航天三維動畫科普影片的制作流程與特性研究

摘 要：三維動畫圖像作品是融合了虛擬圖像技術(shù)性與藝術(shù)的產(chǎn)物。三維動畫在航天探索中得到廣泛的應用，近年來涌現(xiàn)出大量的科研成果。三維動畫圖像服務于科研活動的同時為藝術(shù)的發(fā)展帶來了新的創(chuàng)作方式與藝術(shù)語言，拓寬了藝術(shù)的表現(xiàn)領域。研究三維動畫圖像在航天科學活動中的運用，能夠使三維動畫圖像更好的服務于航天探索工程和其他科研項目，為航天行科普活動與科研的發(fā)展帶來新的契機。

關鍵詞：三維動畫；圖像；藝術(shù)

虛擬三維動畫圖像是建立在繪畫、電影、文學等相關藝術(shù)門類的基礎之上，它吸收了多種的藝術(shù)表現(xiàn)優(yōu)勢，以其更加真實的特質(zhì)吸引無數(shù)觀眾的注意力，不同于傳統(tǒng)的表現(xiàn)方式。虛擬三維動畫圖像不僅僅在視覺語言上有很多新的手段，而且在視覺藝術(shù)的欣賞方面也具有更多新的特征，正是由于它在視覺語言上諸多發(fā)展，從而帶來了視覺藝術(shù)許多新的審美特點，拓寬了視覺藝術(shù)的表現(xiàn)力，滿足了航天科普影片的多元發(fā)展需求。

1 航天動畫科普影片

三維動畫制作是一技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合的工作。在進行制作的過程之中，一方面要在技術(shù)上充分實現(xiàn)新穎的創(chuàng)意要求，一方面，還要在畫面色調(diào)、構(gòu)圖、光線、鏡頭設計銜接、節(jié)奏快慢等方面進行藝術(shù)的再創(chuàng)造。三維動畫與平面設計相比，多了時間和空間的概念，它需要借鑒平面設計的一些法則與影視藝術(shù)的規(guī)律進行創(chuàng)作。

三維圖形技術(shù)越來越被更多的人們所重視，因為三維動畫它比平面圖更加直觀，更能給觀眾以身臨其境的感覺，特別是適用于那些尚未開展或準備開展的項目，使觀者提前領略項目實施后的精彩結(jié)果。如圖1

2 航天動畫制作流程

按照一般制作流程，一部完整的航天動畫影片制作大體上可以分為前期準備工作、中期動畫片段制作與后期合成制作共三個部分。

2.1 前期準備工作

由于三維動畫生產(chǎn)流程復雜，參與人員眾多，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)成本大等因素，對前期的準備工作要求非常高?？梢哉f，前期準備得充分與否是直接關系到項目的成敗。主要包括：影片劇本創(chuàng)作、繪制分鏡頭劇本、進行角色造型設計與場景設計等等。

劇本是動畫片的依據(jù)，需要將文字藝術(shù)轉(zhuǎn)化為視覺藝術(shù)化即用畫面來表現(xiàn)劇本所描述的內(nèi)容，一些不易表現(xiàn)視覺特點的描述是需要避免的。航天科普影片的劇本要求內(nèi)容要健康、積極、條理清晰、邏輯合理。

分鏡頭劇本是導演根據(jù)文學劇本進行的再創(chuàng)作，它們就好像是一格格連續(xù)的連環(huán)畫，使原本只有文字的影片在事先就可以影像化。拿到劇本后先同導演溝通、交流，共同確定基本構(gòu)思和創(chuàng)作方向，然后開始繪制出情節(jié)，表明鏡頭位置，構(gòu)圖和光影、角色方位和動態(tài)、時間等。在沒有正式生產(chǎn)之前，通過簡單的畫面可以看出整個故事的雛形，為后面的生產(chǎn)提供非常有用的價值的參考依據(jù)。導演通過分鏡頭劇本與各部門進行溝通，同時也為生產(chǎn)制作節(jié)約了大量的時間和成本。如圖2

