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第5章动画电影的技术原理
本章将要讲解电影的技术及其发展历程，以及二维、三维动画片的动画原理。通过本章
的学习，进一步加深对电影的理解，基于正确的动画原理制作出色的动画。
本章主要内容：
?电影技术原理
?动画基本原理
?三维动画的12条原理
本章学习重点
动画电影的技术原理及三维动画12条原理。
5.1.电影技术原理
要了解电影的技术原理，首先要从人眼是如何看到图像入手。
5.1.1.人眼成像原理
图5-1人眼成像原理
在现实生活中，人们通过眼睛观察的周围环境之所以是立体的，是因为人的两只眼睛所
处的空间位置不同，可以从两个不同的视角同时获得两幅不同的场景图像，人的大脑对这两
幅图像进行处理后，不仅能分辨出所观察物体的颜色、质感等光学信息，还能根据两幅图像
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的差异判断出物体与双眼的距离等空间信息，这样一幅立体的画面就呈现在脑海中。图5-1
便是电影成像原理图。
5.1.2.视觉暂留原理
第1章提到过视觉暂留现象，本章将对视觉暂留原理进行更详细的解说。在放映电影的
过程中，画面被一幅幅地放映在银幕上。画幅移开时光线就被遮住，幕上便出现短暂的黑暗，
每放映一个画幅后，幕上就黑暗一次，但这一次次的黑暗被人的视觉生理现象“视觉暂留”
所弥补。人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经需经过一段短暂时间，这是视神经的反应
时间，当光的作用结束时，视觉也不立即消失。残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象称
为“视觉暂留”（或称为视觉残留或视觉滞留）。
视觉暂留是光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后仍保留一段时间的现象，电影的拍
摄和放映就应用了此原理，其时值是二十四分之一秒，是动画、电影等视觉媒体形成和传播
的根据。视觉实际上是靠眼睛的晶状体成像，感光细胞感光，并且将光信号转换为神经电流，
传回大脑引起人体视觉。感光细胞的感光是靠一些感光色素，感光色素的形成是需要一定时
间的，这就形成了视觉暂停的机理。举一个很简单的例子，图5-2中是不是感觉有几个轮子
在慢慢的转动？其实这只是一张静态图，但是因为视觉暂留的原因，看起来是动的。
图5-2视觉暂留的体现——滚动的轮子
使一块燃烧着的木炭在被挥动时变成一条火带，这种现象曾被古时的人们发现过。但是，
将这种视觉现象同电影的发明联系起来，却是19世纪的事情。1829年，比利时著名的物理
学家约瑟夫·普拉托为了进一步考察人眼耐光的限度，以及视觉暂留的时间，他曾一次长时
间对着强烈的日光凝目而视，结果双目失明。但他发现太阳的影子却深深地印在了他的眼睛
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里。他终于发现了“视觉暂留”的原理。即：当人们眼前的物体被移走之后，该物体反映在
视网膜上的图像不会立即消失，会继续短暂滞留一段时间。实验证明，视觉暂留的时间一般
为0.1～0.4秒。与此同时，在欧洲的物理学教科书和物理实验室中，也开始采用“法拉第轮”
的原理和图画“幻盘”旋转的视觉研究。它们向人类表明，人眼视觉的生理功能可以将一系
列独立的画面组合起来，成为连续运动的视象。
19世纪30年代后，诡盘、走马灯旋盘、生命之轮、活动视镜和频闪观察器等视觉玩具
相继出现。其基本原理大同小异，即在能够转动的活动盘上画上一连串的图像，而当盘转动
起来时那些呆滞的、无生命的图像便运动起来，活灵活现。此后，奥地利人又将幻灯和活动
视镜相结合，使绘制的静止的图画投影在银幕上，制作出活动幻灯，形成了早期动画。
然而，到了20世纪60年代，电影理论家和教育家对视觉暂留的问题提出了新的疑义，
他们发现银幕上的全部运动现象实际上是跳跃的、不连贯的，但观众却意识到那是一个统一、
完整的动作连续。由此证明，真正起作用的不是“视觉暂留”，而是“心理认可”。
5.1.3.电影的基本技术
1.电影的早期准备
1825年，英国人费东和帕里士博士发明了幻盘，随后在它的基础上出现了西洋镜，不
要小瞧这个小游戏，它是现代电影的始祖，如图5-3所示。
图5-3中国人围看西洋镜的情景
电影是将依一定时序摄制的景物各运动阶段的静止画面连续映现出来，借助人的视觉暂
留原理，在人的视觉中造成再现景物运动影像的效果。1725～1839年，一些科学家研究了
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某些物质的感光性，继而发明了摄影术。人类从此便可用感光材料逼真地记录和传播自己所
看到的现象和人物等，但当时获得的影像是静止不动的。
活动影像在电影发明以前，不论进行何种方法的实验，都是把运动的景物或现象依一定
时序拍成一幅幅运动阶段的静止画面，再设法使它们依照同样的时序逐一呈现，让人依次看
到，这样便在观者大脑中产生动的印象。眼睛的作用主要是观看这一幅幅静止的画面，并未
看到现象的活动，活动只是大脑的联系印象。这是大脑对生活经验中积累的物体运动印象的
条件反射。不仅从物体位移各阶段拍摄的一系列静止影像可以产生动感，即使只看到物体运
动的两极阶段也会产生动感。
2.摄影术
摄影术同样产生于19世纪的欧洲。1839年，法国人路易斯·达盖尔根据文艺复兴以后
