淺析三維角色動畫制作的關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：作為一門新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)，三維角色動畫牽扯的領(lǐng)域和因素眾多。其不僅與美術(shù)、設(shè)計領(lǐng)域有相關(guān)性，而且還涉及軟件技術(shù)及軟件方法的使用。現(xiàn)如今，在計算機(jī)動畫技術(shù)中，三維角色動畫制作的關(guān)鍵技術(shù)備受關(guān)注，尤以運(yùn)動控制技術(shù)為最難。為了推動我國三維動畫制作技術(shù)不斷發(fā)展，且確保增強(qiáng)我國三維角色動畫的制作效率，針對三維動畫制作的關(guān)鍵技術(shù)有必要進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：三維角色；動畫制作；關(guān)鍵技術(shù)

就我國計算機(jī)動畫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r來看，其發(fā)展空間非常大。但是，由于種種因素的制約，以至于我國三維動畫的發(fā)展略有停滯。究其根本原因，除了資金缺乏、整體水平相對落后、缺乏專業(yè)教育人才等幾項因素之外，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱是最為關(guān)鍵的影響因素。[1]為了穩(wěn)定我國動畫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展態(tài)勢，必須狠抓三維角色動畫制作的質(zhì)量。基于此，可從應(yīng)用三維角色動畫制作的關(guān)鍵技術(shù)為切入點深入分析。

1 三維角色動畫

從20世紀(jì)90年代起，經(jīng)歷了近30年的發(fā)展變化，計算機(jī)三維動畫逐漸走入大眾的視野。作為采用計算機(jī)三維動畫技術(shù)的首次亮相，中央電視臺、北京電視臺在1990年北京第十一屆亞運(yùn)會電視轉(zhuǎn)播中制作電視片頭效果明顯。[2]這里所謂的三維動畫，是新興動畫制作技術(shù)的一種表達(dá)，即3D動畫。3D動畫的制作機(jī)理：借助三維動畫制作軟件建立模擬環(huán)境——依據(jù)動畫角色形象構(gòu)架基礎(chǔ)模型及動畫場景——結(jié)合相應(yīng)動畫劇情設(shè)定角色基礎(chǔ)模型的運(yùn)動軌跡——確定并記錄其動畫設(shè)定參數(shù)——對角色基礎(chǔ)模型進(jìn)行材質(zhì)合成——實施著色打光處理——輸出，完成動畫畫面。[3]

在3D動畫的制作過程中，不免需要運(yùn)用到三維動畫技術(shù)。將技術(shù)應(yīng)用其中，主要目的是模擬真實物體及其動作，達(dá)到準(zhǔn)確還原物體運(yùn)動過程的目的。在電視劇制作過程中，采用該技術(shù)，主要展現(xiàn)電視劇特效及特技，展現(xiàn)出某些爆破場面、撞擊場面，有非常震撼的效果。談及三維角色動畫制作，共包括四個步驟，依次是角色建模（幾何建模技術(shù)、三維掃描儀技術(shù)、圖像建模技術(shù)和專門的三維角色制作軟件）、骨骼創(chuàng)建、蒙皮綁定、運(yùn)動控制（基本的骨骼系統(tǒng)、專用角色動畫制作的模塊、運(yùn)動捕捉技術(shù)和三維角色動作生成軟件）。[4]尤以第一步和第四步的技術(shù)最為重要。各技術(shù)的特性突出，在選用過程中，需謹(jǐn)慎，并進(jìn)行綜合考慮，以達(dá)到較為滿意的三維角色動畫制作的效率和質(zhì)量。

2 三維角色動畫制作中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維角色動畫制作中的建模技術(shù)

（1）幾何建模技術(shù)。在三維角色動畫制作中，應(yīng)用的幾何建模技術(shù)，即核心建模技術(shù)。涉及的內(nèi)容較多，具體涵蓋了表面建模、細(xì)分表面建模、多邊形建模、NURBS建模以及雕刻建模。關(guān)于幾何建模法，有相關(guān)的三維動畫制作軟件提供制作基礎(chǔ)。但是，仍需要相關(guān)動畫設(shè)計人員的美術(shù)功底過關(guān)，應(yīng)對復(fù)雜的建模過程。

（2）三維掃描技術(shù)。三維角色動畫制作中，需要對演員或表演動物進(jìn)行全面掃描，以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，此時需要應(yīng)用到三維掃描系統(tǒng)。因此，將對演員或表演動物的表面采樣數(shù)據(jù)過程稱為三維掃描技術(shù)。其中，構(gòu)建虛擬三維彩色模型就需要采集角色表面的三維坐標(biāo)或其皮膚色彩信息。三維掃描技術(shù)的制作效率較高，完成復(fù)雜的建模過程較快。但該技術(shù)的應(yīng)用，需要投入較高的設(shè)備成本。

（3）圖像建模技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用角色三維模型的構(gòu)建，其間需要借助數(shù)碼相機(jī)拍攝不同角度的角色形象，從而獲取高清相片，使用軟件，完成自動合成。該技術(shù)的建模效率較高，但是，存在一定的缺陷，即難以對細(xì)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)微調(diào)，不能確保模型的準(zhǔn)確率。

（4）三維角色的建模制作軟件?？梢酝瓿煞先S角色動畫制作要求的一種軟件。以角色造型、角色物體等為基準(zhǔn)，使相關(guān)工作人員創(chuàng)作出角色的頭部、四肢等，進(jìn)而完成基礎(chǔ)角色模型。其間，對于需要調(diào)整的，可以采用參數(shù)盤調(diào)節(jié)。

