1.3 數(shù)字動(dòng)畫的基礎(chǔ)知識(shí)

1.3.1 數(shù)字視頻基礎(chǔ)知識(shí)

在制作數(shù)字動(dòng)畫作品之前，首先要了解一些數(shù)字視頻的基礎(chǔ)知識(shí)。

1.運(yùn)動(dòng)感覺的獲得

在計(jì)算機(jī)中，動(dòng)畫中的一幀畫面由縱橫矩陣排列的像素點(diǎn)構(gòu)成，如圖1-7所示。在PAL制式的視頻信號(hào)中，每幀畫面由625個(gè)掃描行構(gòu)成；在NTSC制式的視頻信號(hào)中，每幀畫面由525個(gè)掃描行構(gòu)成。

連續(xù)的視頻信息要利用人眼的視覺閾限和視覺暫留特性產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)畫面的感覺，就要求在每一秒鐘內(nèi)播放一定數(shù)量的畫面信息，例如要產(chǎn)生馬連續(xù)跑動(dòng)的視頻效果，就要通過連續(xù)快速播放一系列的單幀畫面獲得，如圖1-8所示。

因此，每一秒鐘掃描多少幀畫面就稱為視頻的幀速率，在PAL制式的視頻信號(hào)中，幀速率為25幀/秒；在NTSC制式的視頻信號(hào)中，幀速率為30幀/秒。當(dāng)達(dá)到以上幀速率時(shí)，便可以獲得連續(xù)平滑的運(yùn)動(dòng)畫面效果。

2.電視制式

電視制式?jīng)Q定了視頻、音頻信息的傳輸、存儲(chǔ)等方式，目前世界上常見的電視制式包含NTSC制式（美國(guó)和日本使用）、PAL制式（中國(guó)和歐洲大多數(shù)國(guó)家采用）、SECAM（俄羅斯和法國(guó)等國(guó)家采用）。下面就分別對(duì)這3種彩色電視制式進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

（1）NTSC制式

NTSC制式又稱為恩制。NTSC制式屬于同時(shí)制，是美國(guó)在1953年12月首先研制成功的，并以美國(guó)國(guó)家電視系統(tǒng)委員會(huì)（National Television System Committee）的縮寫命名。這種制式的色度信號(hào)調(diào)制特點(diǎn)為平衡正交調(diào)幅制，即包括了平衡調(diào)制和正交調(diào)制兩種，雖然解決了彩色電視和黑白電視廣播相互兼容的問題，但是存在相位容易失真、色彩不太穩(wěn)定的缺點(diǎn)。

NTSC制式電視的供電頻率為60Hz，場(chǎng)頻為每秒60場(chǎng)，幀頻為每秒30幀，掃描線為525行，圖像信號(hào)帶寬為6.2MHz。

（2）PAL制式

PAL制式又稱為帕爾制。PAL制式是為了克服NTSC制式對(duì)相位失真的敏感性，1962年，由聯(lián)邦德國(guó)在綜合NTSC制式的技術(shù)成就基礎(chǔ)上研制出來的一種改進(jìn)方案。PAL制式是英文Phase Alteration Line的縮寫，意思是逐行倒相，也屬于同時(shí)制。它對(duì)同時(shí)傳送的兩個(gè)色差信號(hào)中的一個(gè)色差信號(hào)采用逐行倒相，另一個(gè)色差信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)制方式。這樣，如果在信號(hào)傳輸過程中發(fā)生相位失真，則會(huì)由于相鄰兩行信號(hào)的相位相反起到互相補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑥亩行У乜朔艘蛳辔皇д娑鸬纳首兓?/p>

PAL制式電視的供電頻率為50Hz，場(chǎng)頻為每秒50場(chǎng)，幀頻為每秒25幀，掃描線為625行，圖像信號(hào)帶寬分別為4.2MHz、5.5MHz、5.6MHz等。單幀圖像的質(zhì)量要比NTSC制式高。

（3）SECAM制式

SECAM制式即塞康制。它是法文Sequentiel Couleur AMemoire的縮寫，意思為“按順序傳送彩色與存儲(chǔ)”，是由法國(guó)在1966年研制成功的，它屬于同時(shí)順序制。在信號(hào)傳輸過程中，亮度信號(hào)每行都傳送，而兩個(gè)色差信號(hào)則是逐行依次傳送，即用行錯(cuò)開傳輸時(shí)間的辦法來避免同時(shí)傳輸時(shí)所產(chǎn)生的串色以及由其造成的彩色失真。