在绘画上的小孔成像的原理，并使用化学方法将形象永久地固定下来，“达盖尔摄影法”便
产生了。
图5-4是第一张抓拍到人物形象的照片，由发明银板照相的达盖尔拍摄。达盖尔摄影法
又称“银版摄影术”，是摄影史上最早的具有实用价值的摄影法。在1860年达盖尔摄影馆转
为摄影沙龙之后，该摄影术被广泛使用，在1893年公布于世。用达盖尔摄影法拍摄的这部
作品叫做《巴黎寺院街》。
图5-4第一张抓拍到人物形象的照片图5-5达盖尔摄影法的显影机
图5-5是达盖尔摄影法的显影机，1839年于法国制作。它使用一个水银灯，把水银加
热到沸点，水银蒸气使已曝光的平版感光金属板上的影像显现出来，显影机上方有红色玻璃
可以观看显象效果和过程。
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之后，人们已经不可能满足于静止并精美的单幅照片了，而是幻想着有一天能够将它们
相互联系起来，忠实地复制形象动作和自然空间的物质实现。1872年，最先将“照相法”
运用于连续拍摄的是摄影师爱德华·慕布里奇（EadweardMuybridge）。他曾在5年的时间
里，多次运用多架照相机给一匹正在奔跑的马进行连续拍摄的实验，并于1878年获得成功。
这位天才的摄影师将24架照相机排成一行，当马跑过时，照相机的快门就被打开，马蹄、
腾空的瞬间姿态便被依次地拍摄下来，如图5-6所示。为此，爱德华·慕布里奇获得了“拍
摄活动物体的方法及装置”的专利权。
图5-6依次拍摄的跑马图
1882年，法国人马莱利用左轮手枪的间歇原理，研制了一种可以进行连续拍摄的“摄
影枪”。此后他又发明了“软片式连续摄影机”，终于以一架摄影机开始取代慕布里奇用一
组照相机拍摄活动物体的方法。在欧洲，这时期许多国家中的科学家、发明家们也都研制了
不同类型的摄影机。其中，美国的托马斯·爱迪生和他的机械师狄克为了使胶片在摄影机中
以同样间隔进行移动，而发明了在胶片两边打上孔洞的牵引方法，解决了机械传动的技术问
题。“活动照相”的“摄影术”得以完成。
3.放映术
1888年，法国人爱米尔·雷诺发明了“光学影戏机”，人们可以在幕布上看到几分钟
的活动影戏，比如《可怜的比埃》。
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1891年，爱迪生制作了第一台动画镜。以每秒48个镜头的速度演放了1440张不同而
又连贯且依次变化的照片，在这半分钟内人们看到的是完全活动的影像，现代电影由此产生
了。
1895年，法国的奥古斯特·卢米埃尔和路易·卢米埃尔兄弟在爱迪生的“电影视镜”
和他们自己研制的“连续摄影机”的基础上，研制成功了“活动电影机”。
他们的电影机由一个暗箱组成，里面装有35毫米凿孔胶片间歇运动的牵引机构和遮光
旋转机构，并装有一个摄影镜头和放映镜头。装上摄影镜头时，可以以每秒12幅的频率摄
影，获得负片。取下摄影镜头，将曝光后的负片与另一条未曝光的胶卷贴在一起曝光后转成
正片。放映时，正片装入机内。点燃灯泡后，光束穿过胶片和镜头，静止的画面以极短的间
隔次高速地通过片窗，使影像在观看者的视网膜上暂留，观众便可看到一组活动的画面。
1895年12月28日，巴黎卡普遣路14号“大咖啡馆”的地下室。黑暗中，一群模模糊
糊的黑白人影在晃动，屋子里充斥着嘈杂的放映机噪声。这是电影史上划时代的一天。卢米
埃尔兄弟把影片放映在银幕上供许多人一同观看了《拆墙》、《火车到站》（图5-7）和《婴
儿的午餐》等12部记录短片。这一天被定为是电影诞生的日子，卢米埃尔兄弟也当之无愧
地成为了“电影之父”。
图5-7《火车到站》电影——一切从这里开始
图5-8卢米埃尔兄弟及路易·卢米埃尔正在放映影片（蜡像）
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1923年，美国人弗雷斯把电子管用在有声电影的录音设备上，录音式电影问世，电影
进入有声时代。
1935年，三色的彩色系统问世，第一部真正的彩色电影诞生。
1949年，美国的沃勒工程师研究成功宽银幕电影。
而对于发展迅速的现在，高科技更是给大家带来了更多的视觉与听觉的大餐，比如
IMAX立体巨幕影院。IMAX是目前世界上最先进的电影放映方式之一，它的放映设备采用
当今世界上技术含量最高，画格最大的70毫米15齿孔IMAX双机放映系统。放映立体电
影时，两台或更多的放映机同步放出影像。当观众戴上特制的立体眼镜时，影像通过光的偏
振原理，使画面产生强烈的立体效果，犹如景物就在眼前，有伸手可触的感觉，六层楼以上
高度的巨大画面和6＋1声道的音响系统使观众产生强烈的震撼，如图5-9所示。
图5-9IMAX立体巨幕
5.1.4.二维动画电影技术
故事片一般是连续拍摄的，即摄影机中的胶片每秒中拍摄24个画格（早期电影的拍摄
和放映速度都是每秒钟16格），放映时胶片在放映机中的速度也是每秒钟24个画格。
动画片是逐格拍摄的，先排好一幅幅画面，拍摄了一个画格之后，让摄影机停止转动，
换上另一幅画面，再拍一个画格。放映时，胶片在放映机中的运转速度也是每秒中24格，
这样动画片就动起来了。
故事片在拍摄过程中，摄影机可以自由地从各种不同的角度进行拍摄，它的“推、拉、
摇、移”主要是通过摄影机本身的运动完成的。
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动画片在拍摄过程中，摄影机是固定在特制的机架上进行拍摄的，摄影机只能在一个角
度进行上、下、左、右等运动，它的“摇、移”主要是通过画面的运动来完成的。动画片中
人物动作的幅度和速度完全取决于图画。当表现某一动作时，所画的图画越多，每幅画之间
