CN1083650A

CN1083650A - 微机动画制播系统

Info

Publication number: CN1083650A
Application number: CN 92107114
Authority: CN
Inventors: 李彦; 张骏; 胡衡江; 唐振初; 万良君
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 1992-08-31
Filing date: 1992-08-31
Publication date: 1994-03-09

Abstract

一种微机动画制播系统，属于计算机动画片制作和图象处理技术领域。本发明的特征是在普通微机环境下，结合一系列计算机图象处理技术，进行动画图片的制作和编辑，再通过PAL合成器将图象信号直接变为PAL电视信号，可进行播放和录制。制作方法模拟传统动画制作工艺流程，可制作高质量的三维动画。本发明经济实用，易于普及推广，可广泛应用于制作动画片、广告片、科教片和进行模拟训练等方面。

Description

本发明属于计算机动画片制作和图象处理技术领域。

目前动画片已广泛应用于电视节目制作、电化教学、广告设计、模拟训练等许多方面，然而传统的动画制作方法非常落后。首先由美工画出全部动画环节的铅笔稿，再一张一张地描到透明胶片上并着色，最后用编辑机进行后期编辑而成，这样拍摄一部动画片往往要化费许多人力、物力和财力，并且制作周期相当长。

计算机和图象处理技术的飞速发展给动画制作开辟了崭新的前景，现已出现了多种计算机动画制作系统，这些系统一般都强调尽可能提高动画画面生成的自动化程度，如用算法构造实体模型，根据变化参量控制模型产生运动，从而获得动画效果。这种方法的制作效率高，效果也相当好，但也有不足之处，一是对于处理运动复杂和运动量大的实体模型时，为了获得连续的动画效果，就必须有巨型机、中小型机或专用图形硬件支持的工作站等高档硬件环境支持，其目的在于利用主机的高速处理能力进行高速图象处理。如主机采用Cray、Alliant等超级计算机，或是SGI、SUN等高档工作站，这些系统能产生相当好的三维动画效果，但成本昂贵，远超过了一般用户的承受能力，即使是目前开始出现的一些微机动画系统，主机仍采用了高档微机，如Macintosh型、PC/486型微机，成本仍然很高，其通用性和普及性都不能令人满意。总之，这种由主机完成动画图形的构成、运动和加工处理等一系列功能的系统，决定了主机的档次要高，成本也就高。二是对用户要求较高，要求用户具有较强的计算机编程能力和一定的图象处理知识，另一方面，由于这种动画制作方法与传统的动画创作方法大不相同，使得制作者初期难以适应。三是目前的动画制作系统和方法较适合于制作规范图形的三维动画，不利于制作者进行随意性的创作。

例如美国“NacroMind Diretor”系统，是二维动画系统，售价14万元，主机为“MacinoshⅡ”型，不易开发和维护，主机不通用，难以为多数用户采用。又如金星公司今年由美国引进的《TV9030动画创作系统》，售价15万元，主机为PC486型，适合于制作规范图形的三维动画，成本非常高，特别是它不适宜美工随意创作传统动画，而且目前这种主机在影视或电教部门也不普及。

本发明的目的在于：采用普通的微型计算机作为主机，提供一种经济而实用的微机动画制播系统，集动画素材创作、动画序列编辑和播放于一体，其制作方法是将传统动画制作规范与计算机图象处理技术相结合，既强调美工自由作画与编辑环境，又大大提高制作效率，获得高质量的三维动画效果，并缩短制作周期。

本发明的硬件结构如图1所示。整个系统由主机（1）、图象处理板（2）、PAL合成器（3）、制作屏（4）、矢量汉卡（5）、录相机（6）、演播屏（7）、鼠标器（8）、数字化仪（9）和扫描仪（10）等部分组成。其中主机（1）采用普通的微型计算机系统，例如IBM PC机或其兼容机，图象处理板（2）和矢量汉卡（5）均插在主机（1）机箱内的扩展槽中，与主机（1）的总线相联，图象处理板（2）采用图象处理专用芯片做为CPU，输出RGB图象信号S₁、同步信号S₃和KEY信号S₂到PAL合成器（3），同时又将RGB图象信号S₁送到制作屏（4）供显示制作效果，PAL合成器（3）生成视频输出信号S₅分别送到录相机（6）和演播屏（7）。具体说明如下：

