三維舞臺燈光效果中的動畫效果模擬

沈縈華，方瑜驊，呂朝輝，李春紅

(中國傳媒大學信息工程學院，北京100024)

1 引言

在實際的舞臺場景燈光效果設計過程中，存在著大量的不確定性，設計師們在設計模擬中，常常需要大量的時間精力以及能源的投入，這對于他們是一個很大的考驗，同時也存在著很大的風險，這使得舞臺燈光效果設計工作存在著許多不確定性，可控性差而又成本高昂。

因此設計師們急需一個能夠實時模擬場景燈光效果的平臺，能夠方便逼真地模擬實時的三維舞臺場景和燈光環(huán)境。

本文中，通過OGRE提供的三維實時模擬功能，我們把設計師的靜態(tài)設計和創(chuàng)作轉化成具有臨場感和交互能力的三維虛擬場景。不僅能夠模擬靜態(tài)的場景和燈光效果，也能模擬動態(tài)的場景燈光動畫效果。這樣設計師們可以實時對舞臺中各種不同特效進行定制，隨時捕捉并將設計者的新穎構思以及創(chuàng)意展現出來［1］。而可定制動畫功能的加入，也讓設計師們能設計出更為豐富絢麗的舞臺場景效果。

2 系統(tǒng)架構

2.1 邏輯架構

這里重點介紹一下動畫模擬設計的邏輯架構。

整體架構以OGRE引擎為基礎，底層的資源類和插件類負責插件和舞臺建模資源以及各種特效材質資源的導入，引擎框架負責控制場景管理器和場景監(jiān)聽器，最終通過執(zhí)行器啟動舞臺場景的創(chuàng)建和舞臺幀監(jiān)聽器。

主框架如下圖所示:

圖1 系統(tǒng)架構圖

3 系統(tǒng)動畫效果實現

OGRE提供了相當靈活的動畫系統(tǒng)，通過它可以做各種各樣的應用［2］。

骨骼動畫運用骨骼結構來定義網格數據。

頂點動畫保存頂點的快照來決定網格數據如何改變。

場景節(jié)點動畫根據預先定義的路徑來操作場景節(jié)點上掛接的實體的運動產生動畫效果。

數值動畫OGRE提供擴展的類來根據任何值產生動畫效果。

3.1 追光燈動畫實現

在場景中主要用到了骨骼動畫和節(jié)點動畫兩種。通過骨骼動畫模擬行走的機器人，通過場景節(jié)點動畫來模擬追光燈的效果。

OGRE中定義了關鍵幀，關鍵幀可以表示驅動物關鍵幀的狀態(tài)與相應的時間點，這樣可以為一個可驅動點定義多個關鍵幀。把這些關鍵幀組合起來，形成動畫的軌跡［3］。

場景中追光燈的動畫效果主要分以下幾步來進行創(chuàng)建:

1.創(chuàng)建燈光結點以及人物的結點動畫對象。

2.創(chuàng)建人物動畫的結點軌跡以及關鍵幀的動作，讓人物沿著固定的軌跡前進。當運動到固定結點的時候，改變前進的方向。

3.創(chuàng)建燈光的結點軌跡，讓燈光跟隨人物的運動軌跡，實現追光的效果。

4.創(chuàng)建一個動畫狀態(tài)的對象，把已創(chuàng)建的動畫對象與動畫狀態(tài)對象進行關聯，并通過動畫對象進行動畫播放控制。

追光燈效果如下圖所示:

3.2 燈光節(jié)點動畫實現

舞臺燈光設計師通常要進行動態(tài)燈光效果的設置，在舞臺的不同位置添置燈光，設置燈光在不同時間段的特效，朝向，種類等效果。應用節(jié)點動畫的技術，設置燈光節(jié)點在每一幀下的信息，設置完畢后，播放整個節(jié)點動畫［4］。

燈光節(jié)點動畫效果如下:

圖4 燈光節(jié)點動畫

3.3 場景動畫實現

場景中如果只有燈光動畫的話，舞臺效果就會顯得單薄，因此需要系統(tǒng)提供場景動畫的設置，使得場景效果也能加到動畫序列中來，整體舞臺動畫效果也更為豐富多彩。

場景動畫重點要設置動畫的時序、狀態(tài)、場景效果三個要素，系統(tǒng)會在設置的時間段內播放相應場景效果，并根據時序改變場景效果狀態(tài)。

場景動畫效果如下:

圖5 系統(tǒng)場景動畫

下面用流程圖來展示系統(tǒng)動畫的實現過程:

