜色在饱和度低的背景上会显得更鲜艳，在饱和度高的背景下会显得浑浊 

    2. 色彩的感觉

      1. 色彩的视认性

        1. 概念：在一定背景颜色下，在多长距离范围内能够看清楚的程度

        2. 最大影响因素：色彩和背景之间的亮度差

          使用黑色背景时，很多人都会采用白色的文字，文字看起来很清晰，但是如果采用蓝色或其他颜色，读者就要凑近一点仔细辨认才能看清楚。这就是明度差造成的差别。

      2. 色彩醒目性

        1. 概念在色彩设计中，经常要某些部分色彩特别突出，例如：路边的交通警示牌，路边标志等

        2. 🆚 色彩视认性：醒目性和视认性有一定的联系，但又不大相同。有些色彩容易引起人们的心理反应，能从多种色彩种显出醒目的效果。醒目性高的：

          1. 明亮的、纯度高的、暖色调

          2. 接近补色关系的配色醒目性大

      3. 色彩的进退：色彩不同，观察的时候会有不同的距离感。比如：黄色在白色背景下好像在很后面，但是在灰色和黑色背景下好像就比较前面

      4. 色彩的涨缩：同样大小和形状的色彩，看上去会有大小不同的感觉

        1. 收缩色：看起来比实际小的颜色

        2. 膨胀色：看起来比实际大的颜色

      5. 色彩的冷暖：以紫色和绿色两个中性色为界，可以分为暖色系和冷色系，中性暖色和中性冷色用于配色的时候可以起到协调的作用

      6. 同化现象：比如：在灰色背景上画黑色，灰色看起来就更黑一些；在灰色背景上画黑色，灰色看起来就白一些

      7. 色彩的面积效应

        1. 同一种颜色，当它的面积更大时，它的亮度和饱和度就显得越强；面积越小，亮度和饱和度就显得越低

        2. 面积越大，亮色显得越轻，暗色显得更重

电磁波按波长分类

色彩模型-HLS色彩系统
色彩模型-RGB、CMYK色彩系统
色彩模型-Lab色彩系统

色彩的对比
色彩的感觉—色彩的视认性、色彩的醒目性
色彩的感觉—色彩的冷暖、色彩的同化性
色彩的感觉—色彩的面积效应

5.4-光照模型与纹理映射

  1. 光照模型
    1. 概念：在计算机图形学中为表达自然光照现象，需要根据光学物理的有关定律建立
      一个数学模型去计算景物表面上任意一点投向观察者眼中的光亮度的大小
    2. 包含因素，如：
      1. 物体
        1. 透明程度：透明/不透明
        2. 表面：粗糙/光滑
        3. 表面纹理
        4. 相对于光源和其他物体的位置
      2. 光源：不同颜色、形状、位置的光源
  2. 基本光学原理
    1. 概念：光照到物体表面，物体会对光发生反射、透射、吸收、衍射、折射、干涉
    2. 入射光=反射光+吸收光+漫射光+透射光
      基本光反射模型
  3. 简单反射模型
    1. 假设        
      1. 光源是点光源
      2. 物体不透明，模拟光照射到物体表面产生的反射现象
    2. 入射光=漫反射光+镜面反射光+环境光
      1. 环境光
        1. 概念：指光源间接对物体的影响，是在物体和环境之间多次反射，最终达
          到平衡时的一种光
        2. 特点：光强分布是均匀的，它在任何一个方向上的分布都相同
      2. 漫反射光
        1. 概念：漫反射光光照射到粗糙、无光泽表面的光现象
        2. 特点：来源一个方向，向各个方向反射
        3. 假设
          简单反射模型

          1. 各个方向的反射相同
          2. 任何方向的亮度相同
      3. 镜面反射光
        1. 概念：当观察一个光照下的光滑表面，特别是有光泽的表面时，可能在某个方向上看到很强的高光，这个现象称为镜面反射
        2. 在正常情况下，光沿着直线传播，当遇到不同的介质表面时，会产生反射和折射现象，光在反射和折射时，遵循反射定律和折射定律。
  4. Phong光照模型
    1. 概念：只考虑物体对直接光照的反射作用，认为环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光，物体间的反射光只用环境光表示
    2. 类型：属于简单光照模型。
  5. 明暗度处理模型

    1. wireframe model：绘制物体线框，包括组成物体的点、直线和曲线，视图之间保证正确的投影关系
    2. solid model：是一个三维的三角网数据
    3. flat shading：最简单快速的着色方法，每个多边形都会被指定一种单一而没有变化的颜色
    4. ground shading：平滑着色方式，对3D模型各顶点的颜色进行平滑、融合处理，同时将多边形着上较为顺滑的渐变色，使外观具有更强的实时感和立体动感 
      明暗度处理模型
  6. 透明与阴影
    1. 透视/透明
    2. 阴影：通过阴影提供物体位置和方向信息，反映物体之间的相互关系，增加图形图像的立体效果和真实感
  7. 纹理映射技术
    1. 概念：物体表面的各种细小结构和图案花纹
    2. 纹理分类
      1. 按纹理定义域：二维/三维纹理
      2. 按纹理表现形式：颜色/几何/过程纹理
        1. 颜色纹理：呈现在物体表面上的各种花纹、图案和文字等，如大理石等
        2. 几何纹理：基于景物表面微观几何形状的表面纹理，如树干、岩石等

