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[摘 要]动画是不同于真人拍摄的一种艺术表现形式，通过绘画、模型等方式描述故事去表达情感。从默片到有声，从黑白到彩色，从二维到三维，动画地每一处发展过程中都伴随着技术的革新。伴随二维动画制作技术的发展，二维动画在娱乐、教育、广告等很多领域都有着广泛的应用，己成为人们生活中不可或缺的一部分。本文从三个方面对二维动画制作技术进行了研究，主要包括：第一，二维图像的矢量化方法；第二，二维动画中间帧自动生成；第三，三维辅助的二维动画绘制方法。
[关键词]二维动画； 二维动画制作；矢量图形； 自动生成
中图分类号：TP807 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）36-0316-01
一、二维动画研究背景
二维动画即在平面上运动着的画面，因其形态夸张表现形式丰富幽默广受人们喜爱。卡通动画是一个存在了近百年的产业，同时也有着广阔的发展前景。复杂的传统动画制作已经无法满足人们对动画日益增长的需求，因而要想让动画更快更好的走进千家万户，研究计算机动画制作任重而道远。近年来，随着计算机辅助二维动画制作技术的发展，一些相关技术己经在降低传统动画制作成本、缩短动画生成周期和绘制动画帧的各流程中起到重要作用。如RetasPro， Toonz， Ammo以及点睛辅助动画系统，在手绘帧、人物上色方面取得较好的成效，在提高动画制作效率的同时也丰富了整个动画的人物艺术效果。如动画大片《西游记之大闹天宫》，其中齐天大圣大闹天宫这一场景，十分复杂且细节多，然而当时仅用了10张手绘天兵天将的图，通过电脑变化出了上千种人物的武打姿势和表情。相反，若是要用传统的动画制作方式来完成，不但需要的人力物力不计其数，要想顺利完成整个作品的制作可能要花费5-20年的时间。这足以证明计算机动画制作给动画产业带来的发展是不可估量的，也给优秀的动画原创和设计者提供了充足的时间和空间。
尽管如此，在计算机辅助的中间帧自动生成和上色方面仍然有很大的上升空间和发展余地。另外很多时候，由于二维动画不如三维动画效果立体，可以很自然的表现物体间的遮挡关系，因此在二维动画绘制过程中，仍然需要技术精湛的绘画师耗费很多精力来绘制中间帧的画面，降低了二维动画制作的效率。
二、二維动画制作
二维动画制作技术包含很多方面，从二维动画的绘制到中间帧的自动生成，都是其研究的难点与重点。传统的二维动画绘制都是人工在纸上绘制的一幅幅画面，而在计算机上进行矢量图形的绘制，是动画产业进入无纸动画的开始。矢量动画的制作是以矢量图形为基础的，因此矢量图形的绘制在二维动画发展中起到重要作用。将绘制好的矢量图像进一步进行中间帧插值直至生成矢量动画，是整个动画制作的过程。
2.1矢量图形
矢量图与位图是图像在计算机中显示的两中形式。矢量图是用曲线段与直线条来描述图像的，图形的元素是使用数学方法计算获得的，并不像位图那样由一个个像素表现的，而是通过组件形式记录下线和颜色区域的信息，再由矢量图绘制软件把信息还原成图像。比如，一个动画人物的矢量图形是由曲线表示外形轮廓线，该动画人物的颜色则是由该人物的外形线的颜色和封闭区域内的颜色共同组成的。矢量图形有很多优点，这里主要概括为以下两种，数据占用的存储空间小，存储方便，适用于网络传输；矢量图形表现出了动画角色的全部数学意义的信息，方便对其进行缩放以及旋转平移等操作。然而矢量图形在表现颜色丰富度上远不如位图的效果。矢量动画重复利用了矢量图形的优点，采用程序指令的方式来储存矢量图形，在适当范围内对图形进行编辑和操作并不会影响图形的效果。
2.2二维形体渐变技术
二维动画制作技术主要的研究内容是二维形体渐变技术，即二维多边形形体之间的自然变形技术。在二维形体渐变技术中，主要研究方向分有两个，其一，如何避免或者降低物体变形过程中产出的错乱交错等现象；其二，如何确定起始关键帧和终止关键帧上之间的哪些是相似的地方；其三，如何在保证这些关键帧上的特征在渐变的时候不消失；上述三个问题可总结成二维形体渐变中的两个关键问题，也就是顶点对应的问题和顶点路径插值的问题。顶点对应问题研究的是怎样确定起始关和终止关键帧多边形形体之间顶点的对应关系；顶点插值问题研究的是怎样处理图像变形过程中对应元素的运动路线，在有些研究中也叫做顶点路径问题。
三、动画制作系统的实现
系统根据用户绘制的起始关键帧和终止关键帧图像，对其进行矢量表示，并自动插值生成渐变的中间帧序列，从而形成一个完整的动画序列。另外系统根据用户导入的三维模型，可以生成风格化的二维投影效果，将其绘制到二维画布中。
