1.3 数字动画的基础知识
1.3.1 数字视频基础知识
在制作数字动画作品之前，首先要了解一些数字视频的基础知识。
1.运动感觉的获得
在计算机中，动画中的一帧画面由纵横矩阵排列的像素点构成，如图1-7所示。在PAL制式的视频信号中，每帧画面由625个扫描行构成；在NTSC制式的视频信号中，每帧画面由525个扫描行构成。
图1-7 由像素构成的一帧
连续的视频信息要利用人眼的视觉阈限和视觉暂留特性产生运动画面的感觉，就要求在每一秒钟内播放一定数量的画面信息，例如要产生马连续跑动的视频效果，就要通过连续快速播放一系列的单帧画面获得，如图1-8所示。
因此，每一秒钟扫描多少帧画面就称为视频的帧速率，在PAL制式的视频信号中，帧速率为25帧/秒；在NTSC制式的视频信号中，帧速率为30帧/秒。当达到以上帧速率时，便可以获得连续平滑的运动画面效果。
图1-8 马的动作分解
2.电视制式
电视制式决定了视频、音频信息的传输、存储等方式，目前世界上常见的电视制式包含NTSC制式（美国和日本使用）、PAL制式（中国和欧洲大多数国家采用）、SECAM（俄罗斯和法国等国家采用）。下面就分别对这3种彩色电视制式进行详细的介绍。
（1）NTSC制式
NTSC制式又称为恩制。NTSC制式属于同时制，是美国在1953年12月首先研制成功的，并以美国国家电视系统委员会（National Television System Committee）的缩写命名。这种制式的色度信号调制特点为平衡正交调幅制，即包括了平衡调制和正交调制两种，虽然解决了彩色电视和黑白电视广播相互兼容的问题，但是存在相位容易失真、色彩不太稳定的缺点。
NTSC制式电视的供电频率为60Hz，场频为每秒60场，帧频为每秒30帧，扫描线为525行，图像信号带宽为6.2MHz。
（2）PAL制式
PAL制式又称为帕尔制。PAL制式是为了克服NTSC制式对相位失真的敏感性，1962年，由联邦德国在综合NTSC制式的技术成就基础上研制出来的一种改进方案。PAL制式是英文Phase Alteration Line的缩写，意思是逐行倒相，也属于同时制。它对同时传送的两个色差信号中的一个色差信号采用逐行倒相，另一个色差信号进行正交调制方式。这样，如果在信号传输过程中发生相位失真，则会由于相邻两行信号的相位相反起到互相补偿的作用，从而有效地克服了因相位失真而引起的色彩变化。
PAL制式电视的供电频率为50Hz，场频为每秒50场，帧频为每秒25帧，扫描线为625行，图像信号带宽分别为4.2MHz、5.5MHz、5.6MHz等。单帧图像的质量要比NTSC制式高。
（3）SECAM制式
SECAM制式即塞康制。它是法文Sequentiel Couleur AMemoire的缩写，意思为“按顺序传送彩色与存储”，是由法国在1966年研制成功的，它属于同时顺序制。在信号传输过程中，亮度信号每行都传送，而两个色差信号则是逐行依次传送，即用行错开传输时间的办法来避免同时传输时所产生的串色以及由其造成的彩色失真。
3.模拟与数字
不论PAL视频制式还是NTSC视频制式，采用的都是模拟信号方式。模拟信号利用电流的连续强弱变化记录视频信息，而数字视频信号采用0、1二进制编码模式记录信息，如果将模拟信号输入到计算机中进行非线性编辑，就要首先将模拟信号转变为数字信号，这一过程称为模/数转换功能。
表示电流强弱的模拟波形在时间上是连续的，为了将模拟信号转换为数字信号，就要将连续的波形转换为在时间上离散分布的一些数据点，从而将连续的曲线转化为由点构成的虚线。如图1-9所示，是模拟量转换为数字量的采样与量化过程。
图1-9 采样与量化
横坐标方向为采样过程，即每隔一定时间间隔获取一次模拟波形的振幅信号。模拟量转换为数字量的第一个重要指标就是采样频率，以每秒钟的采样次数标定，单位为Hz。每秒钟采样1次就是1Hz；每秒钟采样1000次就是1kHz。采样频率的数值越高，单位时间内的采样点就越密集，采集到的数字点所能表现的模拟波形就越连续，当然采集结果的数据量也就越大。
纵坐标方向为量化过程，即将采样点的十进制振幅信号转换为二进制的数字信号。模拟量转换为数字量的第二个重要指标就是量化等级，纵坐标的分割越精细，量化等级就越高，模拟量转换为数字量的精度就越高。由于计算机中使用的都是二进制数值，所以量化等级就只能用二进制的整数次幂来表示。如8位量化等级表示28=256；32位量化等级表示232=4,294,967,296。
4.SMPTE时码
