CN106780677B - 通过镜头运动背景分层处理模拟三维动画视觉效果的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过镜头运动背景分层处理模拟三维动画视觉效果的方法，首先分层绘制背景图片，测量每个背景图片在镜头居中、景深居中时在画面中的坐标，随后根据镜头在不同焦距、不同运动状态下，计算得出各层背景图片的缩放比例和拼接坐标，缩放各层背景图片后，逐层将各层背景图片，叠放在相应的坐标上，得到一个二维背景的过渡帧，连续播放过渡帧得到动态的背景动画。本发明计算得出镜头在不同的推、拉、摇、移等运动状态中的各个时间点下所有各层背景图片的缩放比例和拼接坐标，据此缩放和拼接得到的二维背景的过渡帧，连续播放这些过渡帧时通过二维图片实现了镜头移动时的三维动画的视觉效果。

Description

通过镜头运动背景分层处理模拟三维动画视觉效果的方法

技术领域

本发明属于动画制作技术领域，具体涉及一种在电脑动画中通过背景分层处理模拟三维视觉效果的方法。

背景技术

卡通动画有着广泛的应用领域，包括教育，广告，娱乐等。传统的卡通画制作分为：情节设计、细节设计、声音的录制、关键帧绘制、过渡帧绘制、背景绘制等主要步骤。传统2D卡通动画的背景制作流程决定了卡通动画的特点是：背景画面直接叠放，在表现摄像机的运动时，整体缩放背景图片、整体移动背景图片，由此产生背景图片的缩放、滑动效果，即：常规动画背景在镜头运动过程中均为2D视觉效果。如用3D渲染等技术来实现三维效果则会导致制作周期长、制作成本高昂，无法大规模推广应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种通过镜头运动时背景分层处理模拟三维动画视觉效果的方法，在镜头各种焦距、各种运动状态中，通过计算不同背景层的各个背景景物的图片在不同时间点上的大小、位置而拼接得到各层图片的过渡帧，连续播放后实现三维视觉效果。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种通过镜头运动背景分层处理模拟三维动画视觉效果的方法，包括如下步骤：

步骤A，分层绘制背景图片，背景图片至少为两层；

步骤B，测量每个背景图片在镜头居中、景深居中时在画面中的坐标；

步骤C，根据镜头在不同焦距、不同运动状态下，通过下述公式计算得出各层、各坐标的背景图片的缩放比例和拼接坐标，拼接得到各层背景图片：

步骤a，焦距为全景、镜头以Vy Pix/S的速度由左向右平移，在t秒时，某层背景图片的缩放比例为Ai％，该背景图片的坐标为：

X＝Xi-Vy*t*Ai％

Y＝Yi

Xi，Yi为该背景图片在上一帧的拼接坐标；在镜头反向即由右向左平移时，Y轴坐标公式不变，X轴坐标公式为：X＝Xi+Vy*t*Ai％

步骤b，初始焦距为全景、镜头以Vt％/S速度由远向近、朝画面中心点推进，在t秒时，某层背景图片的缩放比例为：

An％＝Ai％*(100％+Vt*t)

该背景图片对应的拼接坐标：

在镜头反向即由近向远拉出时，缩放比例公式为：An％＝Ai％*(100％-Vt*t)；该背景图片对应的拼接坐标：

步骤c，镜头以Vy Pix/S(像素/秒)速度由由右向左平移，同时以Vt％/S(百分之一/秒)速度由远向近、朝画面中心点推进，在t秒时各层背景图片的缩放比例为：

An％＝Ai％*(100％+Vt*t)