动画制作系统有画布、动画播放和3D模型及多个滑动列表。其中设计的功能模块主要包括，工程管理、图层上帧的设置、矢量图形的绘制及编辑、中间帧自动生成与上色、三维辅助的二维图像绘制、动画播放和动画的导入导出等多个部分。矢量图形的绘制与编辑，首先是要选择绘图工具，系统可以实现绘制直线、矩形、椭圆以及文本等矢量图形，也可以对矢量图像进行颜色填充，颜色填充要使用到颜色模板。用户可通过鼠标或者数位板直接在画布中进行矢量图形的绘制，然后可以对绘制好的图形进行颜色填充。中间帧自动生成是对绘制好的矢量图形进行区域匹配，进而对匹配好的区域进行插值得到中间帧序列，中间帧自动上色是利用区域匹配结果，将初始帧的上色结果自动传递到后续帧的过程。三维辅助的二维图像绘制是通过系统导入三维模型，并将三维模型布置到三维空间中，通过计算检测到模型上的特征线，最后将这些特征线进行明暗变换处理风格化绘制在动画帧中。
四、结论
本文研究目的是在系统上实现位图矢量化、中间帧自动生成与上色以及三维辅助的二维图形绘制，将动画制作人员从绘制中间帧、着色等环节解放出来。如何开发出完善的二维动画制作系统，突破原有动画制作技术是本文旨在解决的问题。目前该课题的研究工作仍存在一些值得改进的地方，第一、可进一步考虑增加三维图层及视频图层的矢量化编辑功能；第二、在中间帧生成过程中，针对人体角色，增加骨架模型的驱动功能，实现变形效果更加自然的中间帧；在以后的工作中，将从以下几个方面进一步进行研究：针对目前系统的开发还有很多要改进的地方，下一步对如何基于运动数据驱动的人体角色动画生成，实现更多更丰富的人物角色动画生成；研究怎么让中间渐变形体的曲线特征更具有艺术效果，生成效果更自然平滑的中间帧，让更多的创新型艺术思想融合到系统开发中；研究矢量图像的绘制效果更加丰富，在绘制时不受太多的系统限制，可以自由的发挥绘画者的技能；此外，将原型系统按照商业化的要求进行测试及二次开发，争取早日将其推广。
参考文献
[1]王剑明.二维动画相关匹配构造技术的研究[D].厦门大学，2014：110.
[2]朱鹏.三维技术在二维动画影片中的应用「D].北京工业大学，2013：10-12.
[3]魏三强，张超，马璐，侯舞阳.二维动画与三维动画的融合技艺[[J].西安工程大学学报，2013，27（2）：181-184.
[4]严顺.数字化技术在二维动画设计中的应用研究[D].山东大学，2010：20-25.
[5]杨华.二维动画短片《老人与狗》的制作研究与分析「D].浙江工业大学，2012：220.
[6]方建文，彭韧，于金辉.计算机生成中国传统祥云动画[J1.中国图象图形学报，2013，18（12）：1660-1665.
[关键词]二维动画； 二维动画制作；矢量图形； 自动生成
中图分类号：TP807 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）36-0316-01
一、二维动画研究背景
二维动画即在平面上运动着的画面，因其形态夸张表现形式丰富幽默广受人们喜爱。卡通动画是一个存在了近百年的产业，同时也有着广阔的发展前景。复杂的传统动画制作已经无法满足人们对动画日益增长的需求，因而要想让动画更快更好的走进千家万户，研究计算机动画制作任重而道远。近年来，随着计算机辅助二维动画制作技术的发展，一些相关技术己经在降低传统动画制作成本、缩短动画生成周期和绘制动画帧的各流程中起到重要作用。如RetasPro， Toonz， Ammo以及点睛辅助动画系统，在手绘帧、人物上色方面取得较好的成效，在提高动画制作效率的同时也丰富了整个动画的人物艺术效果。如动画大片《西游记之大闹天宫》，其中齐天大圣大闹天宫这一场景，十分复杂且细节多，然而当时仅用了10张手绘天兵天将的图，通过电脑变化出了上千种人物的武打姿势和表情。相反，若是要用传统的动画制作方式来完成，不但需要的人力物力不计其数，要想顺利完成整个作品的制作可能要花费5-20年的时间。这足以证明计算机动画制作给动画产业带来的发展是不可估量的，也给优秀的动画原创和设计者提供了充足的时间和空间。
尽管如此，在计算机辅助的中间帧自动生成和上色方面仍然有很大的上升空间和发展余地。另外很多时候，由于二维动画不如三维动画效果立体，可以很自然的表现物体间的遮挡关系，因此在二维动画绘制过程中，仍然需要技术精湛的绘画师耗费很多精力来绘制中间帧的画面，降低了二维动画制作的效率。
二、二維动画制作
二维动画制作技术包含很多方面，从二维动画的绘制到中间帧的自动生成，都是其研究的难点与重点。传统的二维动画绘制都是人工在纸上绘制的一幅幅画面，而在计算机上进行矢量图形的绘制，是动画产业进入无纸动画的开始。矢量动画的制作是以矢量图形为基础的，因此矢量图形的绘制在二维动画发展中起到重要作用。将绘制好的矢量图像进一步进行中间帧插值直至生成矢量动画，是整个动画制作的过程。