3.模擬與數(shù)字

不論P(yáng)AL視頻制式還是NTSC視頻制式，采用的都是模擬信號(hào)方式。模擬信號(hào)利用電流的連續(xù)強(qiáng)弱變化記錄視頻信息，而數(shù)字視頻信號(hào)采用0、1二進(jìn)制編碼模式記錄信息，如果將模擬信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行非線性編輯，就要首先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，這一過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能。

表示電流強(qiáng)弱的模擬波形在時(shí)間上是連續(xù)的，為了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，就要將連續(xù)的波形轉(zhuǎn)換為在時(shí)間上離散分布的一些數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而將連續(xù)的曲線轉(zhuǎn)化為由點(diǎn)構(gòu)成的虛線。如圖1-9所示，是模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的采樣與量化過程。

橫坐標(biāo)方向?yàn)椴蓸舆^程，即每隔一定時(shí)間間隔獲取一次模擬波形的振幅信號(hào)。模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的第一個(gè)重要指標(biāo)就是采樣頻率，以每秒鐘的采樣次數(shù)標(biāo)定，單位為Hz。每秒鐘采樣1次就是1Hz；每秒鐘采樣1000次就是1kHz。采樣頻率的數(shù)值越高，單位時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)就越密集，采集到的數(shù)字點(diǎn)所能表現(xiàn)的模擬波形就越連續(xù)，當(dāng)然采集結(jié)果的數(shù)據(jù)量也就越大。

縱坐標(biāo)方向?yàn)榱炕^程，即將采樣點(diǎn)的十進(jìn)制振幅信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)。模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的第二個(gè)重要指標(biāo)就是量化等級(jí)，縱坐標(biāo)的分割越精細(xì)，量化等級(jí)就越高，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的精度就越高。由于計(jì)算機(jī)中使用的都是二進(jìn)制數(shù)值，所以量化等級(jí)就只能用二進(jìn)制的整數(shù)次冪來表示。如8位量化等級(jí)表示2⁸=256；32位量化等級(jí)表示2³²=4,294,967,296。

4.SMPTE時(shí)碼

為了精確指定視頻素材片段的長(zhǎng)度，以及單幀畫面所在的時(shí)間位置，以便在剪輯和回放過程中精確指定時(shí)間，就需要用特定的時(shí)間代碼為每一個(gè)幀畫面進(jìn)行編號(hào)。時(shí)間代碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為SMPTE時(shí)碼，其表示方式為h:m:s:f，即小時(shí)：分鐘：秒：幀數(shù)，如圖1-10所示。一個(gè)時(shí)碼長(zhǎng)度為00：08：40：15的素材片段總的回放時(shí)間為8分鐘40.5秒。

對(duì)于NTSC制式的視頻信息，由于彩色視頻信號(hào)的技術(shù)原因，通常采用29.97幀/秒的幀速率，而非黑白視頻信號(hào)的30幀/秒的幀速率，當(dāng)近似采用30幀/秒的幀速率進(jìn)行替代時(shí)，造成實(shí)際播放時(shí)間與實(shí)際測(cè)量時(shí)間有0.1%的誤差，所以對(duì)于NTSC制式的視頻信號(hào)還可以被分為No Drop Frame（非掉幀）時(shí)碼和Drop Frame（掉幀）時(shí)碼兩種模式。非掉幀時(shí)碼忽略這0.1%的誤差，所以時(shí)碼計(jì)數(shù)不精確；掉幀時(shí)碼在每分鐘自動(dòng)忽略兩幀畫面，并在每10分鐘的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行9次掉幀計(jì)算，可以獲得比較精確的時(shí)碼計(jì)數(shù)。如圖1-11所示，對(duì)于PAL制式，由于采用25幀/秒的幀速率就不存在是否進(jìn)行掉幀計(jì)算的問題。

5.壓縮

在數(shù)字動(dòng)畫制作過程中壓縮是必須的，例如以720×576的畫面大小進(jìn)行采集，以8位的量化等級(jí)來進(jìn)行數(shù)字化，則每一秒鐘視頻片段的存儲(chǔ)尺寸就達(dá)21.1MB，1GB的硬盤也只能存儲(chǔ)50秒的視頻片段，如此大的數(shù)據(jù)量，使得傳輸、存儲(chǔ)和處理都很困難。利用壓縮技術(shù)就可以有效地減小視頻片段的數(shù)據(jù)量。數(shù)字動(dòng)畫的壓縮可以分為有損壓縮和無損壓縮兩種，壓縮比參數(shù)就表示數(shù)字化視頻信息壓縮前后文件大小的比率關(guān)系。

壓縮不一定影響視頻畫面的質(zhì)量，常見的壓縮方式包括。

（1）利用視頻圖像的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行壓縮，去掉表示冗余信息的數(shù)據(jù)。