的差别越小，动作就显得越慢越平稳；反之，图画越少，每幅画之间差别越大，动作也就显
得越快越剧烈。由于动画片是将一幅幅有序的画面通过逐格拍摄连续放映的方法使形象活
动起来的，因此，它不但能使一切生物（人物、动物、植物等）按照创作者的意志活动起来，
也可以赋予非生物以生命，使桌、椅、板、凳、锅、碗、瓢、盆，乃至各种固定的建筑物都
按创作者的意志活动起来。动画片能非常鲜明地表现某些自然现象，如风、雪、雷、雨、水、
火、烟、云等。图5-10便表现了中国动画史上的丰碑《大闹天宫》中的云。
图5-10动画《大闹天宫》里的云
动画片还可以通过叠化等技巧，直接使一种形象变化为另一种形象，如《大闹天宫》中
孙悟空的七十二变等，如图5-11所示。
图5-11《大闹天宫》中的孙悟空
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动画片的表现力极其丰富，几乎什么都可以表现，为创作人员充分发挥自己的想象力提
供了广阔的天地。动画片特别适用于表现夸张的、幻想的、虚构的题材，它可以把幻想和现
实紧紧交织在一起，把幻想的东西通过具体形象表现出来，从而使动画片具有独特的感染力。
在有些动画摄影台下部，装有折射镜和透镜，并附有逐格放映机，它能将摄有真人活动
或实景的影片逐格放映，将一幅幅画面折射上去，与画在透明赛璐珞胶片上的一幅幅的动画
画面合在一起，逐格进行拍摄，拍摄出真人与动画合成的影片
5.1.5.不同的电影拍摄和放映速度
1.从拍摄手法上分几种特殊的摄影方法
除正常的摄影方式外，另从拍摄手法上分以下几种特殊的摄影方法，它们为电影制作增
色添彩。
（1）变速摄影
在拍摄时使胶片的速度高于或低于正常每秒24格的速率，产生“慢动作”和“快动作”
的画面效果，在现在的电影中是一种常用的摄影方法。图5-12便展示了高速摄影技巧。
图5-12高速拍摄
（2）逐格摄影
逐格摄影也称为分格摄影，是电影镜头特殊的拍摄方法之一。它使用逐格马达驱动摄影
机一格一格的进行拍摄，最后完成一个完整的镜头。体现在银幕效果上则是极大地加快了动
作的速度。如荷花盏开、乌云滚动、日出日落和幼芽出土??这些几天才能完成的动作，用
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几秒钟的时间展现在银幕上。像粘土动画中的《小鸡快跑》、《酷狗宝贝》，木偶动画《圣
诞夜惊魂》均采用了最费工的逐格摄影手法，如图5-13所示。
a)《小鸡快跑》b)《酷狗宝贝》
图5-13逐格拍摄的动画电影
2.从用途上分几种特殊的摄影方法
根据不同的用途，可以将摄影分为显微摄影、航空摄影、水下摄影和红外线摄影等。
（1）显微摄影
这是将光学显微镜放大的影像用电影摄影机拍摄到胶片上的摄影方式，广泛用于微观世
界的分析和研究。进行显微摄影最基本的仪器是显微镜和显微镜摄影仪，如图5-14所示。
图5-14显微镜摄影仪图5-15显微摄影拍摄的物体
这种方式拍出来的东西也是令人惊诧的。知道图5-15中的是什么吗？这是开叉的头发。
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图5-16显微摄影拍摄的物体
那图5-16又是什么？这是人体血液中红细胞的照片。
（2）航空摄影
航空摄影又称航拍，是指在飞机或其他航空飞行器上利用航空摄影机摄取地面景
物像片的技术。现在除从飞机拍摄的航空照之外，从人造卫星拍摄的宇宙照片，从气
球拍摄的气球照片等都统称为航空摄影。航空摄影一般选在上午或下午，因为上午或
下午地面上的景物比较清晰，有足够的照度，容易收到较好的影调效果。如果地面上
有雾，那么拍摄时要使用适当的滤光器，以增强画面的反差。
航空摄影始于19世纪50年代，当时从气球上用摄影机拍摄的城市照片，虽只有
观赏价值，却开创了从空中观察地球的历史。1909年美国的莱特(W.Wright)第一次从
飞机上对地面拍摄像片。此后，随着飞机和飞行技术，以及摄影机和感光材料等的飞
速发展，航空摄影像片的质量有了很大提高，用途日益广泛。它不仅大量用于地图测
绘方面，而且在国民经济建设、军事和科学研究等许多领域中得到广泛应用，如图5-17
所示。
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图5-17航空摄影
（3）水下摄影
水下摄影是将摄影机和人潜入水下进行拍摄的一种摄影法，如图5-18所示。
图5-18水下摄影
（4）红外线摄影
影片特技摄影法之一，即利用红外线作为光源，所用的感光片是由吸收红外线波
长的菁类染料增感而成。摄影所用的红外光谱段在700～1300毫微米范围内。摄影时，
在镜头前加置暗红至黑色滤色镜以滤去日光中的紫外线及可见光，或使用红外线光源
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照射被摄体，感光片在只有红外线及少量红色光下曝光，然后再经一般的显影加工而
得到正片。由于红外线能穿透烟尘和薄雾，可在远景和高空摄影中得到清晰的景物形
象，于是多用于在日光下模拟夜景，如图5-19所示。
图5-19红外摄影
红外线摄影的基本原则其实跟一般摄影是一样的，都是利用光线照在物体上反射
经过镜片到相机内成像，区别只是可见光与红外光的不同罢了。太阳光内含丰富多样
的光线，当然也包含红外光，当阳光照在物体上反射到眼睛及相机内时，其实人们已
经接受到了红外光，只是视神经没有感应到。
3.从景别上分几种不同的摄影方法
根据景别的不同，摄影可分成远景、全景、中景、近景和特写。这是根据摄影机与被摄