主机（1）作为人机对话的接口使用，包括主机箱、屏幕、键盘，可接受来自各种输入设备的信号和数据，控制整个系统实现画面的制作和播放，其中屏幕主要显示操作提示内容。图象处理板（2）采用图象处理专用集成电路芯片做为CPU，在实施例中，采用了TMS34010芯片，另配有帧存贮器（存贮一帧图象的象元信息）和内部存储器，图象处理板（2）具有高速图象加工和传送能力，在本系统中所有图形产品的生成、处理和播出都是由图象处理板（2）完成，它输出RGB图象信号S₁、Key信号S₂和同步信号S₃到PAL合成器（3），同时又将RGB图象信号S₁送到制作屏（4）供显示制作效果。在整个制作过程中，图象处理板（2）受主机（1）的控制，可与主机（1）进行流水线并行处理，完成大量的数据处理和传送;已编辑好的动画序列的图象数据也要装入图象处理板（2）并由它控制画面的播放。正是因为图象处理板（2）具有高速图象处理功能并能完成主要的图象处理任务，才使得主机（1）采用普通微机成为可能。

图1中的PAL合成器（3）的结构如图2所示，它是由锁相环电路（11）、同步发生电路（12）、编码电路（13）和混合电路（14）构成，其中锁相环电路（11）受同步发生电路（12）的控制，产生一个时钟信号S₄，输出到图象处理板（2）。PAL合成器（3）主要是将图象处理板（2）传送来的RGB图象信号S₁转换成PAL电视信号，亦即视频输出信号S₅，并分别送到录相机（6）和演播屏（7）。

鼠标器（8）或数字化仪（9）是作为软件功能选择和绘图工具使用的，用数字化仪（9）可以高精度地绘制或描入图片。扫描仪（10）可直接将图片原稿通过扫描输入到主机（1）以提高图片前期输入速度。矢量汉卡（5）包含了汉字操作系统，使得系统在进行动画制作时具备汉字提示和制作文字画面的功能，能产生黑体、楷体、仿宋体、宋体四种汉字字体和多种英文字体的各种点阵。汉字输入方法包括区位、简拼、全拼和五笔等几种。汉字可任意缩放并与图片迭加。

制作屏（4）是一台RGB信号监视器，用于将图象处理板（2）输出的RGB图象信号S₁，亦即计算机动画制作效果显示出来。由于PAL合成器（3）输出的视频输出信号S₂是电视信号，演播屏（7）将此信号显示出来，也就是本系统的最终制作效果，演播屏（7）可采用普通的电视机。录相机（6）则将制作效果录制成片。

另外，在图象处理板（2）上还提供了一种摄象机的接口，使本系统具备用摄象机输入人工绘制图片和实景画面的功能。

本发明所采用的动画制作方法是模拟传统动画工艺流程，将传统动画制作和微机技术结合起来，既大大提高了动画的制作效率和质量，又符合传统动画制作规范，并有利于制作者进行随意性的创作和发挥。整个制作过程叙述如下：

a）人工进行图片黑白底稿设计。

b）对于以计算机为工具自由设计的画面，以及利用数字化仪（9）、扫描仪（10）将人工绘制的黑白图片输入到主机（1）所得到的画面，通过编排可在制作屏（4）上观察到画面连续显示的动画效果，即快速地预审设计原稿的流畅性，避免着色后重复修改。

c）在主机（1）上进行图片绘制所需颜色的调配，制作者可以从1600万种颜色中任选256色同屏显示。

d）对不合适的局部画面可进行修改，再将画面进行着色处理。本系统的软件提供大量强有力的工具使得操作方便而有效。其中包括直线、园、椭园、矩形、笔型宽度、颜色填充、橡皮、文字、平移、变焦、旋转、喷枪等基本图形工具，还有颜色梯度填充、局部放大和翻转等专业图形工具。