造型設計有人物形象設計、動作設計、動物造型、器物造型等設計，航天影片造型設計的要求比較嚴格，包括標準造型、轉(zhuǎn)面圖、結(jié)構(gòu)圖、比例圖、模型分解圖等，通過角色的典型動作設計，并且附以文字說明來實現(xiàn)。造型要用寫實的方法、要突出角色特征，運動合乎規(guī)律。如圖3

場景設計，航天影片場景設計包括結(jié)構(gòu)分解圖、三視圖，平面圖、色彩、氣氛等。場景設計是整個動畫片中景物和環(huán)境的來源，構(gòu)成了畫面的主要部分。在開始場景設計的工作，首先要分析劇本，確定在鏡頭里場景所處的地理位置，當時的時間以及時代背景，是否需要視覺暗示來烘托情節(jié)發(fā)展，當前場次的鏡頭空間是怎樣設置的，這些都是需要前期考慮好。

2.2 中期動畫片段制作

結(jié)合前期的設計使用三維制作軟件制作出動畫片段。中期制作是整個動畫流程中費時最多，需要人力最多的階段。制作流程為建模、材質(zhì)貼圖、燈光、動畫、渲染等。

建模，是模型師根據(jù)前期的造型設計，通過三維建模軟件在計算機中繪制出需要的模型。這一過程是三維動畫中一項很繁重的基礎工作，角色和場景中出現(xiàn)的物體都要建模。建模要求寫實的方式表現(xiàn)物體，需要有較高的美術(shù)素養(yǎng)。角色建模需要了解清楚角色的特征、出現(xiàn)的場次以及表演動作的要求、鏡頭的遠近綜合這些要素來考慮模型的制作，可以分為初模、中模和精模。角色建模需要充分考慮到動畫設置的需要，在肢體和關節(jié)布線上能夠保證平滑變形。建模在于精確，布線要合理，結(jié)構(gòu)的刻畫要有足夠的細節(jié)。

材質(zhì)貼圖，材質(zhì)即材料的質(zhì)地，是指某個表面的最基礎的材料，如木質(zhì)，金屬或者玻璃都是材質(zhì)。貼圖是指把二維圖片通過軟件貼到三維模型上，形成表面豐富的細節(jié)和結(jié)構(gòu)。在真實世界中，由于不同質(zhì)地的物體對光大吸收、反射不同，因此產(chǎn)生了非常豐富的視覺效果，發(fā)亮的金屬直接反射光線，而粗糙的布料是散射的光線。材質(zhì)師的工作是用材質(zhì)和紋理去模擬真實世界的光線散射效果，在電腦中實現(xiàn)真實的世界。

燈光，目的是表現(xiàn)設計師達到想要的一種藝術(shù)氛圍，模擬自然界的光線類型和人工光線類型。從畫面上看，燈光最基本的任務是照明，需要把畫面中的物體呈現(xiàn)在觀眾的眼前，根據(jù)劇本的需求打出不同影調(diào)，以分為高中低調(diào)。影調(diào)確定后，針對每個分鏡頭進行制作。通常采用三點光源設置法：一是主燈，二是輔燈，三是背景燈，每種燈可以有多個燈光組成，主燈是照射畫面的基本光源，其亮度最高，決定光線的方向，角色的陰影主要由主燈產(chǎn)生，通常放在正面的3/4處即角色正面左邊或右面45度處。輔燈的作用是柔和主燈產(chǎn)生的陰影，豐富畫面層次，特別是面部區(qū)域，常放置在靠近攝影機的位置。背燈的作用是加強主體角色及顯現(xiàn)其輪廓，使主體角色從背景中突顯出來，背景燈通常放置在背面的3/4處。