对象的距离或是摄成的画面的范围大小来区分的。
（1）远景
指拍摄远距离景物和人物的一种广阔的画面，如图5-20所示。
（2）全景
摄取较完整的人和场景的全部内容，如图5-21所示。
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图5-20远景拍摄图5-21全景拍摄
（3）中景
一般指摄取人的大半身，显得空间较大而又能展示人物间的相互关系，在电影中运用较
多，如图5-22所示。
（4）近景
相对来说近景的视距比中景更近一些了。一般指摄取人物的上半身或景物的局部范围，
比较强调人物的面部表情、手势和上半身形体动作，对塑造人物起到重要作用，如图5-23
所示。
图5-22中景拍摄图5-23近景拍摄
（5）特写
特写是指拍摄人的头部、面部、人体的局部或物景的某一部的镜头，这是电影中强调某
一局部和细节的一种独特而有效的摄影手段，如图5-24所示。
图5-24特写拍摄
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4.从改变镜头焦距上分几种不同的摄影方法
在电影摄影中，常用变动摄影机的位置或机身的位置或改变镜头焦距等方法来取得艺术
效果，这就创造了推、拉、摇、移等种种摄影技巧。
（1）推
推镜头指摄影机向被摄物体推近或是用变焦距镜头逐渐拉长焦距，使观众有一个移近被
摄物的感觉。
（2）拉
拉镜头则和推镜头正相反，造成画面上的被摄物逐渐远离观众视点的感觉。并逐渐扩展
视野范围。
（3）摇
摇镜头是指摄影机在原位置不变，通过机身的上、下、左、右或旋转等运动，使画面呈
现动态构图，产生巡视、环视周围环境事物、揭示动态中的人物内心世界、烘托情绪的艺术
效果。
（4）移
移动镜头又称“移动摄影”。将摄影机放在可移动的车辆或升降机上，对被摄物体作各
方向移动所拍摄的画面。
5.不同的放映速度
打开Maya界面右下方的快捷工具（Preferences），点选Settings选项。或从主菜单
进入Window（窗口）＞Settings／Preferences（设置／参数选择）＞Preferences（参数）。
这里有个Time选项的下拉菜单。如图5-25所示。
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图5-25Preferences选项盒及其Time选项的下拉菜单
Preferences选项盒中的Time就是指动画一秒钟多少帧（framepersecond），下面重点讲
解一下比较常用的NTSCField和PALField选项。
（1）NTSC制式（电视标准）
NTSC电视标准，每秒29.97帧（简化为30帧），电视扫描线为525线，偶场在前，奇
场在后，标准的数字化NTSC电视标准分辨率为720×486，24比特的色彩位深，画面的宽
高比为4：3。它是1952年由美国国家电视标准委员会指定的彩色电视广播标准，它采用正
交平衡调幅的技术方式，故也称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家以及
中国的台湾、日本、韩国、菲律宾等均采用这种制式。
（2）PAL制式（电视标准）
PAL电视标准，每秒25帧，电视扫描线为625线，奇场在前，偶场在后，标准的数字
化PAL电视标准分辨率为720×576，24比特的色彩位深，画面的宽高比为4：3。它是西德
在1962年指定的彩色电视广播标准，它采用逐行倒相正交平衡调幅的技术方法，克服了
NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺点。西德、英国等一些西欧国家，新加坡、中国大陆及
香港，澳大利亚、新西兰等国家采用这种制式。PAL制式中根据不同的参数细节，又可以进
一步划分为G、I、D等制式，其中PAL－D制是我国大陆采用的制式。
常见的电视信号制式是PAL和NTSC，另外还有SECAM等。PAL和NTSC制式区别
在于节目的彩色编、解码方式和场扫描频率不同。电影放映的时候都是每秒24个胶片帧，
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而视频图像PAL制式每秒50场，NTSC制是每秒60场，由于现在的电视都是隔行场，所
以可以大概认为PAL制每秒25个完整视频帧，NSTC制为30个完整视频帧。
电影和PAL每秒只差1帧，所以以前一般来说就直接一帧对一帧进行制作，这样PAL
每秒会比电影多放一帧，也就是速度提高了1／24，而且声音的音调会升高，这就是一些
DVD爱好者不喜欢PAL制DVD的原因之一。但是据说现在有些PAL制DVD采取了24＋
1的制作方法，就是把24帧中的一帧重复一次，从而获得跟电影一样的播放速度。而NTSC
因为每秒有30帧，不能直接一帧对一帧制作，所以要通过3－2PullDown等办法把24个
电影帧转成30个视频帧，这30个视频帧里所包含的内容和24个电影帧是相等的，所以NTSC
的播放速度和电影一样。
因此，对于同一部片子来说，PAL制的DVD会比NTSC制的同一部片子快1／24。换
算时间的时候，NTSC时间×24／25=PAL时间。
5.2.动画基本原理
动画关键在于“动”。本节讲解如何准确地描绘角色的运动，如何使角色动得更加生动、
合理，使角色真正的栩栩如生、跃然纸上。对于一名合格的动画创作者来说，本节内容的学
习十分关键。无论动画片选用何种表现形式、何种结束手法，角色动作的实现原理都是一致
的。掌握了动的原理，任何动画风格和形式下的角色都能够运动得游刃有余、随意自然。