e）进行多画面的迭加和画面上迭加汉字。

f）对一个内部形状不变的物体的二种状态之间可按指定的轨迹产生中间画面。

g）由制作者在主机（1）上按时间和空间顺序自由地进行直观高效的动画序列编辑。包括图片的记录、整理、编辑和排序。可在屏幕上对图片进行多层迭加和帧间编排，软件还提供了单张粘贴、连续粘贴、自动插补、键盘编辑等记录方法，以及移动、拷贝、清除、扦入、删除记录等修改方法，还可直接设置帧间循环、节奏、划变等效果。

h）将编辑好的动画序列在制作屏（4）上播出，获得连续的动画效果，通过PAL合成器（3）实现信号合成后，可直接由录相机（6）将制作效果录制成动画片，制作者通过演播屏（7）观看实际播放效果。

为了在普通微机环境下获得理想的动画效果，在以上叙述的制作方法中采用了一系列旨在提高画面图象编辑效率和播放质量的动画图象处理技术。

本发明采用了双帧处理方法，即从图象处理板（2）的存贮器空间中划分出两块完全对应屏幕尺寸大小的存贮空间称为帧缓（0）和帧缓（1），分别存储动画图象数据，以便于图象的加工、编辑和显示。通过对双帧数据不同的处理方式，实现几种不同的功能，现将该方法的几种具体应用叙述如下：

1、用套马索算法对屏幕图形中一个任意形状的区域进行移动或拷贝，具体过程是，第一步，是用轮廓线选择所需移动或拷贝的区域，再求其最小外接矩形。其中轮廓线可由鼠标器（8）在屏幕上勾画出来。第二步，将当前屏幕图形以帧缓（0）存储，以帧缓（1）存储第一步已选择的区域、轮廓线及其最小外接矩形，并将矩形线和轮廓线之间的区域填充以“0”色。第三步，在异或方式下，移动帧缓（0）（亦即屏幕）上的轮廓线到目标位置，再将帧缓（1）中的图拷贝到帧缓（0）上的目标位置，这样完成了任意区域的拷贝。如果再清除原区域，则完成了区域的移动。

2、采用双帧切换方法来消除播放画面时的屏幕闪烁现象。由于图象处理板（2）传送数据的速度有限，因此播放一个较大画面时，不能在一个垂直扫描周期内完成，必须出现屏幕闪烁现象，这样产生的动画实际上是不能用的。双帧切换方法的过程是，当加工帧缓（0）时，屏幕显示帧缓（1）的数据，当帧缓（0）加工完毕后，屏幕切换到帧缓（0）显示，同时又开始加工帧缓（1）。由于屏幕切换只需占一个指令周期，可以忽略，这样就可将数据加工过程隐藏起来进行，避免了屏幕的闪烁现象。

3、采用延时控制切换方法实现动画图象的匀速播放。按照通常双帧切换方法，一旦某一帧缓加工完毕，就立即将屏幕切换到该帧显示，这样，由于各帧画面的复杂程度不一，所播出的动画速度必然是不均匀的，难以达到理想的效果。延时控制切换方法具体来说，当图象处理板（2）加工某帧图象数据时，向主机（1）发送其帧号，然后开始加工，而主机（1）接收到这一新的帧号后，即开始按设定的帧间间隔时间进行时钟计数，计数满后向图象处理板（2）发出一个帧切换允许命令，将已加工完毕的某帧图象数据切换到屏幕显示，这样帧与帧之间的时间间隔就是一致的，从而达到动画的匀速播放效果。

4、采用帧间拷贝方法实现屏幕显示画面的拉动。包括向左、向右、向上、向下、从中间向左右、从中间向上下等拉动方式。具体来说，先设置帧缓（0）为当前显示帧，再把拉动完成后将要显示的下一帧图象送到帧缓（1），待帧缓（1）加工完毕，将帧缓（1）中图象按拉动方向和拉动速度分成条，根据拉动速度选择每一条的宽度，然后从帧缓（1）向帧缓（0）逐条拷贝，这样在屏幕上就可以看到下一幅图象以向某个方向拉动的方式逐渐覆盖的过程。