渲染，是指根據(jù)場景的設置、賦予物體的材質(zhì)和貼圖、燈光等，由程序繪出一幅完整的畫面或一段動畫。三維動畫必須渲染才能輸出，制作的最終目的是得到靜態(tài)或動畫效果圖，而這些都需要渲染才能完成。一般經(jīng)過一下幾個步驟：首先選擇需要渲染的攝像機視圖，獲取需要渲染的物體范圍，然后確定光線的強弱、方向，采取什么樣的陰影投射的方式，有貼圖陰影和光線追蹤兩種方式，光線追蹤的效果好但是很消耗系統(tǒng)資源。最后調(diào)節(jié)不同的材質(zhì)、顏色等。這個過程不是獨立的而是多方面的結(jié)合，耐心調(diào)整，如果有粒子系統(tǒng)，還要另加考慮。

2.3 后期合成制作

后期合成是指將各個環(huán)節(jié)所制作出來的多層鏡頭元素進行組合，在接近尾聲并最終組合出完整鏡頭畫面的制作環(huán)節(jié)，對于完美鏡頭的呈現(xiàn)起著至關中要的作用。需要對畫面進行大量的燈光校準、色調(diào)調(diào)和、景深處理、特效組合等。航天動畫影片通常采用下面三步流程。1）視頻素材篩選、裁剪、排列。2）設置特效與鏡頭的過渡效果。3）添加字幕、配音等。

在航天動畫影片制作流程中，前面各個環(huán)節(jié)的操作相對比較獨立的，比如模型、材質(zhì)、動畫、燈光等，后期合成與多個環(huán)節(jié)的聯(lián)系尤為頻繁和密切。在后期合成中采用以下編輯理論與技巧：

首先，在視頻選材上需要注意選取畫面平穩(wěn)與運動合理的鏡頭。每個場景的時間不要太長，能把情節(jié)事件表達完整即可。要有典型性、科學性和藝術(shù)性較高的素材，因此在前期的制作中要有充足的素材，為后期提供可選擇的余地。

其次，在鏡頭組接上要合乎事物發(fā)展的規(guī)律、生活的習慣、認識上的邏輯。光線、色調(diào)、景別過度要自然、合理。動接動、靜接靜，動接動要求運動的方向和速度差別不能太大，動接靜的組接要讓動的停下來再接，在特效與過渡效果上使用時以簡潔、美觀為主，不宜追求華麗的效果。過渡效果，常采用淡入淡出、直接跳轉(zhuǎn)等方式，大場景的轉(zhuǎn)換可以用大動態(tài)的三維效果。

另外是字幕，字幕一般出現(xiàn)在屏幕的下方或事物的旁邊，并且要有充足的停留時間。最終把符合我們需求的視頻文件形成產(chǎn)品，視頻文件或刻錄光盤。

3 航天三維動畫圖像的特性

航天三維動畫科普影片以其更加真實的特質(zhì)吸引無數(shù)觀眾的注意力，不同于傳統(tǒng)的影片。不僅僅是在視覺語言上有很多新的手段，而且在視覺藝術(shù)的欣賞方面也具有更多新的特征，正是由于它在視覺語言的諸多發(fā)展，從而帶來了視覺藝術(shù)許多新的審美特點，拓寬了視覺藝術(shù)的表現(xiàn)力，滿足了航天科普影片的多元發(fā)展需求。具有以下幾個特點：

3.1 預知性

在航天科研項目還沒有開展之前，通過虛擬影片的制作可以知道所能達到的最終效果。預知性是虛擬圖像的一個重要特點也是由航天事業(yè)的特性決定的，在每個航科研天項目開始實施之前，一般需要經(jīng)過，預研階段和立項階段。在這預研階段要提前知道實施后的情況，或者對可能會出現(xiàn)的問題提前制定出解決的方案。如神舟七號宇航員要出倉活動，首先在虛擬圖像中模擬出宇航員出倉的整個過程，在這個過程中都有哪些步驟，需要做哪些準備，出倉后會遇到什么樣的突發(fā)事件，怎樣去解決?？蒲屑夹g(shù)人員通過觀看虛擬圖像的模擬便于發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。如圖4