本节将从以下几方面分析动画的基本原理：
?因果关系
?牛顿定律在动画中的应用
?物体被抛入空间
?旋转中的物体
?力与关节
5.2.1.因果关系
当一个物体加在一个物体上，会产生一系列的因果关系。这就是力通过一个能变形的物
体（加以漫画化）的结果，这是好动画动作的一个方面。一个动画师必须要了解自然界物体
动作的力学知识，并将这些知识存储在脑子里。当他从事动画创作时，才能很好地创造情绪
和表达正确的感觉。在做动画的时候要注意，先“因”动而后“果”动。例如，图5-26中
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一根绳子缠绕住物体并拉紧。
a)一条绳子缠绕物体b)绳子两端被拉紧
图5-26绳子缠绕物体并拉紧
此处的“因”就是绳子缠绕物体拉紧，“果”是物体变形，动画皆是“有因才有果”的。
通过图5-26分析出受力物的反应程度受以下两点制约：
?绳子给物体施加了多少力
?受力物的软硬程度
接下来看看另一个因果关系的小例子：跷跷板一端的小石块被另一端掉落下来的大石块
跷起的实验，如图5-27所示。
a)小石块在跷跷板的一端b)大石块掉落在跷跷板的另一端c)小石块被跷起
图5-27小石块被跷跷板另一端的大石块跷起
图5-27中大石头落在板的另一端，开始时当跷跷板呈弯曲状时，小石头由于惯性扔在
原处不动。而一瞬间后，跷跷板加速向反方向弹起，使小石头飞出画面。
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a)人拾取地上的东西b)被针刺c)被刺后的反应
图5-28人被针刺
然后再看图5-28中人弯身拾取地上的东西时被针刺中后的反应：
?反射性地躲闪扭动
?惊恐地转过身去看发生了什么事情
以上诠释了动画的因果关系这一基本原理，很容易得出有因果关系的动作会使动画更加
真实、好看、更富有故事性。
5.2.2.牛顿定律在动画中的应用
现在来学习牛顿定律在动画中的应用。首先了解一下牛顿第一定律的内容：任何物体
在不受任何外力的作用下，总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它
改变这种状态为止。由于物体保持运动状态不变的特性叫做惯性，所以牛顿第一定律
也叫惯性定律。
凡是物体都有质量，当力加在它身上时物体开始运动。物体的质量愈大，改变它运动状
态所需要的力也愈大。在同种状态下，一个大质量的物体比小质量的物体具有更大的惯性和
动能。
炮弹在静止时需要很大的力去推动它。当炮弹发射时，炸药的力量作用于炮筒中的炮弹，
炸药爆炸的力量很大，有足够的力量使炮弹加速到相当高的速度。而一个较小的力，例如短
时间的脚踢，对于移动炮弹可能根本没有效果，事实上更可能使踢者的脚受伤。然而，不断
地施加不算太强的力，也会使炮弹逐渐滚动，最后也会使它相当快地滚出去。
一旦炮弹滚动起来，在忽略摩擦力的前提下，它将保持匀速运动。假如它遇到了障碍物，
它会被阻止或撞破阻碍物继续前进，这取决于炮弹的速度及障碍物的情况。假如它在粗糙的
表面上滚动，它会很快停止；但如果它在光滑的表面上滚动，因摩擦力很小，需要滚动相当
长的时间才会停止。
a)力推动炮弹开始运动b)炮弹撞破障碍物
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图5-29炮弹的运动
因此，在动画中质量大的物体必须给予较多时间去表现动作的开始、停止或改变方向，
以便具有令人信服的沉重感。
改变小质量物体的运动状态所需要的力也较小。比如只需很小的力和短的时间即可推动
一个气球向前运动，甚至手指轻轻一弹便足以使其加速移动，如图5-30所示。当气球移动
时，因动能小，空气阻力会使它很快减速，因此它不会移动太远。
要在屏幕上表现出物体的重量感，完全取决于动画的间隔距离和对时间的掌控。
图5-30轻弹气球使其加速移动
5.2.3.物体被抛入空间的运动原理
之前提及了气球被弹入空中的运动，那么现在便来专门讲解物体被抛入空间。如果将物
体垂直向上抛去，它的速度会逐渐减小至零，然后再加速向下坠落，上升高度取决于抛上去
的速度。
如果一个球向上成角度地被抛出，它的运动就由竖直方向和水平方向两部分组成。竖直
方向的速度减少到零，然后再加速降落，同时它水平方向向前的运动保持不变。这样，球便
沿着抛物线运动。如果是一个橡皮球落在坚硬而平滑的表面上，就会发生连续的弹跳动作。
在一跳之间的弧度是抛物线，下一跳亦如此。其后，每次弹跳的抛物线都会降低高度，因为
球每跳一次都会减少一部分能量。
参考图3-17，橡皮球与地面接触的时间内，它刚刚与地面接触的一帧、被压至最扁的
一帧、离开地面弹起的一帧会有重叠。球运动中接近抛物线顶点时的间距比较密，而向下时
又因速度加快，间隔距离将增大。角色的弹跳与球的弹跳原理是一样的，如图5-31所示。
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图5-31角色的弹跳
5.2.4.旋转中物体的运动原理
处于跳跃中或被抛出的物体，由于地心引力作用，都沿着抛物线运动，实际上说的是它
的重心沿着抛物线运动，因为运动中物体的重量几乎都集中于它的重心。
1.不规则的无生命物体
如果一个形状不规则的物体落下或被抛掷穿过空间，它的重心沿着抛物线运动的时间可
以计算出来。大多数物体飞过空中时有旋转的倾向，单骑重心仍沿抛物线运动，除非它是被
纳入轨道，呈椭圆形运动。所以做动画时，可以使物体以重心为枢轴有规律地转动，而重心
则沿着抛物线运动。
例如：一把沉重的榔头，它的大部分质量在金属的头部，因此，重心便接近于这一端。