2.2 三維角色動畫制作中的運(yùn)動控制技術(shù)

（1）基本的骨骼系統(tǒng)。關(guān)于基本的骨骼系統(tǒng)，一般是由三維動畫制作軟件提供。借此可創(chuàng)建骨骼指定層級關(guān)系。同時，對骨骼進(jìn)行關(guān)鍵幀設(shè)置可以通過手動完成。使用過程中，靈活性較好。此外，為了更便于手動設(shè)置骨骼關(guān)鍵幀動畫，使其最后動作的效果更加流暢，相關(guān)工作者需要了解和掌握正、反向運(yùn)動學(xué)的知識。

（2）專用角色動畫制作的模塊。以3DSMAX內(nèi)置的CharacterStudio為例，由于其提供了Bipe骨骼系統(tǒng)，因而減免了手動設(shè)置每根骨骼層級關(guān)系和各種的IK指定的過程。[5]在創(chuàng)建完整的人物骨骼時，非常便利，單擊拖動鼠標(biāo)于視圖中即可。Bipe骨骼系統(tǒng)使用更加方便。另外，在CharacterStudio中，還有自動步跡動畫，這對于難度增加的動畫無疑是非常有利的。與此同時，其中的運(yùn)動混合功能可實現(xiàn)多個動作的疊加，完成更加復(fù)雜動作的制作?？傊?，CharacterStudio制作動畫效率較高，但是，唯一的不足之處即動畫制作中關(guān)于復(fù)雜動作制作還是不夠簡便，且動作效果不理想。

（3）運(yùn)動捕捉技術(shù)。談及運(yùn)動捕捉技術(shù)，其涉及的技術(shù)內(nèi)容較為廣泛，與計算機(jī)圖形學(xué)、電子、機(jī)械、光學(xué)、計算機(jī)視覺、計算機(jī)動畫等技術(shù)都有一定的相關(guān)性。運(yùn)動捕捉技術(shù)，即通過運(yùn)動捕捉系統(tǒng)捕捉運(yùn)動物體關(guān)鍵部位的跟蹤器，經(jīng)計算機(jī)分析得出動畫制作中應(yīng)用數(shù)據(jù)的過程。其后，借助數(shù)據(jù)驅(qū)動三維模型即可生成動畫。通常情況下，運(yùn)動捕捉后的數(shù)據(jù)有兩種途徑完成動畫制作，其一，直接調(diào)入三維動畫中驅(qū)動三維模型；其二，借助第三方軟件實施編輯。

（4）三維角色動作生成軟件。三維角色動作生成軟件是當(dāng)下常見的一種應(yīng)用手法。以Endorphin（英國NaturalMotion公司研發(fā)）為例，其可以實現(xiàn)自動生成三維角色動作。在設(shè)計模擬角色身體某部分過程中，通過參數(shù)設(shè)置，可以調(diào)整其強(qiáng)度和方向，進(jìn)而自動產(chǎn)生翻滾的動作。該軟件的優(yōu)勢在于，其能夠模擬真實的動作。在三維角色動畫制作中，一直以來，基于硬件的運(yùn)動捕捉技術(shù)的生產(chǎn)效率和精度受到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可。而三維角色動作生成軟件與其不相上下。由于動畫制作中，常常需要設(shè)置一些極其危險的動作（高空跳樓、撞擊等），因而，應(yīng)用三維角色動作生成軟件，效果極佳。危險情況下的動作在制作過程中，較為負(fù)責(zé)，而該軟件通過運(yùn)用全新的動畫制作技術(shù)（虛擬演員）可不需特殊的相關(guān)捕捉硬件設(shè)備而模擬出任何動作。由此可見，三維角色動作生成軟件的應(yīng)用前景極為廣闊。

3 結(jié)語

三維角色動畫制作中，其幾項關(guān)鍵技術(shù)各有所長。在倡導(dǎo)創(chuàng)造精神的新世紀(jì)，這些技術(shù)均能夠為動畫制作行業(yè)增添光彩。三維角色動畫制作的幾項關(guān)鍵技術(shù)中，運(yùn)動控制技術(shù)是重中之重，在結(jié)合角色形象和角色動作需要之后，綜合性考慮選用其中的技術(shù)，不僅能夠讓動畫角色進(jìn)行生動、準(zhǔn)確的表演，而且對于整個行業(yè)的發(fā)展也能夠起到推進(jìn)作用。另外，在技術(shù)的應(yīng)用過程中，需要注重角色動作細(xì)節(jié)的刻畫，以追求完美的動畫效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 司建楠.動畫角色的動作設(shè)計對其性格塑造的探究[D].南京師范大學(xué)，2013.

[2] 李思橦.運(yùn)動中的人物角色動畫的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京工業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 劉洋，郭熒飛.三維角色動畫制作關(guān)鍵技術(shù)的幾點探討[J].工業(yè)設(shè)計，2016（08）：188+190.

[4] 張興華，孟藝.淺析運(yùn)動規(guī)律在三維動畫制作中的運(yùn)用——三維角色的行走動畫[J].藝術(shù)與設(shè)計（理論），2013（03）：100-102.

[5] 樊宇.三維動畫制作中關(guān)于角色裝配技術(shù)與角色動作規(guī)劃探討[J].科技資訊，2011（31）：18.

作者簡介：阿榮，內(nèi)蒙古通遼人，本科，專職教師，研究方向：電腦美術(shù)。