2.1矢量图形
矢量图与位图是图像在计算机中显示的两中形式。矢量图是用曲线段与直线条来描述图像的，图形的元素是使用数学方法计算获得的，并不像位图那样由一个个像素表现的，而是通过组件形式记录下线和颜色区域的信息，再由矢量图绘制软件把信息还原成图像。比如，一个动画人物的矢量图形是由曲线表示外形轮廓线，该动画人物的颜色则是由该人物的外形线的颜色和封闭区域内的颜色共同组成的。矢量图形有很多优点，这里主要概括为以下两种，数据占用的存储空间小，存储方便，适用于网络传输；矢量图形表现出了动画角色的全部数学意义的信息，方便对其进行缩放以及旋转平移等操作。然而矢量图形在表现颜色丰富度上远不如位图的效果。矢量动画重复利用了矢量图形的优点，采用程序指令的方式来储存矢量图形，在适当范围内对图形进行编辑和操作并不会影响图形的效果。
2.2二维形体渐变技术
二维动画制作技术主要的研究内容是二维形体渐变技术，即二维多边形形体之间的自然变形技术。在二维形体渐变技术中，主要研究方向分有两个，其一，如何避免或者降低物体变形过程中产出的错乱交错等现象；其二，如何确定起始关键帧和终止关键帧上之间的哪些是相似的地方；其三，如何在保证这些关键帧上的特征在渐变的时候不消失；上述三个问题可总结成二维形体渐变中的两个关键问题，也就是顶点对应的问题和顶点路径插值的问题。顶点对应问题研究的是怎样确定起始关和终止关键帧多边形形体之间顶点的对应关系；顶点插值问题研究的是怎样处理图像变形过程中对应元素的运动路线，在有些研究中也叫做顶点路径问题。
三、动画制作系统的实现
系统根据用户绘制的起始关键帧和终止关键帧图像，对其进行矢量表示，并自动插值生成渐变的中间帧序列，从而形成一个完整的动画序列。另外系统根据用户导入的三维模型，可以生成风格化的二维投影效果，将其绘制到二维画布中。
动画制作系统有画布、动画播放和3D模型及多个滑动列表。其中设计的功能模块主要包括，工程管理、图层上帧的设置、矢量图形的绘制及编辑、中间帧自动生成与上色、三维辅助的二维图像绘制、动画播放和动画的导入导出等多个部分。矢量图形的绘制与编辑，首先是要选择绘图工具，系统可以实现绘制直线、矩形、椭圆以及文本等矢量图形，也可以对矢量图像进行颜色填充，颜色填充要使用到颜色模板。用户可通过鼠标或者数位板直接在画布中进行矢量图形的绘制，然后可以对绘制好的图形进行颜色填充。中间帧自动生成是对绘制好的矢量图形进行区域匹配，进而对匹配好的区域进行插值得到中间帧序列，中间帧自动上色是利用区域匹配结果，将初始帧的上色结果自动传递到后续帧的过程。三维辅助的二维图像绘制是通过系统导入三维模型，并将三维模型布置到三维空间中，通过计算检测到模型上的特征线，最后将这些特征线进行明暗变换处理风格化绘制在动画帧中。
四、结论
本文研究目的是在系统上实现位图矢量化、中间帧自动生成与上色以及三维辅助的二维图形绘制，将动画制作人员从绘制中间帧、着色等环节解放出来。如何开发出完善的二维动画制作系统，突破原有动画制作技术是本文旨在解决的问题。目前该课题的研究工作仍存在一些值得改进的地方，第一、可进一步考虑增加三维图层及视频图层的矢量化编辑功能；第二、在中间帧生成过程中，针对人体角色，增加骨架模型的驱动功能，实现变形效果更加自然的中间帧；在以后的工作中，将从以下几个方面进一步进行研究：针对目前系统的开发还有很多要改进的地方，下一步对如何基于运动数据驱动的人体角色动画生成，实现更多更丰富的人物角色动画生成；研究怎么让中间渐变形体的曲线特征更具有艺术效果，生成效果更自然平滑的中间帧，让更多的创新型艺术思想融合到系统开发中；研究矢量图像的绘制效果更加丰富，在绘制时不受太多的系统限制，可以自由的发挥绘画者的技能；此外，将原型系统按照商业化的要求进行测试及二次开发，争取早日将其推广。
参考文献
[1]王剑明.二维动画相关匹配构造技术的研究[D].厦门大学，2014：110.
[2]朱鹏.三维技术在二维动画影片中的应用「D].北京工业大学，2013：10-12.
[3]魏三强，张超，马璐，侯舞阳.二维动画与三维动画的融合技艺[[J].西安工程大学学报，2013，27（2）：181-184.
[4]严顺.数字化技术在二维动画设计中的应用研究[D].山东大学，2010：20-25.
[5]杨华.二维动画短片《老人与狗》的制作研究与分析「D].浙江工业大学，2012：220.
[6]方建文，彭韧，于金辉.计算机生成中国传统祥云动画[J1.中国图象图形学报，2013，18（12）：1660-1665.