图5-32中榔头在空中的运动过程会显示榔头的连续位置，榔头的形状及旋转的速度和方向
可能不同，但运动原理是一样的。
图5-32榔头在空中一边绕自身重心旋转一边呈抛物线运动
2.有生命的物体——人
一个形状多变的物体，例如人，其重心的位置也这样改变。假如人跌入空间或跃入空中，
即使他身体的形态不断变化，甚至旋转着，它的重心与无生命物体一样，同样沿着抛物线运
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动，如图5-33所示。
图5-33人跃起或跳下，在空中穿过，其重心也沿着抛物线运动
5.2.5.力与关节的运动原理
1.力通过活动关节传送
设想有一根绳子缚住放在光滑平面上的木棒的一端，如图5-34所示，如果从右边与木
棒大致成直角方向拉动绳子会出现什么结果？首先绳子被拉紧。显然绳子松的时候，木棒不
会移动。木棒的重量集中于它的重心，在它的重心未与绳子成为直线之前，整根木棒不会朝
绳子方向移动，而只是先原地转动，直到它的纵轴和绳子成为一条直线，才开始移动。
图5-34绳子拴住木棍后将其拉平
如果用另一根木棒代替绳子，通过活动的关节与第一根木棒连接，如图5-35所示。当
第二根木棒向右移动时，就会发生类似图中的情况。
图5-35另一根木棒通过关节拉动第一根木棒
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如果第二根黑色的木棒按照图5-36那样移动，而关节又是非常灵活的话，白色木棒将
类似图上所画的那样移动。假如移动的是白棒，那么黑棒将如图中的白棒一样动作。
图5-36活动关节传送动作
动画中这些动作的特点是：当第一根木棒加速或改变方向时，随着动的木棒的连续图形
将是一边转动一边互相交搭在一起。如果有三根木棒用活动关节连接在一起，当较低的一根
木棒很快来回摇动时，就可以明显地看到另两根木棒的运动所呈现的效果如图5-37所示。
图5-37三根木棒被两个关节相连时的运动效果
2.力通过有关节的肢体的传送
在角色、人物的动画中，力经常是通过活动的关节传送的。
动画师往往把动物或人体看作是一组相当活络地由许多部分连接在一起的整体。大腿由
大腿骨通过球窝关节与髋部连接；而小腿在膝部有一个铰似的关节；脚则是由十分灵活的踝
关节连接着；手臂也同样地连接于肩部。所以，假如一个对象的肩部被猛然向后拉动的话，
只有在他的手臂被拉成与手的重心成一直线时，手才跟着移动，如图5-38所示。
图5-38肩膀被拉动至手臂与手的重心成一直线时，手方随之移动
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当然，对于有生命的角色来说，情况并不总是如此。因为，假如动作比较慢，使肌肉有
充分的时间收缩，便会阻止手臂完全被拉直。不过，上诉这种倾向总是存在的，而动画师要
抓住这些有倾向性的动作并加以夸张。动作越快，夸张幅度越大。
脚和手按照上面讲过的力通过活动关节传送中的白色木棒一样的规律移动。动作方向改
变时，脚和手总是以重心为中心而动作的。在图5-39中，在一个向前动作的中间状态②，
由于腕关节能弯曲，手向后拖着。
图5-39由于腕关节的弯曲，在中间状态手向后拖着
在图5-40a中，当脚被放低或抬高时，或在图5-40b踢的动作中，脚总是朝开始动作
的方向拖着。如需要大量教程请加qq:4008988090或者登录幸星国际动画学院网站索取。
a)脚被放低和抬高b)脚踢的动作
图5-40脚朝开始动作的方向拖着
一个被松松地握在手中的物体在手移动时也会出现同样的动作，如图5-41所示。
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图5-41指挥棒的动作
5.3.三维动画的12条原理
上一节介绍了动画的基本原理，这一节讲解在制作三维动画时需要遵循的12条应用性
原理，它们分别是挤压和拉伸、预备动作、布局布景、连续动作和关键动作、跟随和交迭动
作、慢入与慢出、动作弧线、次要动作、时间调节、夸张、立体造型、吸引力。这些原理至
关重要，关系到制作动画的质量。
1.挤压和拉伸（SquashandStretch）
挤压和拉伸是动画原理中的第一条金科玉律。在动画中为了得到一个相对稳定且又富有
弹性的鲜活角色，就必须运用这条原则，对于卡通角色更是如此。它可以生动地体现角色的
构成、尺寸和重量，展示力的大小（力越大，挤压和拉伸的效果越强，反之亦然），以及获
得更自然的面部表情动画。在三维动画中，这种效果不能单纯靠角色表面的变化来表现，因
为角色的身体是有体积的、由内在的骨架来支撑，所以动画师在制作挤压和拉伸效果时要基
于移动骨架产生形变，同时又要通过其他辅助手段来保持角色的体积是恒定的，只有这样做
出来的效果才真实可信，而不会使角色看上去像一滩烂泥。在图5-42的弹跳球运动中存在
明显的挤压和拉伸。
图5-42弹跳球的挤压和拉伸
挤压和拉伸是用来夸张表现非刚性物体的变形，它通常具有戏剧性效果，如图5-43所
示。三维的挤压和拉伸可以通过许多技术来实现：皮肤和肌肉、弹力、直接网格操作或是变
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形。同样，也可以通过一些实验性的途径，比如重量设置来实现，特别是在进行动态模拟和
IK系统设置时。
图5-43人物脸部的挤压和拉伸
2.预备动作（Anticipation）
预备动作能引导观众的眼睛，告诉他们动作即将发生在何处。预备动作，包含动作的静
止控制，用于表现“大吃一惊”的效果是非常合适的。在3D电脑动画中，使用诸如时间表、
