基于虛幻引擎的交互動畫技術(shù)研究

本文以虛幻引擎作為交互動畫制作平臺，分析交互動畫實現(xiàn)的模型規(guī)范，影視語言表現(xiàn)技法以及達(dá)到電影畫面藝術(shù)效果的可能性。提出基于虛幻引擎的交互動畫技術(shù)和三維動畫制作流程架接，使動畫導(dǎo)演在所見即所得的環(huán)境下可以自由交互式的安排構(gòu)圖、鏡頭運動、處理畫面效果，最終動畫企業(yè)生產(chǎn)效率獲得提高。

引言

動畫藝術(shù)從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了100多年，20世紀(jì)20年代中國動畫開始起步，曾經(jīng)也制作出了影響世界動畫史的偉大作品。1995年皮克斯工作室第一部三維動畫電影《玩具總動員》開創(chuàng)了動畫的一個新時代，從此三維動畫成為動畫產(chǎn)業(yè)的主流開始全面發(fā)展。三維動畫需要若干部門相互配合才能制作出來，三維動畫精美的畫面最后需要計算機集群經(jīng)過漫長的渲染才能生成，一部動畫電影的制作時間與渲染時間是1：1，在當(dāng)今信息高度發(fā)達(dá)的快餐文化消費時代這種制作方式顯然已不符合時代要求，我們需要一種不提高人力成本能夠快速生成與三維動畫相同畫面質(zhì)量的生產(chǎn)方式和技術(shù)。

交互動畫概念與技術(shù)現(xiàn)狀

交互動畫是種新興的數(shù)字化的動畫表現(xiàn)形式，它是計算機多媒體技術(shù)、交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合而逐漸形成發(fā)展而成。用游戲引擎來生產(chǎn)動畫作品也是交互動畫的一種，也叫“引擎電影”。結(jié)合三維動畫技術(shù)就可以運用游戲引擎的強大即時渲染能力和交互性來生成三維動畫的各個鏡頭內(nèi)容。這將成為解決三維動畫影片生產(chǎn)效率的有效途徑之一。

實現(xiàn)交互動畫技術(shù)最關(guān)鍵的是游戲引擎，游戲行業(yè)流行的有數(shù)十種著名的游戲引擎，本文以虛幻引擎為例來實現(xiàn)交互動畫技術(shù)。首先，虛幻引擎是開發(fā)最早的引擎之一?，F(xiàn)在全球有超過65%的3D游戲使用它來開發(fā)制作。其次，虛幻引擎是第一個向外部推出免費版本的大型游戲引擎。學(xué)習(xí)人群比較廣泛。最后，最新版的虛幻引擎4，集成了當(dāng)前最先進的技術(shù)研究成果，易用性得到進一步的加強，而且全部免費，學(xué)習(xí)資源更加豐富。使用虛幻引擎開發(fā)游戲獲得收益后需要支付定的授權(quán)費用，但對于建筑模擬、可視化電影項目、承包項目和咨詢項目不需要支付版權(quán)費。

交互動畫技術(shù)實現(xiàn)路徑

1.實現(xiàn)交互動畫的模型規(guī)范

三維動畫和游戲內(nèi)容都會包含場景、角色、道具等元素，這些元素統(tǒng)稱為“模型”，制作三維模型的工具有Maya、3DMax等軟件，而這些軟件也是三維動畫制作的主力工具，游戲引擎只需要用到它們的模型功能。兩者對模型的規(guī)范和技術(shù)要求不盡相同。以虛幻引擎來制作交互動畫的模型規(guī)范有以下幾個方面。

（1）由于多邊形可以任意拓?fù)渌阅Ｐ偷拿鏀?shù)一定要合理分布。一般分為幾種情況：首先一般情況下，背景模型面數(shù)在5000面以內(nèi)；單個道具模型面數(shù)在5000面以內(nèi)；單個角色模型（配角）在10000面以內(nèi)，主角模型在20000面以內(nèi)。其次如果鏡頭有特寫或近景，道具面數(shù)在10000面以內(nèi)，主角可以到50000面以內(nèi)。最后所有的模型在制作過程中一定要做高、中、低三個等級面數(shù)的模型，這樣就可以根據(jù)景別靈活使用。虛幻引擎現(xiàn)在也能智能識別物體到鏡頭的遠(yuǎn)近分別載入不同級別的模型。

（2）交互動畫在制作時定要用較低的模型面數(shù)通過法線貼圖來表達(dá)高面數(shù)模型的效果，因此低模布線和高模的匹配就成為一個很重要的問題。低模布線涉及前面所述的面數(shù)要求，也有UV的限制和外形的表現(xiàn)等多方面都會影響低模布線的合理性。由于布線更多的是主觀因素較多，總的來說要遵循以下幾點要求：首先，從剪影上看一定是圓滑的。因為法線貼圖無論如何都只是一個貼圖無法改變外形，所以要想低模加法線能很好的表現(xiàn)出高模的效果就要把低模的剪影外形做的圓滑，接近高模。其次，合理整理對角線使布線上不出現(xiàn)菱形，平行四邊形或者超級大鈍角；同時使對角線形成的面是凸面。然后，布線時盡量保證每個點的存在都能對外形起到作用。對外形沒有起作用的點要刪掉，對外形起作用的點應(yīng)該使其作用充分。最后，交互動畫中模型的細(xì)節(jié)需要法線貼圖來表現(xiàn)，而法線貼圖通常都是低模在高模的基礎(chǔ)上烘培出來的，因此低模上正確的布線應(yīng)該是高模和低模相互穿插。

