Maya場景建模技術(shù)在泥偶動畫立體造型設(shè)計中的應(yīng)用

李艷妮

摘 要： 利用Maya軟件對泥偶動畫立體造型設(shè)計中如何應(yīng)用場景建模技術(shù)進(jìn)行研究。主要對Maya軟件三維動畫制作流程進(jìn)行分析，以動畫短片中的卡通角色為例，詳細(xì)分析卡通角色建模、貼圖、骨骼、材質(zhì)等的實現(xiàn)過程，對實現(xiàn)過程中易出現(xiàn)問題的原因進(jìn)行分析，同時提出了相應(yīng)的解決方法。使用Mental Ray技術(shù)，實現(xiàn)幾何復(fù)雜物體的簡單替換，通過減少多邊形面數(shù)提高渲染速度，實現(xiàn)渲染優(yōu)化。最后根據(jù)傳統(tǒng)手工動畫的實現(xiàn)效果及Maya軟件對角色控制過程與交互實現(xiàn)動畫方面進(jìn)行優(yōu)劣對比，通過Maya軟件可實現(xiàn)符合動力學(xué)規(guī)律的動畫，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)可獲得良好的動畫效果。

關(guān)鍵詞： Maya； 建模技術(shù)； 立體造型； 渲染

中圖分類號： TN02?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0135?03

Application of Maya scene modeling technology in three?dimensional

modeling design of clay doll animation

LI Yanni

（Yulin University， Yulin 719000， China）

Abstract： The Maya software is used to study how to use the scene modeling technology in the three?dimensional modeling design of the clay doll animation. The production process of 3D animation is analyzed with Maya software. Taking the cartoon characters in animated short film as an example， the realization process of cartoon character modeling， chartlet， skeleton and material is analyzed in detail. The reason prone to occur the problem in implementation process is analyzed， and its corresponding solving method is put forward. The Mental Ray technology is used to replace the geometric complex object simply. The facet quantity of polygon is reduced to improve the rendering speed， and realize the rendering optimization. The merits of character control process and interactive animation realization with Maya software are compared with the realization effect of traditional manual animation. The animation conforming to kinetics law can be realized with Maya software. The relevant parameters are set to acquire good animation effect.

Keywords： Maya； modeling technology； three?dimensional modeling； rendering

0 引 言

制作三維動畫片的基礎(chǔ)是場景建模，動畫角色通常由泥偶、混合材料、木偶來演出[1]。目前，動畫制作技術(shù)發(fā)展越來越快，更多市場份額被三維動畫所占據(jù)。三維動畫具有非常強(qiáng)的感染力，給人一種身臨其境的感覺。美國Autodesk公司開發(fā)了一款三維動畫制作軟件Maya，Maya軟件在游戲制作、動漫設(shè)計、影視動畫等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，Maya軟件具有操作簡單、涉及范圍廣、功能強(qiáng)大等優(yōu)點，在三維動畫制作中，Maya屬于首選工具[2]。

三維動畫片制作效果與效率由Maya場景建模的好壞來決定[3?5]。目前Maya場景建模主要包括多邊形建模及NURBS建模，如何對場景制作流程進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)場景高效建模是當(dāng)前比較關(guān)注的問題[6]。本文利用Maya軟件對泥偶動畫立體造型設(shè)計中如何應(yīng)用場景建模技術(shù)進(jìn)行研究。

1 Maya場景的立體建模技術(shù)

建模過程實質(zhì)就是制作模型，也就是利用軟件將二維角色經(jīng)過轉(zhuǎn)化形成三維模型的過程。Maya提供的建模工具包括SUBDIV，NURBS及Polygon。在制作模型時，目前主要采用SUBDIV。在動態(tài)制作時大多使用SUBDIV，其渲染優(yōu)勢具有NURBS的圓滑及Polygon的簡便。

1.1 建模工具

因要做動畫，因此角色模型采用SUBDIV工具完成制作，但SUBDIV工具要求機(jī)器具有較高的配置。在Polygon模式下減少或增加面數(shù)影響不大，在SUBDIV中進(jìn)行相關(guān)操作，速度會受到影響，因SUBDIV需要的線程較少，對于細(xì)分的子層級，權(quán)重?zé)o法進(jìn)入。建模時，為刻意減少面數(shù)，需要將大量布線去掉，但會造成響應(yīng)延遲[7]。因而在機(jī)器配置承受能力方面，角色設(shè)計必須遵循簡潔原則，同時制作工具選用Ploygon多邊形工具。

1.2 建模中的角色布線

布線是建模中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因為空間就是由點、線、面構(gòu)成的，布線在三維模型中對支撐物體起著非常重要的作用。進(jìn)行角色布線時，盡量使用四邊形，由于三角形比較穩(wěn)定，會造成不易拉伸，因此要避免三角形、五邊形等多邊形面出現(xiàn)。假設(shè)在臉部出現(xiàn)三角形，在展現(xiàn)表情，臉部肌肉需要擴(kuò)張時，會有阻力出現(xiàn)[8]。在貼圖時，長方形及正方形貼圖與四邊形四個頂點正好對應(yīng)，因而五邊形也不宜使用。布線過程需要分配合理，在進(jìn)行嘴角、眼角的分配時，出現(xiàn)四個五邊共點即可，圖1為頭部布線的分配。