圖6 系統(tǒng)動畫實現

在添加一個元動畫的時候，系統(tǒng)會根據用戶的設定添加元動畫，根據元動畫的種類進行動畫屬性設置與打包，最終添加到動畫序列中。動畫播放過程中，系統(tǒng)會判斷并顯示每個元動畫的各個屬性值以及運行狀態(tài)，在動畫播放完畢后，用戶可以對動畫進行重新編輯，并再次播放。

4 系統(tǒng)動畫定制

4.1 系統(tǒng)動畫定制時序

舞臺動畫效果模擬主要由以下部分組成:

圖7 舞臺動畫效果

動畫播放時，會根據各個元動畫的時序和狀態(tài)，決定動畫播放順序［5］。

具體定制播放時序圖如下所示:

圖8 動畫定制時序圖

系統(tǒng)會首先進行動畫定制環(huán)境的初始化，對動畫序列所需的程序和數據進行準備工作。

然后根據用戶選擇的動畫種類，針對場景動畫和燈光節(jié)點動畫分別給用戶提供不同的動畫定制方案。

用戶選擇想要定制的動畫并對動畫中各個參數進行設置后，便可以把相應的動畫加入動畫序列中，又系統(tǒng)進行整體調度。

系統(tǒng)根據動畫起始時間，運行時長和優(yōu)先級對動畫序列進行調度，設定各個元動畫的優(yōu)先級。

最終播放動畫的時候，系統(tǒng)會實時記錄各個元動畫的播放狀態(tài)，并在交互面板上通知設計者。

4.2 用戶動畫定制流程

根據系統(tǒng)實現，用戶定制動畫的流程如下圖所示。

首先系統(tǒng)會進行動畫定制環(huán)境的初始化工作，將動畫序列清空，并準備動畫所需資源。

接下來用戶會添加元動畫到動畫序列中，這里元動畫有兩個種類，場景類元動畫和燈光類元動畫。用戶選擇想要添加的動畫種類，然后可以設置相關元動畫的各項參數信息。

圖9 動畫定制流程圖

對于添加燈光類元動畫，用戶有多種不同種類的燈光可以選擇，例如聚光燈動畫、追光燈動畫、柔光燈動畫等。選定燈光種類后，用戶可以對燈光相關參數進行設置，包括燈光顏色、強度、中心角、照射范圍、旋轉角度等。燈光動畫同樣支持一燈多動畫，即一盞燈可以在不同的時段播放不同的燈光動畫效果。用戶設定時只需在不同的時間段，給同一個燈光節(jié)點賦予不同的燈光參數即可。

對于添加場景類動畫，用戶可以對常見的場景特效作為動畫進行添加，這樣舞臺就可以在特定的時間播放場景動畫。用戶設定時只需設定場景動畫的種類和播放時段，場景特效便能在特定的時段播放。

動畫播放時，用戶可以在前端觀察每個元動畫的播放狀態(tài)。動畫播放完成后，用戶同樣可以對現有動畫序列進行重新設定和播放，支持任意元動畫以及動畫序列的可重入功能。

5 結束語

隨著三維仿真技術的不斷發(fā)展，專業(yè)舞臺燈光領域也跨入了全面的數字化時代。系統(tǒng)建立虛擬仿真3D舞臺，對舞臺燈光設計及調整進行實時呈現，同時為舞臺燈光設計師提供了豐富的系統(tǒng)交互功能，能夠很好的解決這一難題。

本文在全面模擬舞臺燈光效果的基礎上，重點介紹了舞臺場景燈光動畫效果的模擬。對于追光燈動畫，燈光節(jié)點動畫，場景動畫以及整體動畫序列的定制與播放進行了闡述，并對具體動畫播放的效果進行呈現。這樣舞臺燈光設計師能夠靈活的定制想要的動畫效果，并設置動畫播放的時間順序，在任意想要的時間播放。

系統(tǒng)在架構，友好性以及系統(tǒng)效率與穩(wěn)定性方面都有一定的優(yōu)勢，無論是對于燈光設計師、演出導演、燈光控制操作者，還是對于燈光美術教學和做燈光效果演示等都是一個非常專業(yè)且實用的設計工具和得力助手。

［1］ 金小剛，鮑虎軍，彭群生.計算機動畫技術綜述［J］. 軟件學報，1997，8(4):241-251.

［2］ D Heam，P Baker.Computer Graphics C Version，2nd Edition［M］. 北京:清華大學出版社，1998.

［3］ 范巖萍，羅學科，楊方廷.基于MultiGen Creator的復雜飛機模型建模方法研究［J］.北方工業(yè)大學學報.2009，21(3):14-18.

［4］ T Coleman.MAYA角色動畫技術［M］.北京:清華大學出版社，2000.

［5］ R Fernando.GPU精粹——實時圖形編程的技術、技巧和技藝［M］.北京:人民郵電出版社，2006:100-106.