（3）使用虛幻引擎做交互動畫時模型文件需要帶兩套UV，一套UV承載顏色貼圖，一套UV承載光照貼圖。這兩套UV對于模型的光影表現(xiàn)起到很大的作用，因此在模型制作時應(yīng)該正確設(shè)置光滑組合理分配UV。光滑組和UV的分配緊密相關(guān)，光滑組的設(shè)置會直接影響UV的分配。光滑組的設(shè)置也會明顯的影響烘焙的效果。

（4）制作模型前檢查單位是否設(shè)置正確。以3DMax為例，它的默認(rèn)單位與虛幻引擎的單位差別很大，Max以米或者毫米等國際單位為標(biāo)準(zhǔn)，虛幻引擎卻是自己的規(guī)則UU，所以我們要在制作模型的時候統(tǒng)一尺寸，外部顯示單位設(shè)為Meters；內(nèi)部系統(tǒng)單位設(shè)1Unit=1.438cm。

（5）檢查模型坐標(biāo)是否設(shè)置正確，首先檢查坐標(biāo)是否歸零；其次檢查模型上的坐標(biāo)軸是否符合拼接規(guī)律；最后檢查模型軸向是否正確。

（6）為每個模型制作碰撞體。碰撞體的制作應(yīng)該遵循以下幾個原則：BOX與BOX之間應(yīng)隔開一定的距離，不能穿插與重疊；BOX的各個面上的點必須4點共面；整個Collision的中心點必須與物體的中心點對齊；碰撞模型也必須按照一個特殊約定來進行命名。通過使用此約定，可以使得虛幻引擎自動檢測碰撞模型的存在并將其應(yīng)用于靜態(tài)網(wǎng)格物體。

2.交互動畫中的影視語言表現(xiàn)

電影通過攝像機所拍攝出來的畫面來向觀眾講故事，如何把故事講好就需要導(dǎo)演運用電影鏡頭語言向觀眾表達(dá)故事情節(jié)。電影鏡頭語言主要有三種類型：首先是攝像機的運動方式，如推、拉、搖、移、跟等形式；其次是攝像機拍攝的景別，如遠(yuǎn)景、全景、中景、近景、特寫等；最后是攝像機各個鏡頭之間銜接關(guān)系處理，也就是畫面剪輯，如淡入淡出、入畫出畫、疊、化、閃回、蒙太奇等處理技巧。一部電影一定是由鏡頭語言的綜合運用來呈現(xiàn)的。

在虛幻引擎中實現(xiàn)攝像機的運動方式主要通過調(diào)整虛擬攝像機的移動和旋轉(zhuǎn)屬性就可以實現(xiàn)，而且長鏡頭的跟拍效果只需要在要跟拍的人或物的屬性中添加虛擬攝像機組件就可以做到。在虛幻引擎中能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬攝像機的多種機位運動拍攝，那么就可以在引擎中任意地方無限多的放置虛擬攝像機，從而可以營造不同的景別關(guān)系為交互動畫增加藝術(shù)感染力。鏡頭焦距對于景別以及劇情表達(dá)也很重要。在虛幻引擎中解決鏡頭焦距可以在虛擬攝像機的屬性設(shè)置中找到鏡頭設(shè)置選項，下拉菜單中可以很方便的找到從12毫米到200毫米焦距的攝影機，甚至可以到無限大焦距，使交互動畫創(chuàng)作更靈活。

3.交互動畫中的藝術(shù)化效果處理

（1）畫面景深效果處理。景深有助于表現(xiàn)畫面的層次感，同時能夠突出拍攝主體。景深對于真實的電影拍攝只需要選擇正確的鏡頭并保持適當(dāng)?shù)木嚯x就能達(dá)到理想的景深效果，而三維動畫可以用計算時間來換優(yōu)質(zhì)的景深效果，作為引擎就要審慎的使用景深計算。虛幻引擎的景深計算已經(jīng)作了很好的優(yōu)化，但一般景深效果選項處于關(guān)閉狀態(tài)，在虛擬攝像機后期特效選項中打開后效果不定是最好的狀態(tài)，需要不斷的調(diào)試和探索才能取得好的效果。通過本課題的項目實踐可以總結(jié)出在其他參數(shù)不變的情況下，對焦距離參數(shù)決定了清晰的位置。