该背景图片对应的拼接坐标：

镜头以Vy Pix/S(像素/秒)速度由左向右平移，同时以Vt％/S(百分之一/秒)速度由远向进推进时该背景图片对应的拼接坐标：

镜头以Vy Pix/S(像素/秒)速度由左向右平移，同时以Vt％/S(百分之一/秒)速度由近向远拉出时该背景图片对应的拼接坐标：

镜头以Vy Pix/S(像素/秒)速度由右向左平移，同时以Vt％/S(百分之一/秒)速度由近向远拉出时该背景图片对应的拼接坐标：

步骤D，在每一帧下，将步骤C计算得到的各层背景图片，叠放在相应的坐标上，得到一个二维背景的过渡帧；

步骤E，得到镜头运动起止的所有过渡帧后，连续播放过渡帧，得到在三维空间中、镜头运动时产生的三维视觉效果。

进一步的，各层背景图片包括以下类型中的至少两种：无限远景、远景、全景、中景、近景。

进一步的，无限远景≥100KM，远景≥1KM，全景≥100M，中景≥50M，近景≥10M。

进一步的，无限远景背景图片的拼接坐标为：X＝0，Y＝0。

进一步的，无限远景背景图片的缩放比例始终为固定值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

首先对背景图片进行分层，为不同焦距、不同运动状态的镜头提供相应的计算公式，结合各层背景图片下缩放比例、原始坐标，得到不同的推、拉、摇、移等运动状态中的各个时间点下所有各层背景图片的缩放比例和拼接坐标，据此缩放和拼接得到的二维背景的过渡帧，连续播放这些过渡帧时，通过二维图片实现了镜头移动时的三维动画的视觉效果。

附图说明

图1为包括远景和近景两层背景的背景图片。

图2为包含有近景、远景两层景物的背景图片在镜头进行由左向右平移运动时得到的经过多层拼接后的各帧背景图片。

图3为包含有近景、远景两层景物的背景图片在镜头由远向近推进时得到的各帧经过多层拼接后的各帧背景图片。

图4为包含有近景、远景两层景物的背景图片在镜头由右向左平移、同时由远向近推进时得到的各帧经过多层拼接后的各帧背景图片。

图5为现有技术中在镜头平移时得到的各帧背景图片。

具体实施方式

以下将结合具体实例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提出的通过镜头运动背景分层处理模拟三维动画视觉效果的方法，包括以下步骤：

步骤A，分层绘制背景图片，本发明中将各层背景图片由远到近命名为无限远景、远景、全景、中景、近景，并设定背景图片屏幕高：长比为h：w，在实际拍摄中各层背景距离镜头的大致距离为：无限远景≥100KM，远景≥1KM，全景≥100M，中景≥50M，近景≥10M。本发明中将背景分成五层，在应用时可以根据需要减少层数或分成更多层数。此外，需要说明的是，屏幕长宽比、背景与镜头距离、各层背景距离镜头的实际距离等参数和数值仅仅作为优选示例，不作为本发明的限制，在实际应用中可以根据需要调整数值与参数。图1为包含远景、近景两层的背景的动画案例截图。

步骤B，测量每层背景图片在镜头居中、景深居中时在画面中的坐标，该坐标系初始坐标，镜头移动后不同时间点的连续坐标均由此坐标作为起点数值计算而得。坐标系采用通用图片处理软件的竖轴(Y轴)反向、第一象限为原第四象限的坐标体系。例如：无限远景层的背景图片坐标(0，0)、远景层的背景图片坐标(X1，Y1)、全景层的背景图片坐标(X2，Y2)、中景层的背景图片坐标(X3，Y3)、近景层的背景图片坐标(X4，Y4)。所有坐标均以像素点(Pix)为单位。本发明每层、每个背景图片均应有不同的、相应的缩放比例和拼接坐标，实例图1为包括远景和近景两层背景的背景图片，远景景物(剧院)的缩放比例设定为20％，镜头居中时在画面中的坐标为(175,391)，近景景物(路灯)的缩放比例设定为40％，镜头居中时在画面中的坐标为(10，461)。