本发明采用键帧动画算法，对一个内部形状不变的物体的二种状态之间可按指定轨迹产生出中间画面。状态参数包括位移P、比例S和角度θ，其中P＝｛X，Y｝，S＝｛SX，SY｝，θ＝｛θ｝，设状态矢量Q＝｛P，S，θ｝

设起点和终点的状态分别为：

Q（O）＝｛P（O），S（O），θ（O）｝和

Q（N）＝｛P（N），S（N），θ（N）｝

可计算出缺省轨迹时各点状态为：

Q（i）＝Q（O）+[Q（N）-Q（O）]/N·i

（i＝1，2，……，N-1）

也可以用鼠标器（8）在屏蔽上直接设定位移分量P（i）。

通过对位移分量的设置，可以改变插补轨迹为任意曲线，并控制物体的运动速度。这样，就可以构造出一系列中间画面。

本发明采用了一种用于对一封闭平面图形区域填充一种渐变颜色的方法。

一般的图形区域着色就是对本区域填充一种单一色彩，然而在制作动画图片的过程中，为了使图片生动、逼真、真实感强，单一色彩的区域填充难以满足艺术要求，因为客观世界的许多东西，色彩都相当丰富。例如，一幅大海的画面，从大海的深处到浅处，海面的颜色由深兰色渐变到浅兰色;又如太阳升起时，东方映红的天空的颜色是从火红色渐变到淡黄色。本发明正是针对这一需要，采用了一种新型的渐变颜色的梯度填充方法，具体过程如下：

第一步，确定一个颜色渐变方向，指定起始颜色和终止颜色。第二步，从选定的封闭区域内找出某个象素点做为种子点，从种子点开始扫描，求出封闭区域的最小外接矩形。第三步，按颜色渐变方向、矩形尺寸、起始颜色和终止颜色计算出颜色的渐变步长。计算公式为：

颜色渐变步长＝矩形宽（或高）/[（终止颜色号）-（起始颜色号）]

第四步，再次从种子点开始扫描，按颜色渐变步长填充不同层次的颜色。

这一方法为计算机艺术图形的产生提供了一种有力的手段。

综上所述，本发明是在普通微机环境下研制的一套能与电视设备直接配套的微机动画制作与播放系统，集动画素材创作、动画序列编辑与播放于一体。整套系统成本远低于已有的同类产品，性能价格比高，经济实用，易于普及推广，制作过程模拟传统动画工艺流程，强调美工自由作画与编辑环境，这样既结合了我国国情，又大大提高了动画片的制作效率，缩短了制作周期;输出图象清晰稳定，色彩丰富，并通过运用大量的图象处理技术获得了高质量的三维动画效果。这套系统是制作动画片、广告片、科教片和进行计算机模拟训练等理想的工具，有着广阔的应用前景以及较好的经济效益和社会效益。

Claims

1、一种微机动画制播系统，它是由主机(1)、图象处理板(2)、PAL合成器(3)、制作屏(4)、矢量汉卡(5)、录相机(6)、演播屏(7)、鼠标器(8)、数字化仪(9)和扫描仪(10)等部分组成，其特征在于，主机(1)采用普通的微型计算机系统，图象处理板(2)和矢量汉卡(5)均插在主机(1)机箱内的扩展槽中，与主机(1)的总线相联，其中图象处理板(2)采用图象处理专用芯片做为CPU，输出RGB图象信号S₁、同步信号S₃和KEY信号S₂到PAL合成器(3)，同时又将RGB图象信号S₁送到制作屏(4)供显示制作效果，PAL合成器(3)生成视频输出信号S₅分别送到录相机(6)和演播屏(7)。

2、根据权利要求1所述的微机动画制播系统，其特征在于，PAL合成器（3）是由锁相环电路（11）、同步发生电路（12）、编码电路（13）、混合电路（14）构成。

3、根据权利要求1或2所述的微机动画制播系统，其特征在于，PAL合成器（3）中的锁相环电路（11）受同步发生电路（12）的控制，产生一个时钟信号S₄，输出到图象处理板（2）。