（2）動態(tài)陰影與次表面光照效果處理。影視動畫作品中場景和角色是少不了的元素，角色在場景中活動和表演，他所產(chǎn)生的陰影就在和場景發(fā)生關(guān)聯(lián)，而且角色和角色的陰影也會互動。為了畫面更真實空問關(guān)系更明確，陰影也應(yīng)該是動態(tài)的并且和各種元素互動。在三維動畫軟件中可以通過Shadow Mapping技術(shù)實現(xiàn)，但在自然界中光線是非常復(fù)雜的，這項技術(shù)不能很好的模擬出本影和半影，要實現(xiàn)真實的動態(tài)陰影要經(jīng)過復(fù)雜的設(shè)置和漫長的渲染實現(xiàn)。在虛幻引擎中為解決動態(tài)陰影計算量的問題把陰影分為靜態(tài)陰影和動態(tài)陰影兩類，不活動的場景和物體采用預(yù)渲染的方式做成靜態(tài)陰影貼圖存儲在內(nèi)存中共引擎調(diào)用，活動的角色和物體投影做成動態(tài)陰影進行細(xì)致計算還原出真實陰影，從而解決效率和質(zhì)量問題。

次表面光照技術(shù)指光線射人半透明物體內(nèi)部后發(fā)生散射最后射出物體并進入視野中產(chǎn)生的現(xiàn)象。在三維動畫中這種材質(zhì)的物體非常多見，如樹葉、蠟燭、玉石、人體、動物等都具有這種特征。次表面散射材質(zhì)是高質(zhì)量渲染中最復(fù)雜的材質(zhì)之一，為了更真實的畫面效果各大引擎和三維渲染軟件都有相應(yīng)的功能與設(shè)置。虛幻引擎的次表面光照主要在材質(zhì)編輯器中開啟。

（3）運動模糊與抗鋸齒效果處理。運動模糊是影視作品中很常見的效果，它是一種物理現(xiàn)象，由于攝像機與被攝體之間產(chǎn)生相對運動而造成的圖像模糊，因為有運動模糊才會使連續(xù)的畫面看起來相對平滑和順暢。三維動畫軟件與游戲引擎是通過計算虛擬的模型得到畫面，軟件渲染清晰的圖像很容易做到，但要計算運動模糊的圖像則需要經(jīng)過復(fù)雜的計算得到。虛幻引擎要啟動運動模糊比較方便，只需到每個要產(chǎn)生運動模糊的虛擬攝像機屬性中打開Motion Blur選項即可，但選項中的數(shù)值調(diào)整需要根據(jù)具體情況細(xì)心調(diào)整。運動模糊效果只有在劇烈運動時才會比較明顯，所以調(diào)節(jié)參數(shù)時應(yīng)該在運動的畫面下調(diào)整才能準(zhǔn)確判斷；在靜止不動或輕微運動的鏡頭下可以不開啟該效果，增加交互動畫的實時性。

隨著計算機圖形圖像的產(chǎn)生，圖形圖像邊緣的鋸齒現(xiàn)象就一直存在著，為了獲得更好的圖像效果和細(xì)節(jié)就有了抗鋸齒的概念。對于三維動畫和游戲引擎來說，3D圖像中受分辨率的制約物體邊緣總會或多或少的呈現(xiàn)三角形鋸齒，而抗鋸齒就是對圖像邊緣進行柔化處理，使圖像更平滑更接近實物?？梢娍逛忼X可以有效提高畫面藝術(shù)效果，特別是屏幕4K時代已經(jīng)來臨，抗鋸齒就顯得尤為重要。目前抗鋸齒技術(shù)和手段已經(jīng)進化到第四代，但在三維動畫軟件和游戲引擎上也還是要消耗巨大的計算資源來實現(xiàn)抗鋸齒效果。虛幻引擎的抗鋸齒是目前最新的技術(shù)，可以在虛擬攝像機屬性菜單選擇2種抗鋸齒主流算法。制作交互動畫時抗鋸齒要根據(jù)運行機器的性能以及畫面輸出分辨率慎重選擇，否則就容易造成畫面幀速率太低影響交互操作以及輸出畫面的連續(xù)性。

結(jié)論

技術(shù)創(chuàng)造生產(chǎn)力。隨著虛幻引擎創(chuàng)造的交互動畫技術(shù)不斷提升其所呈現(xiàn)的畫面質(zhì)量也越來越高，雖說現(xiàn)在還不能完全超越好萊塢式大制作動畫電影效果，但對于TV動畫、微電影、動畫短片、電視廣告等行業(yè)的畫面只質(zhì)量要求已經(jīng)可以完全勝任。在國家提倡大力發(fā)展文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的背景下，推廣以交互動畫技術(shù)的方式創(chuàng)作影視藝術(shù)作品，就能夠滿足當(dāng)前人們對快餐式文化消費的需求。

（作者單位：蘇州工業(yè)園區(qū)服務(wù)外包職業(yè)學(xué)院）

作者簡介：張宏波，男，（1979-），湖北隨州人，工程碩士，講師，工藝美術(shù)師，蘇州工業(yè)園區(qū)服務(wù)外包職業(yè)學(xué)院人文藝術(shù)學(xué)院教師，研究方向：三維動畫，游戲引擎。

項目基金：蘇州工業(yè)園區(qū)服務(wù)外包職業(yè)學(xué)院科研課題“基于虛幻引擎的交互動畫技術(shù)研究”（項目號：ky-xiy302）；