时间线和曲线等数字时间编辑工具可以很好地调整预备动作。预备动作多的话，相应的动作
的悬念就会减少。举个例子，在恐怖电影中，经常在很多预备动作之间来回地切换以获得最
终的惊悚效果。
角色完成一个动作需要经历预备、动作和结束三个阶段。预备通常是在一个大幅度的、
快速的主要动作之前，方向与之相反而且比较缓慢，幅度也小一些。预备动作的目的是使观
众更清晰地看到动作，明白动作之间的联系，否则角色的动作会显得非常的突兀和僵硬。那
么在实际制作过程中预备应该应用到哪种程度呢？这依赖于下面的一些因素：
?施加了多少力
?运动有多快
?你希望观众有多惊讶
?在一个动作中预备是否正在发生，或者在一个动作中的方向已开始改变
?是角色身体的一部分还是整体在为动作做准备
看看图5-44中人体的两个常见动作，在起跑和坐起时不可能直愣愣地猛然进行动作，
都需要有预备。
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a)起跑时先下蹲积蓄能量，再猛然起身向前冲
b)坐起时身体重心先前倾，再立直
图5-44起跑和坐起时的预备动作
3.布局布景（Staging）
布局布景是将一个场景的情绪和意图传达到具体的角色位置和动作中去。布置场景中的
关键人物的姿势有助于确定动作的性质。
布局布景也就是大家熟悉的Layout，通过设置角色的几个最主要的关键帧将整个场景
中大致的动画基调和意图表现出来。Previs（三维预览）是做到这一点的最好方式，它可以
通过专业的图形软件得到实时、细致的材质灯光和特效。
4.连续动作和关键动作（StraightAheadActionandPosetoPose）
连续动作和关键动作是两种不同的动画技术，他们的效果也不一样。连续动作是指一次
一个动作，需要一个一个地制作，直至整个动作结束。而关键动作是先将各主要动作完成后
再制作连接主要动作的中间动作。在手绘动画早期，关键动作作为了动画技术的标准，因为
它可以将动作分解为一组清晰具体的关键姿势。而在连续动作里，角色一次一步自然地进行
动作，直到动作完成。
在连续动作中，角色不需要预先设置主要姿势，自由表演、动作捕捉和动力学模拟都属
于这一类型。动画师在实际调节动画时更多地是运用姿势到姿势（关键动作）的方法，它将
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运动分解成一系列关键姿势，然后让软件自动插值计算出中间的过程，从而制作出流畅的运
动。
在长期的动画制作中，姿势到姿势的动画方式简便干净，但总体来说过于卡通化和模式
化，并且通常会连带出一些多余的跟随动作，不适合写实风格的动画片。不过对于有经验的
动画师来说，选择何种方式都能最终达到想要的效果。
5.跟随和交迭动作（FollowThroughandOverlappingAction）
跟随动作是主要动作的一种延伸，就像衣服上的飘带总是试图跟上跑步中的角色一样，
所以跟随动作取决于角色的主要动作、空气阻力以及自身重量和质地等因素，如图5-45所
示。交迭运动是力通过一个可以旋转的关节向下逐层传递，当前一个关节的旋转还在进行时
下一个关节的旋转已经开始了，如图5-46所示。在三维动画制作中，应根据剧情发展为角
色设计一些跟随和交迭动作，尽管这样会有些复杂，但是可以让角色的动作更具有趣味性。
比如角色有长尾巴、长头发和长耳朵时，动画师可以为他们添加跟随和交迭动作，从而使姿
势到姿势的方式制作出来的动作摆脱可怕的僵硬感。
图5-45跟随动作
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图5-46交迭动作
这是两种可以让动作在细节上更加丰满的技术。跟随动作由角色在一个动作之后的反应
组成，且总是能让观众知道对于刚刚发生过或即将发生的事情，他或她是如何感觉的。而交
迭动作则通过混合、重叠角色的位置动作将运动的影响效果加强了数倍。在三维电脑动画中，
有许多常见的跟随动作，例如衣物或头发的飘动等，都可以使用动态模拟来实现。三维动画
软件中的层和通道允许制作者将角色的各部分的交迭动作合并到一起。
6.慢入与慢出（SlowInandSlowOut）
慢入和慢出是处理关键帧之间的传统过渡区间而获取时间和运动上的细节：将动作的起
始与结束放慢，加快中段动作的速度。此规律通常是运用在物体pose的加速或减速变化过
程中。当一个物体接近某个pose时，通常是减速变化的（称之为慢入或慢进、渐进）；相
反地当它从一个pose开始向另外一个pose变化时，应该是加速的（称之为慢出或渐出、慢
出）。需要注意的是这里“通常”并不意味着速度慢，真正的意思是物体运动不能是全速前
进时猛然用一帧就嘎然而止。
卡通类型的动作里只要2帧来做这个渐变过程即可，但如果是用3帧来做，看上去就会
比机械僵硬的动作好很多。对于角色动画，总是要在运动中加入慢入或慢出的处理，即便角
色只是旋转了一下头部，也可能需要在动作的起始和结束的地方加一些帧使之更平滑些。图
5-47中的小球在运动中，即存在一开始缓缓加速（慢入）和最后缓缓减速（慢出）的过程。
图5-47小球运动的慢入与慢出
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当现实生活中的物体开始运动或是停止下来的时候，它们会经历加速和减速的自然过程。
在人的行走中，人在迈出脚步的开始和结束时运动减缓，而在中间加快，从而使整个动作更
加饱满舒缓。人走路时手臂摆动也是同样的道理。手臂前摆到角色的前面，减速到弧形的一
端，完成这个运动后，受重力影响开始朝身体的中部加速回落。而在电脑中调解这一动画就