4、根据权利要求1所述的微机动画制播系统，其特征在于动画制作和播放方法中含有以下步骤：

a）人工进行图片黑白底稿设计。

b）对于以计算机为工具自由设计的画面，以及利用数字化仪（9）、扫描仪（10）将人工绘制的黑白图片输入到主机（1）所得到的画面，通过编排可在制作屏（4）上观察到画面连续显示的动画效果，即预审设计原稿的流畅性。

c）在主机（1）上进行图片绘制所需颜色的调配。

d）修改画面，并进行画面的着色。

e）进行画面的迭加和在画面上迭加汉字。

f）对一个内部形状不变的物体的二种状态之间可按指定轨迹产生出中间画面。

g）按时间和空间顺序由制作者自由进行动画序列编辑。

h）将编辑好的动画序列在制作屏（4）上播出，获得连续的动画效果，再通过PAL合成器（3）实现信号合成后，直接由录相机（6）录制成动画片。

5、根据权利要求4所述的微机动画制播系统，其中所述的动画制作和播放方法包含了一系列旨在提高画面编辑效率和播放质量的动画图象处理技术，其特征在于采用了双帧处理方法，即从图象处理板（2）的存贮器中划出两块完全对应屏幕尺寸大小的存贮器空间，称为帧缓（0）和帧缓（1），分别存贮动画图象数据，以便于图象的加工、编辑和播放。

6、根据权利要求4或5所述的微机动画制播系统，其特征在于其中所述动画制作和播放方法中包括采用套马索算法对屏幕图形中一个任意形状的区域进行移动或拷贝，具体包含下列步骤：

（1）用轮廓线选择所需移动或拷贝的区域，再求出其最小外接矩形。

（2）将当前屏幕图形以帧缓（0）存储，以帧缓（1）存储步骤（1）已选择的区域、轮廓线及其最小外接矩形，并将矩形线和轮廓线之间的区域填充以“0”色。

（3）在异或方式下，移动帧缓（0）上的轮廓线到目标位置，再将帧缓（1）中的图拷贝到帧缓（0）上的目标位置，这样就完成了任意区域的拷贝。如果再消除原区域，则完成了区域的移动。

7、根据权利要求4或5所述的微机动画制播系统，其特征在于其中所述的动画制作和播放方法包括采用双帧切换方法来消除播放画面时的屏幕闪烁现象，具体来说，当加工帧缓（0）时，屏幕显示帧缓（1）内容，当帧缓（0）加工完毕，屏蔽显示切换到帧缓（0），同时又开始加工帧缓（1）。

8、根据权利要求4或5所述的微机动画制播系统，其特征在于其中所述动画制作和播放方法包括采用延时控制切换方法来实现动画图象的匀速播放，具体来说，当图象处理板（2）加工某帧图象数据时，向主机（1）发送其帧号，然后开始加工，而主机（1）接收到这一个新的帧号后，即开始按设定的帧间间隔时间进行时钟计数，计数满后向图象处理板（2）发出一个帧切换允许命令，将已加工完毕的某帧图象数据切换到屏幕上显示，这样帧与帧之间的时间间隔就是一致的。

9、根据权利要求4或5所述的微机动画制播系统，其特征在于其中所述的动画制作和播放方法包括利用帧间拷贝方法实现屏幕显示画面的拉动，包括向左、向右、向上、向下、从中间向左右、从中间向上下等拉动方式，具体来说，先设置帧缓（0）为当前显示帧，再把拉动完成后将要显示的下一帧图象送到帧缓（1），待帧缓（1）加工完毕，将帧缓（1）中图象按拉动方向和拉动速度分成条，然后从帧缓（1）向帧缓（0）逐条拷贝，这时屏幕上显示出下一幅图象以向某个方向拉动的方式逐渐覆盖的过程。

10、根据权利要求4所述的微机动画制播系统，其特征在于其中所述的动画制作方法中包含一种渐变颜色的填充方法，具体包含下列步骤：

a）确定颜色的渐变方向，指定起始颜色和终止颜色。

b）从选定的封闭区域内找出某个象素点做为种子点，从种子点开始扫描，求出封闭区域的最小外接矩形。

c）按颜色渐变方向、矩形尺寸、起始颜色和终止颜色计算出颜色的渐变步长。

d）再次从种子点开始扫描，按颜色渐变步长填充不同层次的颜色。