結(jié)合三維流體模擬合成的定格場景動畫生成

摘 要：定格和三維流體動畫都是三維動畫的一個重要組成部分。實現(xiàn)三維動畫模擬相融合是一般動畫項目中遇到的特殊困難和瓶頸，將三維流體動畫和定格動畫進行合成制作，提出基于流體插件體系解決如何把生成的三維流體動畫運用到定格動畫中的方法。為三維動畫之間的模擬合成探索新的視覺藝術(shù)形式尋求了技術(shù)的突破。

關(guān)鍵詞：模擬；合成；流體插件；三維流體水；定格動畫

中圖分類號：TP391.41

在三維動畫技術(shù)飛速發(fā)展的今天，基于流體插件模擬流體動畫的方法是新穎的研究課題，新的三維流體動畫制作技術(shù)確實讓電影、動畫和游戲受益匪淺，但如果將三維流體動畫和定格動畫進行合成制作，三維流體動畫便陷入了技術(shù)同質(zhì)化的尷尬[1]。通過基于流體插件體系解決把生成的三維流體動畫運用到定格動畫中的方法，可實現(xiàn)三維流體動畫和定格動畫之間的模擬合成，探索新的視覺藝術(shù)形式尋求技術(shù)的突破，可以有效地提高了三維動畫的制作效率并減少成本。

1 三維流體動畫的問題描述和分類

常見的自然低速流現(xiàn)象有煙霧與云彩、燃燒與爆炸、水流與海洋等，這些問題本身并不孤立存在，然而，通過三維軟件對這些自然流體動畫模擬再現(xiàn)時，由于流體自身的介質(zhì)不同，如對于煙霧、火焰等現(xiàn)象的模擬，視覺效果只是與密度場和溫度場相關(guān)，我們關(guān)注的是體的問題[2]；而對于液體流動，則需要通過解算器去求解其自由表面，才能將其與周圍的環(huán)境分開。所以在進行三維流體動畫創(chuàng)作時，不同流體插件之間的模擬功能也是不相同的，必須有針對性地選擇插件進行流體動畫模擬。

2 三維流體水的藝術(shù)化繪制

本文主要研究《東施效顰》項目中西施浣紗和越王遇東施的鏡頭全部都要用到河水流體動畫，并在后期處理中，進行摳像合成和特效處理。西施浣紗過程中，“紗”不小心落入水中，向右方向移動，所以基本流動方向有了確定，觀看鏡頭序列幀，“紗”以12幀/每秒的流動速度，存在了3.2秒鐘，也就是說，在3.2秒內(nèi)，河水的涌動速度必須保證和紗的流動速度是同步的，且河水同樣受到暖色調(diào)的影響。

2.1 基于Real Flow三維流體水的近似建模

通過波浪自定義腳本實現(xiàn)模型創(chuàng)建后，涌動型波浪（Wave）的關(guān)聯(lián)屬性主要有以下幾個方面：通過涌動角“控點”振蕩的方向。默認方向是0（度），振蕩引起波浪發(fā)生橫向運動。如果設(shè)置涌動角為90，波浪則基本上只停留在原地上下起伏。Octaves（浪數(shù)）值越大，浪越多、越碎小。Slope（坡度）值越大，每個浪的斜面越陡，整體看起來，波峰波谷越分明。Fractal Speed（涌速）是振蕩的速度，模擬出河水的波動速度和擴散速度[3]。

為了實現(xiàn)項目場景中的河水流體動畫模型創(chuàng)建，依照前文技術(shù)理論依據(jù)，對默認的腳本語言進行設(shè)置，通過E盤Real Flow的script文件夾下，找到rw_scripted文件夾，有一組事先通過電影截取的河水圖片序列，序列編號前全部去掉0，如果設(shè)置為01、02、03…，將不能模擬創(chuàng)建模型。項目中圖片序列是從0開始的，格式為“.tga”，所以frame后面的+1就不要了，它是來指示當前的時間幀，F(xiàn)ile Path實現(xiàn)了模擬河水動畫原始序列文件路徑，更改為E：/Real Flow/script/rw_scripted/raver_dsxp，模擬幀數(shù)都設(shè)置了150。

2.2 三維流體水模擬材質(zhì)渲染

將從Real Flow中輸出的Meshes序列文件導入到3d Max中，打開Dream Scape流體插件，在場景中創(chuàng)建一盞Dream Scape類型的燈光，4盞3d Max內(nèi)置Torus環(huán)境光，并調(diào)整燈光照射位置。為了更好地烘托出河水的暖色基調(diào)和涌動真實性，項目在模型下方創(chuàng)建了河床模型并進行了材質(zhì)貼圖。

為項目河水賦予材質(zhì)，打開材質(zhì)編輯器，創(chuàng)建Blinn材質(zhì)球，單擊Standard按鈕，在彈出的Material/Map Browser（材質(zhì)/貼圖瀏覽器）對話框里選擇Ocean材質(zhì)，將材質(zhì)賦予給河水模型。Specular Level（鏡面色階）和Glossiness（光澤度）分別調(diào)整為200和90。對Maps卷展欄下的Diffuse Color（慢反色）、Opacity（不透明）、Bump（位圖）和Reflection（反射）分別進行參數(shù)設(shè)置。