步骤C，根据镜头在不同焦距、不同运动状态下，通过相应的公式计算得出各层、各坐标的背景图片的缩放比例和拼接坐标，得到新的各层背景图片：

步骤a，焦距为全景、镜头以Vy Pix/S(像素/秒)的速度由左向右平移，在t秒时各层背景图片的缩放比例、坐标分别为：

无限远景层的背景图片的缩放比例：A0％

拼接坐标：

X＝0

Y＝0

考虑到该层图片的拼接坐标、缩放比例的变动非常细微、可以忽略，因此本发明针对无限远层的图片，均将拼接坐标设置为0。在需要时也可以采用与其他层图片相同的方法计算运动后的拼接坐标。无限远景背景图片的缩放比例始终为固定值(如：10％，即不进行缩放)。

远景层背景图片的缩放比例：A1％

拼接坐标：

X＝X1-Vy*t*A1％

Y＝Y1

A1％为远景层背景图片的缩放比例，X1，Y1为远景层背景图片上一帧的拼接坐标，下同；在镜头反向即由右向左平移时，Y轴坐标公式不变，X轴坐标公式为：X＝X1+Vy*t*Ai％。

全景层背景图片的缩放比例：A2％

拼接坐标：

X＝X2-Vy*t*A2％

Y＝Y2

A2％为全景层背景图片的缩放比例，X2，Y2为全景层背景图片上一帧的拼接坐标，下同；在镜头反向即由右向左平移时，Y轴坐标公式不变，X轴坐标公式为：X＝X2+Vy*t*Ai％。

中景层背景图片的缩放比例：A3％

拼接坐标：

X＝X3-Vy*t*A3％

Y＝Y3

A3％为中景层背景图片的缩放比例，X3，Y3为中景层背景图片上一帧的拼接坐标，下同；在镜头反向即由右向左平移时，Y轴坐标公式不变，X轴坐标公式为：X＝X3+Vy*t*Ai％。

近景层背景图片的缩放比例：A4％

拼接坐标：

X＝X4-Vy*t*A4％

Y＝Y4

A4％为近景层背景图片的缩放比例，X4，Y4为近景层背景图片上一帧的拼接坐标，下同；在镜头反向即由右向左平移时，Y轴坐标公式不变，X轴坐标公式为：X＝X4+Vy*t*Ai％。

以上公式中，A％代表各层背景图片的原始缩放比值，且100％>A4％>A3％>A2％>A1％>A0％。

由此，在镜头进行由左向右平移运动时，根据以上公式，能够得到在镜头平移状态下，各层图片在每一帧的拼接坐标。针对图1中的动画，假设Vy＝200p/s，t(表示一帧的时长)为0.75s，A1％＝20％，A4％＝40％，远景层初始坐标为(265,391)，近景层初始坐标为(190，461)，按照以上公式，平移镜头下两层背景经过4帧时其中各过渡帧的景物缩放比例和拼接坐标数据计算结果见如下表1所示：

表1

这四帧图片如图2所示，可以明显看出，近景处的路灯相对远景处的建筑物的重叠位置，在每帧过渡帧上都是不同的，这就形成了三维动画的视觉效果。

步骤b，焦距原为全景、镜头以Vt％/S(百分之一/秒)速度由远向近、朝画面中心点推进，在t秒时各层背景图片的缩放比例、坐标分别为：

无限远景层背景图片的缩放比例：A0％

拼接坐标：

X＝0

Y＝0

与步骤a相同，需要时也可以采用与其他层图片相同的方法计算运动后的拼接坐标。

远景层背景图片的缩放比例：

An％＝A1％*(100％+Vt*t)

拼接坐标：

上式中n代表第n帧，从1开始等差递增，A1％为远景层缩放比例；X1(n-1)即表示远景层图片X1n前面一帧的X轴坐标；

在镜头反向即由近向远拉出时，缩放比例为：

An％＝A1％*(100％-Vt*t)；

拼接坐标公式分别为：

h为图片高，w为图片长，下同。

全景层背景图片的缩放比例：

An％＝A2％*(100％+Vt*t)

拼接坐标：

在镜头反向即由近向远拉出时，缩放比例为：

An％＝A2％*(100％-Vt*t)；

拼接坐标公式分别为：

中景层背景图片的缩放比例：

An％＝A3％*(100％+Vt*t)