1.3 角色模型分析

在進(jìn)行人體建模時，通常先采用NURBS或Polygon進(jìn)行制作，在接近收尾時，使用SUBDIV進(jìn)行制作。頭部建模使用的方法包括兩種：一是從側(cè)臉輪廓進(jìn)行勾勒；二是先從眼睛開始，然后逐步拉伸到表面。本文研究在進(jìn)行人臉部建模時，從球體開始，從整體對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，以整體到局部的方式完成，圖2為臉部效果實現(xiàn)圖。

1.4 UV坐標(biāo)分布的合理分配

角色外觀形狀只是角色的一部分，質(zhì)感和顏色才能帶給觀眾極大沖擊。若要角色非常完美，則需要給角色貼圖和上色。通過一個虛擬的 UV平面，實現(xiàn)多邊形及紋理的一一對應(yīng)，操作實質(zhì)就是給一個多邊形添加紋理，并將其在三維模型分布上進(jìn)行展現(xiàn)，因而需要對三維模型UV坐標(biāo)分布進(jìn)行合理分配。要使模型具有清晰的紋理，建立的紋理貼圖與多邊形對象關(guān)系必須正確，當(dāng)角色運動時，其身上的顏色會非常豐富。

UV操作原則包括五點：一是盡量避免UV互相重疊；二是UV盡量保持模型網(wǎng)絡(luò)原有面積比；三是充分利用UV紋理空間，UV接縫盡量減少，UV面塊劃分盡量少；四是在視覺、攝像機(jī)注意不到的地方要安排接縫；五是在動畫片中，貼圖尺寸由物體出現(xiàn)的具體要求決定。

1.5 骨骼系統(tǒng)及綁定過程

生物的形體是由骨骼支撐的，骨骼是保護(hù)生物的重要器官，骨骼具有保護(hù)性結(jié)構(gòu)，能使生物正常運動。Maya提供一種工具給骨骼系統(tǒng)，這就可能實現(xiàn)角色的運動。皮膚實質(zhì)就是物體的模型，觀眾看到的是皮膚在變化，無法看到內(nèi)部骨骼。綁定過程就是皮膚及骨骼間建立基本關(guān)聯(lián)的過程。目前自動綁定還無法通過計算機(jī)實現(xiàn)，通常是通過手動完成。

以蘑菇為例，完成蘑菇的皮膚綁定、骨骼設(shè)定、表情設(shè)定、權(quán)重繪畫等。在身體主軀干建立后，創(chuàng)建骨骼，同時完成建立8節(jié)蘑菇骨骼的操作。通過添加控制圈控制身體及頭的自由彎曲。從上到下分別添加5個圓環(huán)，對頭部、臉部、脖子、腰身、肚子進(jìn)行控制，并建立控制蘑菇面部表情的系統(tǒng)，同時建立圓環(huán)，變圓環(huán)形狀通過對移動點的控制實現(xiàn)。最后綁定身體與骨骼，從而完成骨骼綁定，通過各控制圈的移動，實現(xiàn)蘑菇相應(yīng)部分的變動，圖3為平滑綁定的蘑菇。

1.6 動作變化

動畫實質(zhì)就是物體狀態(tài)隨時間而發(fā)生變化，包括自然界如汽車運行等無生命物體的位移以及如鳥飛翔等有生命物體的變化，同時也包括如物體顏色及面積等屬性的變化。Maya動畫具有非常完整的解決方案，包括非線性動畫、關(guān)鍵幀及路徑、動力學(xué)、表達(dá)式動畫、驅(qū)動關(guān)鍵幀等工具。這對動畫工作效率的提高非常明顯。

1.7 燈光變化

照亮動畫場景是三維動畫中對燈光最基本的要求，場景照明工作在表面看比較容易，只要場景里面有燈光出現(xiàn)，完成場景渲染即可，但實際情況卻不是這樣的，景深是光通過陰影形成的，構(gòu)成燈光及外形是通過引進(jìn)顏色進(jìn)行區(qū)分的。具體燈光要對現(xiàn)實光影仔細(xì)觀察，具備關(guān)于光的相關(guān)物理知識才能實現(xiàn)光設(shè)置的順序化。

2 建模技術(shù)的關(guān)鍵問題

2.1 建模中的連接線處理

采用曲線構(gòu)建動畫角色的頭發(fā)，頭發(fā)模型線縱向方向通過放樣工具進(jìn)行。渲染時因接線處位于角色頭部后面，造成角色背后頭部總有一條線，影響視覺效果。通過對頭部多個不同位置橫向曲線的創(chuàng)建，從上向下逐個選中后，通過放樣工具實現(xiàn)橫向放樣，使得連接線消失，圖4為連接線處理前后對比。