为了精确指定视频素材片段的长度，以及单帧画面所在的时间位置，以便在剪辑和回放过程中精确指定时间，就需要用特定的时间代码为每一个帧画面进行编号。时间代码的国际标准为SMPTE时码，其表示方式为h:m:s:f，即小时：分钟：秒：帧数，如图1-10所示。一个时码长度为00：08：40：15的素材片段总的回放时间为8分钟40.5秒。
图1-10 Premiere CC中的时码
对于NTSC制式的视频信息，由于彩色视频信号的技术原因，通常采用29.97帧/秒的帧速率，而非黑白视频信号的30帧/秒的帧速率，当近似采用30帧/秒的帧速率进行替代时，造成实际播放时间与实际测量时间有0.1%的误差，所以对于NTSC制式的视频信号还可以被分为No Drop Frame（非掉帧）时码和Drop Frame（掉帧）时码两种模式。非掉帧时码忽略这0.1%的误差，所以时码计数不精确；掉帧时码在每分钟自动忽略两帧画面，并在每10分钟的时间内进行9次掉帧计算，可以获得比较精确的时码计数。如图1-11所示，对于PAL制式，由于采用25帧/秒的帧速率就不存在是否进行掉帧计算的问题。
图1-11 Premiere CC中的时码设置
5.压缩
在数字动画制作过程中压缩是必须的，例如以720×576的画面大小进行采集，以8位的量化等级来进行数字化，则每一秒钟视频片段的存储尺寸就达21.1MB，1GB的硬盘也只能存储50秒的视频片段，如此大的数据量，使得传输、存储和处理都很困难。利用压缩技术就可以有效地减小视频片段的数据量。数字动画的压缩可以分为有损压缩和无损压缩两种，压缩比参数就表示数字化视频信息压缩前后文件大小的比率关系。
压缩不一定影响视频画面的质量，常见的压缩方式包括。
（1）利用视频图像的统计特性进行压缩，去掉表示冗余信息的数据。
（2）从人眼睛视觉特性出发，对人眼不太敏感的信息用较小的数据信息表示。
在数字电影制作过程中常见的压缩算法包括：帧内压缩Motion-JPEG（简称M-JPEG）和帧间压缩MPEG。
Motion-JPEG是利用JPEG压缩技术优化运动图像，即对数字视频信号的每一帧进行JPEG压缩，以减少数字视频信号的数据量。由于数据量成倍减少，就降低了数字影片的存储成本，提高了数据传输的速度，减少了对计算机总线和网络带宽的压力。
与M-JPEG压缩技术相比，MPEG则在保证最佳的视频图像质量的前提下，大幅地提高数据压缩比，以便更有效地减少视频信息的数据量。MPEG压缩方式可以达到140:1的压缩比；采用不对称算法，压缩计算时间远远大于解压缩时间，所以压缩过程常用硬件。
所谓MPEG压缩是指根据运动图像相邻帧画面之间有一定相似性的原则，通过运动画面侦测，参考前一帧图像与当前一帧图像的像素相似情况，去掉与前一帧画面相似的冗余像素数据，而只记录当前帧与上一帧画面不同的数据，从而大大提高了视频数据的压缩效率，这种压缩方法也称为帧相关压缩。MPEG压缩是以图像组（GOP）为一个单元的，分别由I帧和B、P帧构成。I帧被称为参考帧，是其他帧的参考起始帧，所以I帧是一个能够完全记载这一帧全部图像数据的帧，亦称全帧；P帧是前向侦测帧，根据与前一帧图像的像素比较，去掉与前帧相似的数据而构成的帧；B帧是双向侦测帧，根据与前后帧图像的比较而得到的帧。P、B帧都是一个不完全帧，它们需要依靠I帧而成立。
MPEG压缩模式在获得广播级数字视频质量的前提下，可以实现20:1的压缩比，数据率可降至1MB/s，一小时的视频节目只占用3.6GB的存储空间。但是由于MPEG-II格式只有I帧是一个完整的帧画面，所以在非线性编辑过程中以帧为精度单位进行剪辑时会带来一些困难。
1.3.2 数字动画制作流程
数字动画可以依据以下制作流程进行。
（1）确定剧本，进行数字动画的前期策划。
（2）制定拍摄计划并绘制故事板，如图1-12所示，很多动画影片剪辑的工作其实是在这一步完成的。
（3）制作影片的图像、视频和音频素材。
（4）采集素材片段，即把需要的素材片段都导入到计算机的硬盘中。
（5）剪辑素材（非线性编辑），依据故事板对原始图像、视频或音频素材进行对位编排；在素材片段之间加入适当的转场效果。
（6）数字后期合成，利用Premiere CC、After Effects等软件编辑素材片段（如色彩平衡调整、明度对比度调整等）、添加特技效果、指定叠加与透明键、编辑动画效果等。
图1-12 三维动画《沙滩故事》的故事板
（7）渲染、输出、压缩编辑完成的影片，并将影片回录到数字摄像机的磁带上或直接刻录到光盘中。
随着数字视频/音频兼容性与网络支持的提高，利用网络实现素材编辑及成果共享，多个非线性编辑系统就可以协同进行编辑。最近ATM高速宽带光纤传输网络已在Avid等非线性编辑系统上得到了一定的应用。相信不久的将来，数字动画制作将从单纯后期制作向网络协作编辑、现场编辑、远程编辑、实时编辑的方向发展。