拼接坐标：

在镜头反向即由近向远拉出时，缩放比例为：

An％＝A3％*(100％-Vt*t)；

拼接坐标公式分别为：

近景层背景图片的缩放比例：

An％＝A4％*(100％+Vt*t)

拼接坐标：

在镜头反向即由近向远拉出时，缩放比例为：

An％＝A4％*(100％-Vt*t)；

拼接坐标公式分别为：

以上公式中，A％代表景物远近距离不同在视觉效果上产生的、景物图片的缩放比值，且100％>A4％>A3％>A2％>A1％>A0％；

由此，在镜头在进行由远向近、朝画面中心点推进运动时，根据以上公式，能够得到各层图片在每一帧的拼接坐标。针对图1中的动画，假设Vt＝13.3％/s，每一帧的时间为0.75s，A1％＝20％，A4％＝40％，w＝640，h＝480，远景层初始坐标为(200,375)，近景层初始坐标为(80，444)，按照以上公式，推进镜头下、两层背景上的景物缩放比例和拼接坐标数据计算结果如下表2所示：

表2

如图3所示，包含有近景、远景两层景物的背景图片在镜头由远向近推进时，按本方法所述公式计算、进行缩放和位置拼接后得到了4帧过渡帧，可以明显的看到：近景处的路灯相对远景处的建筑物的重叠位置，在每帧过渡帧上都是不同的；同时近景处的路灯，相对远景处的建筑物，随着镜头推进放大的速度要更大一些；形成了三维动画的视觉效果。

步骤c，镜头以Vy Pix/S(像素/秒)速度由由右向左平移，同时以Vt％/S(百分之一/秒)速度由远向近、朝画面中心点推进，在t秒时各层背景图片的缩放比例、坐标分别为：

无限远景层背景图片的缩放比例：A0％

拼接坐标：

X＝0

Y＝0

远景层背景图片的缩放比例：An％＝A1％*(100％+Vt*t)

拼接坐标：

全景层背景图片的缩放比例：An％＝A2％*(100％+Vt*t)

拼接坐标：

中景层背景图片的缩放比例：An％＝A3％*(100％+Vt*t)

拼接坐标：

近景层背景图片的缩放比例：An％＝A4％*(100％+Vt*t)

拼接坐标：

同理可推得以下公式：

镜头以Vy Pix/S(像素/秒)速度由左向右平移，同时以Vt％/S(百分之一/秒)速度由远向进推进时各背景图片的拼接坐标公式：

镜头以Vy Pix/S(像素/秒)速度由左向右平移，同时以Vt％/S(百分之一/秒)速度由近向远拉出时各背景图片的拼接坐标公式：

镜头以Vy Pix/S(像素/秒)速度由右向左平移，同时以Vt％/S(百分之一/秒)速度由近向远拉出时各背景图片的拼接坐标公式：

由此，在镜头由右向左平移，同时由远向近、朝画面中心点推进在进行由远向近、朝画面中心点推进运动时，根据以上公式，能够得到各层图片在每一帧的拼接坐标。针对图1中的动画，假设Vt＝13.3％/s，Vy＝100，每一帧的时间为0.75s，A1％＝20％，A4＝40％，w＝640，h＝480，远景层初始坐标为(163,363)，近景层初始坐标为(35，431)，按照以上公式，推进镜头下、两层背景上的景物缩放比例和拼接坐标数据计算结果如下表3所示：

表3

如图3所示，包含有近景、远景两层景物的背景图片在镜头由右向左平移、同时由远向近推进时，按本方法所述公式计算、进行缩放和位置拼接后得到了4帧过渡帧，从中可以明显看出：近景处的路灯相对远景处的建筑物的重叠位置，在每帧过渡帧上都是不同的；近景处的路灯，相对远景处的建筑物，随着镜头推进放大的速度要更大一些；得到“环绕左侧路灯拍摄的三维视觉感”。