2.2 建模中的眼球處理

綁定好面部表情，在動畫角色中，眼球外露現(xiàn)象會出現(xiàn)，圖 5為眼球處理前后對比圖，動畫角色眼部進(jìn)行蒙皮時，因先與眼部骨骼蒙皮，然后綁定眼部控制器，則角色眼球受雙重控制，同時受到表情控制與眼部骨骼控制，這就導(dǎo)致眼部控制器對眼球控制能力喪失，造成失控狀態(tài)出現(xiàn)，導(dǎo)致眼睛不隨角色而運動?？刹扇⒖刂祈樞蚋淖兊拇胧?，先選中眼球，取消骨骼對眼球的蒙皮，對眼部控制器進(jìn)行重新制定，控制角色眼球，實現(xiàn)眼球正常運動。另外一個原因是角色眼球位置的不合理擺放造成眼皮與眼球分離，引起穿幫，可采用解除角色面部控制程序，面部表情不再控制眼球，重新對正角色眼球位置，實現(xiàn)角色頭部和眼球旋轉(zhuǎn)時，眼皮與眼睛不分離，最后將眼球綁定面部表情。第三種可能是角色面部模型處于光滑狀態(tài)，但眼球模型處于基礎(chǔ)狀態(tài)，因眼球與眼皮相距較近，引起眼球與眼睛分離，可采取在角色面部模型選擇后使其恢復(fù)到基礎(chǔ)狀態(tài)，然后再對其眼球模型進(jìn)行選擇，進(jìn)而光滑處理。

3 建模中的渲染優(yōu)化

在三維動畫制作流程中，其中兩個比較重要的部分就是渲染及燈光：一是與其他環(huán)節(jié)相比，這兩個部分占據(jù)的地位十分重要，比如PIXAR公司電影片頭形象代表跳跳燈，燈光效果重要性可很好地被反映出來；二是根據(jù)耗時程度，在三維動畫制作過程中，比較耗時的流程就是渲染，計算機(jī)的性能決定了這兩個流程的時間耗費。通常使用分層法進(jìn)行渲染優(yōu)化，就是將動畫場景進(jìn)行劃分，形成動畫前景、動畫中景、動畫后景，在動畫后期進(jìn)行合成。

在Mental Ray中，Geometry是指含有三個或多個頂點的物體，幾何著色器Mental Ray渲染技術(shù)提供給用戶Geometry Shader解決方案，其使用C語言完成編寫，可很簡單實現(xiàn)幾何替換效果。在局部對較大場景進(jìn)行預(yù)覽時，采用 Geometry Shader技術(shù)可將復(fù)雜幾何體替換為簡單幾何體，實現(xiàn)渲染速度的提高。圖6為小女孩和盒子的渲染前后對比圖，由圖6可知，使用幾何替換技術(shù)渲染后，小女孩外觀和盒子完全相同。因此在渲染時可用簡單代替復(fù)雜，也可用復(fù)雜代替簡單。比如街道的車輛、花草、電線桿等全部可用盒子替代。在一個中等街景，通過少于100個面的盒子可完成20萬個面樹的渲染，從而使得后續(xù)工作效率得到提高。

4 建模的立體造型實現(xiàn)效率分析

通過使用MEL語言與Maya軟件可大量節(jié)約實現(xiàn)過程及動畫設(shè)計的時間，動畫形成工作強(qiáng)度得到降低，工作效率得到提高。

4.1 交互動畫的實現(xiàn)

在交互實現(xiàn)動畫時，傳統(tǒng)手工依賴于動畫設(shè)計者的直覺感官，根據(jù)感覺才能調(diào)整出好的動畫。實際物體的運動十分復(fù)雜，因而在交互實現(xiàn)動畫時，傳統(tǒng)手工方式難度極大。借助MEL語言，使用Maya軟件，實現(xiàn)交互動畫技術(shù)，設(shè)計及實現(xiàn)過程不考慮真實物體如慣性、質(zhì)量及彈性等屬性，將物體運動很逼真地模擬出來。

4.2 動畫角色運動過程的控制

通過控制動畫角色運動過程，可將物體運動很逼真地模擬出來，傳統(tǒng)的三維動畫軟件手工控制動畫角色運動時，設(shè)計師通常很難準(zhǔn)確對物體運動進(jìn)行控制，難以對物體真實運動規(guī)律進(jìn)行展示。使用Maya軟件可實現(xiàn)符合動力學(xué)規(guī)律的動畫，省去繁瑣關(guān)鍵幀動畫，只需將相關(guān)參數(shù)設(shè)置好就可獲得良好的動畫效果。

5 結(jié) 語

本文利用Maya軟件對泥偶動畫立體造型設(shè)計中如何應(yīng)用場景建模技術(shù)進(jìn)行研究。

根據(jù)傳統(tǒng)手工動畫的實現(xiàn)效果及Maya軟件對角色控制過程與交互實現(xiàn)動畫方面進(jìn)行優(yōu)劣對比，通過Maya軟件可實現(xiàn)符合動力學(xué)規(guī)律的動畫，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)可獲得良好的動畫效果。

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