（2）從人眼睛視覺特性出發(fā)，對(duì)人眼不太敏感的信息用較小的數(shù)據(jù)信息表示。

在數(shù)字電影制作過程中常見的壓縮算法包括：幀內(nèi)壓縮Motion-JPEG（簡(jiǎn)稱M-JPEG）和幀間壓縮MPEG。

Motion-JPEG是利用JPEG壓縮技術(shù)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)圖像，即對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)的每一幀進(jìn)行JPEG壓縮，以減少數(shù)字視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量。由于數(shù)據(jù)量成倍減少，就降低了數(shù)字影片的存儲(chǔ)成本，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋瑴p少了對(duì)計(jì)算機(jī)總線和網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力。

與M-JPEG壓縮技術(shù)相比，MPEG則在保證最佳的視頻圖像質(zhì)量的前提下，大幅地提高數(shù)據(jù)壓縮比，以便更有效地減少視頻信息的數(shù)據(jù)量。MPEG壓縮方式可以達(dá)到140:1的壓縮比；采用不對(duì)稱算法，壓縮計(jì)算時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于解壓縮時(shí)間，所以壓縮過程常用硬件。

所謂MPEG壓縮是指根據(jù)運(yùn)動(dòng)圖像相鄰幀畫面之間有一定相似性的原則，通過運(yùn)動(dòng)畫面?zhèn)蓽y(cè)，參考前一幀圖像與當(dāng)前一幀圖像的像素相似情況，去掉與前一幀畫面相似的冗余像素?cái)?shù)據(jù)，而只記錄當(dāng)前幀與上一幀畫面不同的數(shù)據(jù)，從而大大提高了視頻數(shù)據(jù)的壓縮效率，這種壓縮方法也稱為幀相關(guān)壓縮。MPEG壓縮是以圖像組（GOP）為一個(gè)單元的，分別由I幀和B、P幀構(gòu)成。I幀被稱為參考幀，是其他幀的參考起始幀，所以I幀是一個(gè)能夠完全記載這一幀全部圖像數(shù)據(jù)的幀，亦稱全幀；P幀是前向偵測(cè)幀，根據(jù)與前一幀圖像的像素比較，去掉與前幀相似的數(shù)據(jù)而構(gòu)成的幀；B幀是雙向偵測(cè)幀，根據(jù)與前后幀圖像的比較而得到的幀。P、B幀都是一個(gè)不完全幀，它們需要依靠I幀而成立。

MPEG壓縮模式在獲得廣播級(jí)數(shù)字視頻質(zhì)量的前提下，可以實(shí)現(xiàn)20:1的壓縮比，數(shù)據(jù)率可降至1MB/s，一小時(shí)的視頻節(jié)目只占用3.6GB的存儲(chǔ)空間。但是由于MPEG-II格式只有I幀是一個(gè)完整的幀畫面，所以在非線性編輯過程中以幀為精度單位進(jìn)行剪輯時(shí)會(huì)帶來一些困難。

1.3.2 數(shù)字動(dòng)畫制作流程

數(shù)字動(dòng)畫可以依據(jù)以下制作流程進(jìn)行。

（1）確定劇本，進(jìn)行數(shù)字動(dòng)畫的前期策劃。

（2）制定拍攝計(jì)劃并繪制故事板，如圖1-12所示，很多動(dòng)畫影片剪輯的工作其實(shí)是在這一步完成的。

（3）制作影片的圖像、視頻和音頻素材。

（4）采集素材片段，即把需要的素材片段都導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)的硬盤中。

（5）剪輯素材（非線性編輯），依據(jù)故事板對(duì)原始圖像、視頻或音頻素材進(jìn)行對(duì)位編排；在素材片段之間加入適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)場(chǎng)效果。

（6）數(shù)字后期合成，利用Premiere CC、After Effects等軟件編輯素材片段（如色彩平衡調(diào)整、明度對(duì)比度調(diào)整等）、添加特技效果、指定疊加與透明鍵、編輯動(dòng)畫效果等。

（7）渲染、輸出、壓縮編輯完成的影片，并將影片回錄到數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的磁帶上或直接刻錄到光盤中。

隨著數(shù)字視頻/音頻兼容性與網(wǎng)絡(luò)支持的提高，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)素材編輯及成果共享，多個(gè)非線性編輯系統(tǒng)就可以協(xié)同進(jìn)行編輯。最近ATM高速寬帶光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)已在Avid等非線性編輯系統(tǒng)上得到了一定的應(yīng)用。相信不久的將來，數(shù)字動(dòng)畫制作將從單純后期制作向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作編輯、現(xiàn)場(chǎng)編輯、遠(yuǎn)程編輯、實(shí)時(shí)編輯的方向發(fā)展。