步骤D，在每一帧下，将步骤C计算得到的各层背景图片，叠放在相应的坐标上，得到一个二维背景的过渡帧。

步骤E，重复步骤C到步骤D，得到镜头运动起止的所有过渡帧。

步骤F，连续播放过渡帧，得到在三维空间中、镜头运动时产生的三维视觉效果。

我们以现有的在动画运动镜头中背景图片的处理方法作为对比例，在没有进行本方法说明的背景分层、缩放、坐标拼接的处理的情况下，以镜头平移举例，图中背景为一层，单纯平移后得到的4个过渡帧如图5所示，完全没有本发明提供的图2～图4中的三维动画视觉效果。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种通过镜头运动背景分层处理模拟三维动画视觉效果的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，分层绘制背景图片，背景图片至少为两层；

步骤B，测量每个背景图片在镜头居中、景深居中时在画面中的坐标；

步骤C，根据镜头在不同焦距、不同运动状态下，通过下述公式计算得出各层、各坐标的背景图片的缩放比例和拼接坐标，缩放、拼接得到的各层背景图片：

步骤a，焦距为全景、镜头以Vy Pix/S的速度由左向右平移，Pix/S为像素/秒；在t秒时，某层背景图片的缩放比例为Ai％，该背景图片对应的拼接坐标为：

X＝Xi-Vy*t*Ai％

Y＝Yi

Xi，Yi为该背景图片在上一帧的拼接坐标；在镜头反向即由右向左平移时，Y轴坐标公式不变，X轴坐标公式为：X＝Xi+Vy*t*Ai％

步骤b，初始焦距为全景、镜头以Vt％/S速度由远向近、朝画面中心点推进，％/S为百分之一/秒；在t秒时，某层背景图片的缩放比例为：

An％＝Ai％*(100％+Vt*t)

该背景图片对应的拼接坐标：

其中，n代表第n帧，h为图片高，w为图片长；

在镜头反向即由近向远拉出时，缩放比例公式为：An％＝Ai％*(100％-Vt*t)；该背景图片对应的拼接坐标公式分别为：

步骤c，镜头以Vy Pix/S速度由由右向左平移，同时以Vt％/S速度由远向近、朝画面中心点推进，在t秒时各层背景图片的缩放比例为：

An％＝Ai％*(100％+Vt*t)

该背景图片对应的拼接坐标为：

镜头以Vy Pix/S速度由左向右平移，同时以Vt％/S速度由远向进推进时，该背景图片对应的拼接坐标公式：

镜头以Vy Pix/S速度由左向右平移，同时以Vt％/S速度由近向远拉出时，该背景图片对应的拼接坐标公式：

镜头以Vy Pix/S速度由右向左平移，同时以Vt％/S速度由近向远拉出时，该背景图片对应的拼接坐标公式：

步骤D，在每一帧下，将步骤C计算缩放比例进行相应的缩小或放大后得到的各层背景图片，叠放在相应的坐标上，得到一个二维背景的过渡帧；

步骤E，得到镜头运动起止的所有过渡帧后，连续播放过渡帧，得到在三维空间中、镜头运动时产生的三维视觉效果。

2.根据权利要求1所述的通过镜头运动背景分层处理模拟三维动画视觉效果的方法，其特征在于，各层背景图片包括以下类型中的至少两种：无限远景、远景、全景、中景、近景。

3.根据权利要求2所述的通过镜头运动背景分层处理模拟三维动画视觉效果的方法，其特征在于：无限远景≥100KM，远景≥1KM，全景≥100M，中景≥50M，近景≥10M。

4.根据权利要求2所述的通过镜头运动背景分层处理模拟三维动画视觉效果的方法，其特征在于：无限远景背景图片的拼接坐标为：X＝0，Y＝0。

5.根据权利要求4所述的通过镜头运动背景分层处理模拟三维动画视觉效果的方法，其特征在于：无限远景背景图片的缩放比例始终为固定值。

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