          物体表面只是被绘制粗糙的花纹图案，但看起来仍是光滑的

          粗糙表面不同于光滑表面，其法矢量具有一个比较小的随机分量，可以在光滑表面上使它的法矢量进行扰动，然后可以有一定的随机分量，这样光线反射的时候会产生一个随机特征，使物体表面达到粗糙效果

        3. 过程纹理：各种规则或不规则动态变化的自然景象，如火焰、烟雾等
  8. 环境映射：本质上是一种颜色映射技术 更好建立光照阴影与表面高度之间的映射关系，从而模拟真实环境
环境映射—模拟水波纹效果

5.5-动画基本概念

  1. 负片：影响与实际色彩恰好相反的胶片，类似今天的普通胶卷底片。使用负片制作影片，从根本上解决了影片载体的问题        
  2. 计算机动画特点
    1. 动画过程经过电脑的运算和处理
    2. 提供关键帧的创作工具
    3. 中间插画自动生成
    4. 电脑动画以文件形式保存
  3. 计算机动画的发展
    计算机动画的发展

5.6-动画的制作

  1. 传统动画的制作
    1. 产生类型：主要生产二维卡通动画片
    2. 当物体受到外力作用时，必然受到形体上的一个压缩和伸展，动画上利用压扁和伸长的手法来夸大这种形体上的改变程度以加强动作上的张力和弹性，从而表现受力对象的质感重量以及角色情绪上的变化
  2. 计算机动画的制作
    1. 分类
      1. 帧动画
      2. 平面动画：以传统平面绘画为基础的动画
      3. 颜色动画：形成颜色流动效果的动画
      4. 变形动画：形成主体变形效果的动画
      5. 矢量动画：经过电脑运算而确定运行轨迹和形状的动画
      6. 空间动画：形成三维造型而进行空间运动的动画
    2. 应用
      1. 表现在帧的制作上，制作关键帧，自动形成插补帧 
      2. 促进三维造型技术的发展：着色、拍摄、后期制作
  3. 关键帧技术
    1. 概念：给需要动画效果准备一组与时间相关的帧，而其他时间帧中的值，可以用这些关键帧计算得到，从而达到比较流畅的动画效果
    2. 关键帧以及背景画面可以用摄像机扫描仪/数字化仪实现数字化的一个输入，用扫描仪输入铅笔原画，再用电脑生产流水线后期制作，也可以用相应软件直接绘制​​​​​​​
    3. 关键帧及背景动画可以使用摄像机、扫描仪、数字化仪实现数字化输入，用扫描仪输入电脑原画，再用电脑生产流水线后期制作，也可用相应软件直接绘制
    4. 关键帧技术—第1帧和第8帧为关键帧
  4. 电脑辅助动画的主要优点：利用电脑对两幅关键帧进行插值计算，自动生成中间画面

5.7-常见的动画技术

  1. 计算机动画的主要技术与方法
    1. 关键帧动画
    2. 路径动画
    3. 人物动画
      1. 难点1：动作模拟
        1. 传统方法：将三维计算机模型与图像处理技术结合，运动模式非常复杂
        2. 简单方法：利用传感器记录真人的实际行动，从而模拟真人人体运动
      2. 难点2：人脸造型
        1. 创建有自然观感的人脸皮肤
        2. 方法：使用三维扫描仪(3D scanner) 和编码光距离传感器(coded light range
          sensor)是获得人脸几何形状最直接的方法，这两种方法都是依据三角测量学原理
    4. 变形动画
    5. 过程动画
      1. 概念：动画中物体的运动/变形用一个动画描述
      2. 最简单的过程动画是用一个数学模型去控制物体的几何形状和运动，如：水波的运动
    6. 运动捕捉
      1. 概念：通过分析人体运动序列图像来提取人体关节点的三维坐标，获得人体运动参数，经过后期处理在计算机上重现这些运动数据，并将人体运动克隆到不同的虚拟人像上获得完全真实的人体动画
    7. 粒子动画
      1. 概念：将随机景物想象成由大量的具有一定属性的粒子构成，每个粒子都有自己的粒子参数，这些参数决定了随机景物的变化，使用粒子系统可以产生很逼真
        的随机景物
      2. 随机景物，如：火焰、气流、瀑布等
      3. 粒子参数，如：初速度、加速度、周期等
    8. 群体动画
    9. 三维扫描    
      1. 扫描立体实物，获得其全方位三维信息，输出的是对象的三维彩色模型

  若笔记有误，恳请批评指正🥬

数字媒体技术概论_中国传媒大学_中国大学MOOC(慕课)数字媒体技术概论,spContent=以数字媒体、网络技术与计算机技术相融合而产生的数字媒体技术，已经成为最热门的研究领域之一。如果你想了解数字媒体技术的奥妙，并想从事数字媒体技术相关的工作，请加入我们吧！让我们一起共同领略数字媒体技术的魅力，打下坚实的数字媒体技术基础。,中国大学MOOC(慕课)https://www.icourse163.org/learn/CUC-1206705818?tid=1460872446#/learn/announce

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