淺析三維角色動畫制作的關鍵技術

摘 要：作為一門新興技術產業，三維角色動畫牽扯的領域和因素眾多。其不僅與美術、設計領域有相關性，而且還涉及軟件技術及軟件方法的使用。現如今，在計算機動畫技術中，三維角色動畫制作的關鍵技術備受關注，尤以運動控制技術為最難。為了推動我國三維動畫制作技術不斷發展，且確保增強我國三維角色動畫的制作效率，針對三維動畫制作的關鍵技術有必要進行探究。

關鍵詞：三維角色；動畫制作；關鍵技術

就我國計算機動畫產業的發展狀況來看，其發展空間非常大。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、缺乏專業教育人才等幾項因素之外，技術基礎薄弱是最為關鍵的影響因素。[1]為了穩定我國動畫產業的發展態勢，必須狠抓三維角色動畫制作的質量。基于此，可從應用三維角色動畫制作的關鍵技術為切入點深入分析。

1 三維角色動畫

從20世紀90年代起，經歷了近30年的發展變化，計算機三維動畫逐漸走入大眾的視野。作為采用計算機三維動畫技術的首次亮相，中央電視臺、北京電視臺在1990年北京第十一屆亞運會電視轉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的一種表達，即3D動畫。3D動畫的制作機理：借助三維動畫制作軟件建立模擬環境——依據動畫角色形象構架基礎模型及動畫場景——結合相應動畫劇情設定角色基礎模型的運動軌跡——確定并記錄其動畫設定參數——對角色基礎模型進行材質合成——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，不免需要運用到三維動畫技術。將技術應用其中，主要目的是模擬真實物體及其動作，達到準確還原物體運動過程的目的。在電視劇制作過程中，采用該技術，主要展現電視劇特效及特技，展現出某些爆破場面、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、三維掃描儀技術、圖像建模技術和專門的三維角色制作軟件）、骨骼創建、蒙皮綁定、運動控制（基本的骨骼系統、專用角色動畫制作的模塊、運動捕捉技術和三維角色動作生成軟件）。[4]尤以第一步和第四步的技術最為重要。各技術的特性突出，在選用過程中，需謹慎，并進行綜合考慮，以達到較為滿意的三維角色動畫制作的效率和質量。

2 三維角色動畫制作中的關鍵技術

2.1 三維角色動畫制作中的建模技術

（1）幾何建模技術。在三維角色動畫制作中，應用的幾何建模技術，即核心建模技術。涉及的內容較多，具體涵蓋了表面建模、細分表面建模、多邊形建模、NURBS建模以及雕刻建模。關于幾何建模法，有相關的三維動畫制作軟件提供制作基礎。但是，仍需要相關動畫設計人員的美術功底過關，應對復雜的建模過程。

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

（3）圖像建模技術。該技術應用角色三維模型的構建，其間需要借助數碼相機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。該技術的建模效率較高，但是，存在一定的缺陷，即難以對細節進行系統微調，不能確保模型的準確率。

（4）三維角色的建模制作軟件。可以完成符合三維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，使相關工作人員創作出角色的頭部、四肢等，進而完成基礎角色模型。其間，對于需要調整的，可以采用參數盤調節。

2.2 三維角色動畫制作中的運動控制技術

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

（2）專用角色動畫制作的模塊。以3DSMAX內置的CharacterStudio為例，由于其提供了Bipe骨骼系統，因而減免了手動設置每根骨骼層級關系和各種的IK指定的過程。[5]在創建完整的人物骨骼時，非常便利，單擊拖動鼠標于視圖中即可。Bipe骨骼系統使用更加方便。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，其中的運動混合功能可實現多個動作的疊加，完成更加復雜動作的制作。總之，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于復雜動作制作還是不夠簡便，且動作效果不理想。

（3）運動捕捉技術。談及運動捕捉技術，其涉及的技術內容較為廣泛，與計算機圖形學、電子、機械、光學、計算機視覺、計算機動畫等技術都有一定的相關性。運動捕捉技術，即通過運動捕捉系統捕捉運動物體關鍵部位的跟蹤器，經計算機分析得出動畫制作中應用數據的過程。其后，借助數據驅動三維模型即可生成動畫。通常情況下，運動捕捉后的數據有兩種途徑完成動畫制作，其一，直接調入三維動畫中驅動三維模型；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下常見的一種應用手法。以Endorphin（英國NaturalMotion公司研發）為例，其可以實現自動生成三維角色動作。在設計模擬角色身體某部分過程中，通過參數設置，可以調整其強度和方向，進而自動產生翻滾的動作。該軟件的優勢在于，其能夠模擬真實的動作。在三維角色動畫制作中，一直以來，基于硬件的運動捕捉技術的生產效率和精度受到業內的認可。而三維角色動作生成軟件與其不相上下。由于動畫制作中，常常需要設置一些極其危險的動作（高空跳樓、撞擊等），因而，應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，較為負責，而該軟件通過運用全新的動畫制作技術（虛擬演員）可不需特殊的相關捕捉硬件設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用前景極為廣闊。

3 結語

三維角色動畫制作中，其幾項關鍵技術各有所長。在倡導創造精神的新世紀，這些技術均能夠為動畫制作行業增添光彩。三維角色動畫制作的幾項關鍵技術中，運動控制技術是重中之重，在結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，不僅能夠讓動畫角色進行生動、準確的表演，而且對于整個行業的發展也能夠起到推進作用。另外，在技術的應用過程中，需要注重角色動作細節的刻畫，以追求完美的動畫效果。

參考文獻：

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

[2] 李思橦.運動中的人物角色動畫的設計與實現[D].北京工業大學，2015.

[3] 劉洋，郭熒飛.三維角色動畫制作關鍵技術的幾點探討[J].工業設計，2016（08）：188+190.

[4] 張興華，孟藝.淺析運動規律在三維動畫制作中的運用——三維角色的行走動畫[J].藝術與設計（理論），2013（03）：100-102.

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

作者簡介：阿榮，內蒙古通遼人，本科，專職教師，研究方向：電腦美術。