动画和动作模糊
2020-01-09
我做了一期小组分享，主题叫做动画和模糊，觉得值得分享出来。
题图是来自火箭摄影师 John Kraus 拍摄的猎鹰 9 号的发射过程。
TL;DR
- 动画的历史很长
- 帧数越多不意味信息一定越多
- 电影以 24 fps 做流畅标准，游戏以 60 fps 做流畅标准，很大原因是因为电影的每一帧的信息量要比游戏的一帧更多
- 合适的模糊可以增加时间维度上的信息
动画历史
动画是有很久的历史，远比电影的出现早。
史前时代
肖维岩洞洞壁上的野牛。为人类已知最早的史前艺术（没有之一）。想象一下在洞穴中，闪动的火苗，你恍惚能看到壁画动了起来。
古代
在 Shahr-e Sookhteh （被焚之城）出土的陶器（现存伊朗国家博物馆）上的绘画
对上图合成的逐帧动画
中国在秦朝出现了蟠螭灯，即为走马灯
近代至电影出现之前
1437年左右意大利建筑师、建筑理论家、作家、诗人、哲学家、密码学家莱昂·巴蒂斯塔·阿尔伯蒂被认为发明了最早的西洋镜。
费纳奇镜，1832年由比利时人约瑟夫·普拉托（Joseph Plateau）和奥地利人西蒙·冯施坦普费尔（Simon von Stampfer）发明。
有记录的最早的手翻书 1886年 kineograph (“moving picture”)
电影发明以来
世界上第一部电影《郎德海花园场景》(1888)
19世纪出现了定格动画，现存最早的定格动画是 An Appeal（1899）
蜘蛛侠平行世界 （2018）
照相机成像原理
照相机有三个主要功能部件，镜头、感光元件、快门。
镜头
镜头筛选调整射到感光元件的光线。
小孔成像中的小孔可以认为是一个镜头，小孔能使光路偏差很小，使得图像能清晰，减少模糊，但是入光总量会大幅度降低，所以现实生活中使用的是一定体积结构的透明物体（比如玻璃、塑料）用折射反射的方式来加大入光量。但这也会引起畸变、镜头光晕等效果，而且不同波长的光有着不同的光路，也会对清晰度产生不利影响。CG 中的简单相机和针孔摄像机比较相似，光路是直线。使用光追的 CG 相机直接取了颜色，没有倒像的过程。
快门
帘式快门
胶片摄像机快门
感光元件
最早照片由尼埃普斯在 1826 年摄制，后与达盖尔合作。达盖尔改良其方法后发明达盖尔银版法。化学原理为碘化银受光分解出银。卤化银方法后使用在胶片中。照射到的光子越多，分解出的银越多。
数字摄影使用 CCD 或 CMOS 来作为感光元件，这两者的光电转换原理相同，使用光电效应，将光子转换成电荷。电荷数量经过放大器能够得到电压，可以通过读取电压倒推出入射光线数量。
思考时间和运动对上述成像的影响。
人眼成像原理
人眼成像是一个相当复杂的系统，有很重的人脑后期。光线打到视网膜前跟镜头差不多，然后视杆细胞解释明暗，视锥细胞解释颜色，以某种形式的电化学信号传输到大脑皮层，进行解析，产生视觉。上述过程中貌似有某种周期影响，造成了名为视觉暂留的现象。
计算机成像原理
计算机图形学中使用其次坐标矩阵又名投影矩阵来进行透视投影相机的渲染。这个过程和小孔成像的物理意义上类似。
正交投影更简单一些。可使用变换矩阵得到。
在这个渲染过程中只看单帧是没有时间跨度上的信息的，所以无法渲染出运动的过程。
可以思考一下时间和运动对渲染的影响。
上述计算机成像和摄影摄像的区别
上述计算机成像丢失了时间跨度上的信息，没有曝光时间的概念，成像在时间轴上的时间点。而摄影摄像能够保存在曝光时间内的信息。因此导致在 CG 里行业以 60 fps 作为流畅标准，而在电影业内以 24 fps 作为流畅标准。因为在人眼生成视觉的过程中，CG 需要更多的帧数才能达到电影中获得的信息量，产生流畅的感觉。
计算机 motion blur 方法
motion blur 是一种视觉效果，给人眼更真实更流畅的感觉。
左图有 motion blur 右图没有
主要有两种方式，一是渲染多帧后合成，一种是获取顶点相对摄像机在底片上的速度（类似与角速度）后进行涂抹。
多帧合成
在电影行业中使用较多，因为没有实时性的要求，可以随意渲染任意间隔数量的图片后合成。
速度向量
相对上一种方法减少了很多计算量，但是对于在屏幕内明显曲线运动的容易造成失真。如果硬件能够支持实时渲染更多帧，那不需要这种方法，将帧尽可能快地渲染到显示器上，人脑会补全运动感。
电影和游戏的特例
有游戏使用 motion blur 但同时限制帧数为 24 fps 来故意营造电影感，这种情况不一定只使用速度向量的方式。
也有电影为了营造艺术感，完全不使用 motion blur，例如在《蜘蛛侠 · 平行宇宙》中使用手绘模糊背景和动线等漫画画法来营造特殊的视觉效果。