三維角色動畫制作關鍵技術應用研究

潘永路

（杭州優(yōu)鏈時代科技有限公司，浙江 杭州 311200）

0 引言

在我國計算機技術飛速發(fā)展的今天，動畫產(chǎn)業(yè)也要跟上時代發(fā)展腳步，逐步提升技術化和網(wǎng)絡化程度，這推動著動畫產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的不斷提升。當前我國三維動畫發(fā)展步伐還很緩慢，與西方發(fā)達國家有一定差距，需要加大研究力度。三維動畫是動畫制作和其他影視作品制作中的重要內容，需要關注三維動畫建模與運動控制，才能保證制作質量，滿足大眾審美要求。

1 三維角色動畫制作要求

第一，借助三維軟件，能夠以手動方式設計各種三維動畫角色動作，并借助計算機計算中間張，讓角色作出不同的動作。由于角色處于運動狀態(tài)，在制作過程中應該關注其運動規(guī)律，這點在二維動畫制作中有豐富經(jīng)驗，在三維角色動畫制作中也要考慮這個規(guī)律，確保角色性格得到凸顯，顯得更加生動與逼真。第二，動畫作為模擬現(xiàn)實運動的藝術手段，在三維角色動畫制作中需要借助動作，達到營造氛圍、敘述故事的效果，這需要與角色動作運動規(guī)律相結合，讓角色動畫制作更加完美與真實。第三，對三維角色動畫制作來說，一般借助行為動作將角色性格特征表現(xiàn)出來。角色行為主要受到意志影響，確保動畫角色設計時應該滿足其意志、情感、性格、思維以及生活等方面的邏輯。人的性格不一樣，對同一個事件將產(chǎn)生不同的反映，表現(xiàn)的行為與動作也有差異，這也是三維角色動畫制造中需要考慮的地方，通過性格突出動作[1]。

2 三維角色動畫的建模

2.1 幾何建模

當前常用的三維角色動畫制作軟件類型很多，在建模技術上也不一樣，很多新的技術逐步興起，如雕刻建模技術等，借助雕刻工具與筆刷，能夠將設計者想象中的動畫角色進行快速制作。三維角色動畫制作軟件具備幾何建模的功能，在建立角色模型的過程中，優(yōu)點在于使用較為靈活，有利于制作者將自身想象力充分發(fā)揮出來，但是其缺點在于制作流程多，比較復雜，設計效率不高，要求制作者具備加強的美術造型能力。

2.2 圖像建模

主要以數(shù)碼相機為支持，能夠完成對動物、演員等多角度拍攝，借助三維角色動畫制作軟件，達到有效整合拍攝的全面照片，從而得到拍攝角色的三維模型。我們通過對圖像建模技術的應用，能夠提高角色模型建立的效率，保證三維角色動畫制作更加高效進行。

2.3 三維掃描

應用三維掃描技術，先掃描動物和演員，獲得其影像平面所有采樣點三維空間坐標和色彩信息，最終形成三維彩色數(shù)字模型。對三維掃描技術來說，能夠有效改進三維角色動畫制作軟件中幾何建模技術的缺點，但是需要付出更高的成本，容易限制制作者想象力的發(fā)揮。

2.4 專業(yè)三維角色動畫制作軟件

在專業(yè)的三維角色制作軟件中，能夠呈現(xiàn)各種人物、動物和物品等三維造型，借助參數(shù)盤設計者能夠有針對性調整三維造型，從而短時間內制作所需的動畫角色模型。在三維角色動畫制作軟件中導入角色模型，可以實現(xiàn)制作效率的大幅度提升[2]。如此一來，角色動畫制作將顯得更加簡單，不需要借助其他硬件設備提供的技術支持。當然該軟件主要以三維角色造型為基礎進行調整，局限性很大，不能保證制作者充分發(fā)揮自己的想象。

2.5 動畫角色制作建模對比

在動畫角色制作技術中，常用的方法就是幾何建模、圖像建模、三維掃描以及專業(yè)三維角色動畫制作軟件等，其優(yōu)缺點如表1所示。

表1 動畫角色制作建模對比情況

3 三維角色動畫的運動控制

3.1 動畫角色骨骼控制系統(tǒng)

三維角色動畫制作軟件中能夠進行骨骼控制，能夠讓動畫角色骨骼獲得指定層級關系，并制定多種IK與控制器，最終合理設置動畫角色骨骼的關鍵幀[3]。動畫角色骨骼控制系統(tǒng)靈活性很強，但需要逐根完成骨骼和骨架的構建。在制作骨骼細節(jié)的時候，必須用到正反運動學等知識，并采取手動設置的方式。如此一來，骨骼控制系統(tǒng)工作過程就顯得非常繁瑣，很難保證最終的準確結果。

3.2 專用動畫角色制作模塊

3DS MAX內置有Character Studio給出的Bipe骨骼系統(tǒng)，借助這個系統(tǒng)不用手動對各骨骼層級關系進行設定，也不用制作專門的IK，視圖過程中點擊拖動鼠標后，能夠完成對人體骨骼的創(chuàng)建。與基本骨骼系統(tǒng)相比，操作起來更加簡單，可以采取手動方式對Bipe骨骼關鍵點進行設置[4]。此外，Character Studio也擁有自動步跡動畫，在創(chuàng)建步跡后Bipe骨骼可以行走，并采取手動對關鍵幀動畫進行添加的方式，能夠提高動作數(shù)量。Character Studio也具備運動混合功能，通過編輯多段Bipe骨骼動畫和疊加多個動作，能夠讓動作顯得更為復雜。Character Studio實現(xiàn)了多多種復雜動作的制作，但需要靈活運用自動和手動兩種方式，整體上看動畫流暢性和真實性有所不足。

3.3 運動捕捉技術

在應用運動捕捉系統(tǒng)以后，能夠對人體動作進行實時的捕捉，針對得到的數(shù)據(jù)進行專門的處理，并驅動生成的三維角色模型，確保其動作和人體基本一樣。運動捕捉技術的優(yōu)點在于效率很高，制作輕松，可以獲得較高的精度，不足的地方是投入較大，需要應用先進硬件設備，也難以實現(xiàn)對跳樓、撞擊等高危險動作的捕捉。

3.4 三維動畫角色動作生成技術

對Endorphin軟件來說，主要由英國公司開發(fā)完成，并以生物動力學、人工智能和基因演算等技術為支撐，達到模擬人體真實動作的目的[5]。該軟件優(yōu)點是可以獲得極高的動作精度，生產(chǎn)效率也有保障，能夠對撞擊、跳樓等高危險動作進行制作。Endorphin中演員由虛擬制作而成，可以對各種動作進行模擬，省去了對專門硬件設備的應用，提高了三維角色動畫制作水平。

3.5 三維動畫角色運動控制技術對比

本文一共介紹了4種三維動畫角色運動控制技術，主要為骨骼控制系統(tǒng)、專用動畫角色制作模塊、運動捕捉技術和三維動畫角色動作生成技術，其優(yōu)缺點對比分析情況如表2所示。

表2 三維動畫角色運動控制技術對比

4 結論

綜上所述，在科學技術發(fā)展過程中，社會意識形態(tài)有了很大變化，三維動畫制作技術被廣泛應用于教育教學、影視特效和科研等領域，要求也不斷提升。當前三維動畫制作關鍵技術主要包括角色建模技術、運動控制技術等，需要我們深入研究與準確應用，才能讓制作的動畫角色更加生動與逼真，也能促進三維動畫制作行業(yè)的發(fā)展。