創(chuàng)建攝像機并調(diào)整好視圖，通過VRAY渲染器和Brazil巴西渲染器分別對制作完成的河水進行渲染（圖1和圖2）。

可見兩種渲染器的渲染結(jié)果差異很大，和參照流體插件優(yōu)化法中的渲染優(yōu)化法結(jié)論是完全相同的，前者速度較快，但可以清晰地看到右側(cè)浪面泡沫高光過于凸顯，與河水形成強烈對比，不夠真實。后者渲染速度雖然十分緩慢，但更加柔和真實，真正意義上達到了高仿真流體的效果。

基于流體插件簡控法、加速法、優(yōu)化法及問題研究分類[4]，通過Real Flow波浪自定義腳本技術(shù)和Dream Scape流體插件與3d Max結(jié)合運用，能夠很好地提高流體動畫的制作效率，可以有效地實現(xiàn)高仿真流體的制作，流體插件渲染優(yōu)化法的運用[5]，對最終實現(xiàn)三維流體動畫的效果有決定性影響。

3 模擬合成場景動畫

3.1 Primatte和Color Key實現(xiàn)背景摳像

實現(xiàn)三維流體動畫的最終合成制作，下面是《東施效顰》其中一個合成制作分鏡的實驗分析：

（1）要實現(xiàn)合成制作，就必須對定格藍布背景進行摳像處理，《東施效顰》中使用了Primatte KeyerPro 4.0和Color Key實現(xiàn)背景摳像。

（2）從After Effects菜單欄中找到Primatte KeyerPro插件，運用Effect Controls（特效控制界面），選擇Selection下的CLEAN BG，在選擇Base Color Sample后面的吸管選項在視窗中對藍色河水背景進行拖動。

（3）從Effect菜單欄下選擇Color Key插件，把Color Tolerance參數(shù)設(shè)置為10，Edge Thin設(shè)置為1，Edge Feather設(shè)置為1.5，使用吸管工具對圖3中的黑色部分繼續(xù)吸取，還是不能夠完全去除黑色部分（圖4）。

（4）因前期拍攝的色彩反差較大，背景出現(xiàn)了從淡藍到黑色的過度，所以為了解決這一問題，重復了上圖對Color Key插件再進行2次選擇運用，即3次重復使用Color Key插件進行多次摳像處理。

（5）使得背景雜點去除的干凈，項目添加了Matte Choker插件，來進行點和邊緣最大模糊處理，Geometric Softness參數(shù)設(shè)置為11，Choke1和Choke2分別設(shè)置為55%和-16，Iterations參數(shù)設(shè)置為1，將Primatte KeyerPro插件界面下的Spill Killer下的Range參數(shù)值設(shè)置為80%。河水藍背景已經(jīng)清楚干凈。

3.2 基于Steady Move和ZaxWerks插件的模擬合成

播放序列幀動畫，會發(fā)現(xiàn)多處關(guān)鍵幀畫面有抖動現(xiàn)象，為了使將導入的河水流體動畫序列能夠和定格畫面產(chǎn)生無縫銜接，為了防止一邊抖動，一邊靜止的現(xiàn)象產(chǎn)生，使用了Effect菜單下的Steady Move插件，將Smoothing參數(shù)設(shè)置為50，Max Correction設(shè)置為7.0。這樣可以有效地防止定格動畫因拍攝而產(chǎn)生的抖動現(xiàn)象，使得畫面平穩(wěn)播放[6]。導入制作完成的河水流體動畫序列圖，進行播放預覽，畫面十分流暢，場景中添加一些花草模型，讓畫面內(nèi)容變得豐富，最后通過ZaxWerks插件調(diào)整統(tǒng)一整個分鏡的色調(diào)，最終完成了制作（圖5）。

4 實驗結(jié)果總結(jié)

本文通過三維定格的實景拍攝和高度仿真流體實現(xiàn)仿真現(xiàn)實的合成制作，是新的三維動畫視覺藝術(shù)效果形式。在Primatte KeyerPro和Color Key摳像插件以及輔助插件的技術(shù)支持下，三維流體動畫完全可以實現(xiàn)與定格動畫的合成制作，大大提高了“河水”的制作效率，并實現(xiàn)了藝術(shù)化風格流體“河水”的制作，拓展了三維流體動畫在定格動畫中應用的新視覺藝術(shù)效果。

參考文獻：

[1]湛永松，費廣正，石民勇.計算機流體動畫技術(shù)的研究進展[J].中國傳媒大學，2006，103（S2）.

[2]張聞芳.自然景象的三維表現(xiàn)方法研究[D].湖南大學，2007.

[3]王樹杰，徐超等.流體真實性仿真的國內(nèi)外研究進展[D].中國海洋大學工程學院，2006.

[3]于珊珊.軟件插件技術(shù)及其應用研究[J].德宏師范高等?？茖W校計算機系，2008.

[5]YU JH. Stylized Procedural Animation[D].PhD thesis， University of Glasgow，1999.

[6]J.R.Grace，M.E.Weber.Bubbles，Drops and Particels，Academic Press，London，2005.

作者簡介：余洋（1986-），男，碩士，助理實驗師，主要研究方向：視覺文化藝術(shù)、影視傳媒動畫。

作者單位：江蘇理工學院藝術(shù)設(shè)計學院，江蘇常州 213001