要key一段样条曲线。动画师可以控制曲线的高度，从而改变过渡（inbetweens）位置，得
到先减速后加速的运动。
7.动作弧线（Arcs）
使用弧线表现角色的动作可以达到非常自然的视觉效果，这是因为有生命的物体都是按
照曲线路径来移动的，而非完全的直线运动。非圆弧运动会呈现出机械的、受到限制的或是
一种压迫性的险恶的效果。例如当角色头部从左向右转时，在中间位置的时候，头部并非水
平，而是应当略微低下来一些，否则会有僵硬、受限制的感觉。
在三维动画中，动画师在表现弧线运动时要注意它的前后变化，把握好加、减速原理。
作为动画中最常运用的一种原则，动画师必须理解力的基本原理，比如重力、空气阻力、摩
擦力和力的传递等对弧线运动的影响和作用，才能更好地使角色动作有优美圆滑的韵律感。
图5-48即表现了小臂摆动、尾巴摆动和劈斧子的弧线效果。
a)小臂挥动的弧线运动b)尾巴摆动的弧线运动
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c)劈斧子的弧线运动
图5-48各种弧线运动
8.次要动作（SecondaryAction）
次要动作是由一系列小的运动组成的，它用来丰富主要动作的细节，增加动画的趣味性
和真实性，是对主要动作的一种补充。添加次要动作要适当，既要使次要动作能让观众察觉，
又不能掩盖过角色的主要动作。例如当一个角色坐在桌子上思考，观众视线的焦点会集中在
角色表情的变化上，但为了使角色的表演更为自然，动画师通常需要加一些次要动作来丰富
这个主要动作，比如手指在桌面上弹几下等一些细微的小动作。
制作时，动画师一般是先完成角色的主要动作，再添加次要动作来辅助角色的表演。除
了肢体语言，次要动作在表情演绎中也被广泛应用。例如在哭戏当中，除了要表现演员哭泣
的双眼、紧缩的眉头、悲痛欲绝的神情，还可以添加一些嘴唇的颤动、鼻翼的抽搐等次要动
作，使得整个表演更能表现角色痛苦的深度，也能更好地感染观众。
9.时间调节（Timing）
时间调节是指角色进行动作时，对时间量进行精确的控制，它能给角色的表演增加情感
和意图。
角色在一个动作上所用的时间叫节奏，生活中的一切物体的运动都是充满节奏感的，节
奏感是由不同速度的交替变化产生的。时间调节可能是在教授和学习动画中最难的一个环节
了，每个人心中的想法和感受都是不同的，通过改变节奏可以使一个动作表现出不同的韵律
和情感。以下是三种不同的节奏感，当然最好的节奏就是能让观众用最短的时间理解发生了
什么动作。
?静止－慢－快或快－慢－停止，这种渐快或渐慢的速度变化产生柔和的节奏感。
?快－急停或快－急停－快，这种突然的速度变化产生强烈的节奏感。
?慢－快－急停，由慢至快再突然停止的转折变化能产生戏剧性。
10.夸张（Exaggeration）
夸张通常能帮助动画角色传达出动作的本质。可以通过挤压和拉伸来实现很多夸张的效
果，还可以运用程序技术、运动范围调节和脚本来实现对动作的夸张。一个动作的表现强度
不仅只能通过表演来增强，也可以通过电影技术和剪辑技术来增强。
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夸张通常将角色的局部或者大部分强化到极致，用来表现角色的力量和精神状态，以及
给观众留下深刻的印象。三维动画中夸张主要有两种表现形式：
?形态的夸张：依靠强烈的形变和超过极限的动作给观众以强烈的印象。
?效果的夸张：快的更快，慢的更慢，硬的更硬，软的更软??
想要达到好的夸张效果，需要动画师有高度的概括能力，使角色最快的表现自身的性格
特点和动作风格。除了形态上的夸张之外，速度的快慢强烈对比也能达到效果上的夸张，而
且这种方法能通过镜头的切换移动和后期剪辑来实现。制作时，动画师应该首先理解角色动
作的目的和剧情的需要，然后再决定在哪个时间段需要夸张的处理，只有适当的、巧妙的夸
张才能为动画增添可信有趣的视觉效果，如图5-49所示。
图5-49真实的动作与夸张的动作
11.固体建模配置（Solidmodelingandrigging）
固体建模，在上个世纪三十年代被称为固体绘制，着重强调对能使得动画角色栩栩如生
的必要形状进行清晰的描绘。固体和精细的模型有助于传达角色的重量感、平衡感和深度感，
同时也可以让由于粗糙的角色建模导致的复杂问题变得简单。骨骼动画配置是为了表现具体
的人物个性或者是动作优化时最好的选择。在把角色和镜头对齐时，要特别注意角色的轮廓。
12.吸引力（Appeal）
所有的角色都要有它吸引人的地方，无论是英雄、恶棍还是小丑，这就需要清晰的角
色设定、简约的设计、鲜明的个性，并且让角色的行为随着故事的发展有所改变。
角色的性格从动画制作的一开始便需要具备，并能起到左右观众情感的作用。必须仔细
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推敲角色，赋予他们有趣的性格，他们的行为或动作必须有清楚的欲望或者需要来驱使。复
杂性和连贯性都是角色的两个表现元素，把角色移动的方式、他或她在不同情况下如何反应、
他或她同其他角色的关系等等都写下来，这样有助于确定角色的主要个性。使用关键动作来
精心设置的角色个性可以使角色焕然一新。
本章习题
1.打开光盘中的场景文件scenes\chapter5\Stewie_crash.mb，制作一段角色拍桌子的动
画，注意要将动画原理运用到制作中。
2.制作一个钟摆摆动的动画，注意要将动画原理应用到制作中。
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