3.2 靈活性

虛擬動畫為航天科普影片產(chǎn)品研發(fā)的帶來了高度的靈活性。僅需通過修改軟件中的參數(shù)設置就可以使模擬的物體得到改變。如在宇航員的艙內(nèi)部，空間非常有限而各種儀表很多，按照規(guī)定應該把最重要的經(jīng)常查看的儀表放在儀表板中心區(qū)域，次重要的儀表放在其他的地方。讓其注意力落在重要儀表上。但究竟哪塊儀表放在哪個精確的位置，以及相對距離是否合適，只有通過實驗確定。因此利有虛擬圖像作為工具設計出相應具有立體感。逼真性高的排列組合方案，再逐個進行試驗，使被試處于其中，仿佛置身于真實的載人航天器座艙儀表板面前，就能達到理想客觀的實驗效果。

3.3 科學性

航天虛擬動畫圖像采取寫實的制作方式要求準確、簡潔、清晰。模型上，要求所有的物體必須用寫實的方法進行建模，不可能憑空想象，無中生有。也就是建造模型時，必須嚴格參照原型或者物體的實際尺寸，尊重原型，該方則方，該圓則圓，就是搭建不規(guī)則形象，也要做到惟妙惟肖，不能偷工減料。同時，主體與背景之間的比例一定要真實，只有這樣，模型才準確，才能為下一步工作打好基礎。因為航天器的外形都是經(jīng)過科學的辯證得出最佳的配置，不同于藝術(shù)影片有夸張造型。材質(zhì)也盡可能的與真實物體接近，因為材質(zhì)是物體的外在特征，我們是由它而產(chǎn)生直觀認識的。物體的質(zhì)感通常是有外表的顏色、粗燥與細膩，剛性與柔性等幾個方面體現(xiàn)的。因此，一定要充分利用色彩、光線的折射與反射，亮度的強弱，創(chuàng)作出真實可信的三維形象的外在質(zhì)感。動畫上，首先得順應自然規(guī)律，要動的合理，不能隨意亂動：需要把主體的運動與背景的運動結(jié)合起來。這樣不僅合情合理，真實可信，極大的有利于科學內(nèi)容的描述與觀眾的理解。如嫦娥衛(wèi)星在繞地球五圈后飛往月球，多一圈少一圈都是錯誤的。因此要具備相關的知識、學習背景才能將工作做好。如圖5

3.4 藝術(shù)性

首先，航天三維動畫技術(shù)本身也具備一定的審美價值，構(gòu)成了藝術(shù)中的技術(shù)美。藝術(shù)中的技術(shù)基礎，一直都在科學發(fā)展的現(xiàn)有基礎之上。三維動畫藝術(shù)是建立在虛擬動畫軟件技術(shù)之上的，三維動畫新技術(shù)的出現(xiàn)，帶來了新的表現(xiàn)形式，從而擴大了藝術(shù)的新領域。

其次，航天三維動畫的藝術(shù)性是建立在科學的基礎之上的。比如，適當?shù)母淖円稽c顏色燈光效果，有意的放大或縮小某些局部細節(jié)，造成強烈的視覺沖擊力和感染力從而可以使觀眾獲得新穎的審美感受。物理的運動通過藝術(shù)手法表現(xiàn)出富于表現(xiàn)力和吸引力的美學特征。因為航天探索中還有許多未知的科學，可以用虛擬的創(chuàng)作方式，創(chuàng)作出許多現(xiàn)實生活中所不能感受到的視覺效果，甚至擬造出另外一個完全不同的視覺感受，構(gòu)成奇幻的意境之美，能夠增強烈觀眾的好奇心。

實際證明，在航天科影片中運用三維動畫技術(shù)，突破了傳統(tǒng)表現(xiàn)手段的局限，具有很強的藝術(shù)效果，提高人們感性和理性認識，并較以往的視頻表現(xiàn)手段有更強的藝術(shù)性。

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作者簡介：司紀中（1982—），男，河南西華人，仲愷農(nóng)業(yè)工程學院講師，主要從事動畫、數(shù)碼攝影教學研究。