虛擬現實語境下三維游戲引擎對動畫制作技術的應用性探究

段中原，劉馨予

1 游戲引擎簡述

游戲引擎通常簡單的分為2D 引擎與3D 引擎，通常指為運行某一類游戲的機器設計且能夠被機器識別的代碼(指令)集合。游戲引擎能夠按游戲設計的要求順序有效地調用包括圖像，聲音，動畫等資源。

經過十數年的發展，當今行業內游戲引擎的數量和分工日趨多樣化，現如今的游戲引擎早已經發展成為一套由多個子系統共同構成的復雜系統，從建模、動畫、渲染、特效，從物理系統、碰撞檢測、文件管理、網絡特性，以及專業的編輯工具和插件等，幾乎涵蓋了開發過程中的所有重要環節，早已不局限于2D、3D 引擎的分類，而其中的Unreal(虛幻引擎)、Unity3D 等游戲引擎以強大的功能和龐大的使用群體在行業中占據一定的主導地位。

2 傳統三維動畫與“引擎動畫”的比較

傳統的三維動畫制作環節大致可以分為3個階段，即前期策劃、中期設計、后期制作。在前期策劃階段，制作者通過不斷完善劇本，以文字和圖像的形式確立分鏡頭并設置時間表以方便確認鏡頭的位置和敘事流程；而在進入的中期設計階段后，制作者將對人物、場景、動作、貼圖等進行具體設定，此階段也是引擎進入動畫創作的具體階段，在此過程中制作者通常會使用Maya、3d Max 等三維動畫制作軟件對人物和場景等元素進行相對低面數的粗模制作，并可根據實際需要進行雕刻以豐富模型細節，然后通過法線貼圖的烘焙，得到一個具有凹凸細節的紋理貼圖，其次再為模型創建相應的骨骼和動作設定，輸出FBX 格式文件給Unity 引擎予以調用，將輸出文件導入引擎中進行材質、燈光、特效的調試，最后輸出成像；最后再在后期合成軟件中完成對圖像的合成、剪輯、配音、字幕等后期制作，最終完成3個階段的制作工作。

在前期策劃階段，通常需要制作者結合故事劇本、人物性格、場景結構和美術風格等進行細致構思，而值得注意的是，這一過程不是一蹴而就的，由于缺乏直觀的效果呈現，往往需要不斷地調整；如果將引擎的“實時渲染”等功能優勢運用到三維動畫制作的前期階段，制作者則無需像以往一樣進行局部和關鍵幀渲染就可以實現鏡頭效果的可視化，有助于制作者對劇本分鏡的修改和其他細節的優化。

在中期設計階段，引擎起到的顛覆性作用是尤為明顯的，對于畫面的氣氛把握與動作控制有著具體而細致的要求。在以往的通常情況下要消耗大量時間來反復調整材質表現、鏡頭位置和動作節奏。尤其在復雜的場景渲染環境中，每個人物、場景均需要不斷地反復修改并經過計算后查驗渲染效果。這一過程往往需要數分鐘，對于一個小型工作站(組)而言無疑會嚴重影響動畫制作過程的推進；如果說“實時渲染”能夠讓制作者高效的把握畫面效果，而引擎同樣也具備“實時修改”能力，那么制作者可以利用引擎自帶的腳本播放功能實現對動畫效果的預覽，在引擎中，制作者可以查看包括人物行走、對話、運動方向和動作幅度，完成對攝影機位置角度單位確定，完成對動畫敘事流程確認，最終可實現對動畫劇本的修改。制作者在同一設備設上同時完成動畫制作、渲染工作，實現效果的實時可控與修改，顯著的縮減了三維動畫制作在中期渲染階段的制作時間。

在后期制作階段，制作者主要為三維動畫實現部分特效制作與后期剪輯；在以往特效制作的環節，需要制作者提前完成素材的搜集并在三維制作軟件中創建特效和調節特效參數，整個過程由于受到貼圖類型、光效陰影、特效范圍、色彩效果等因素影響，導致制作者必須具備一定的經驗且同時消耗大量精力用于反復調整；而目前多數游戲引擎都自帶有物理系統、粒子系統和實時光效照明系統，通過實時光效，物體材質的表現與陰影效果的表現更加直觀可視，甚至可以通過物理天光、材質球和功能插件模擬虛擬光照模擬和背景環境；而物理系統則能還原一般物理環境下的碰撞及重力表現；粒子系統則是引擎中最為出彩的部分，相較于三維制作軟件中的粒子系統，引擎中的粒子系統指令更加集中且直觀。可以通過調節粒子的發射速度、角度、大小、數量和物理屬性。配合貼圖素材來模擬出非常規的效果，例如流水、爆炸、煙塵等，充分實現效果的實時可見，提升特效制作的效率與動畫本身的質量。

通過梳理不難發現，引擎在制作三維動畫過程中取代了傳統三維制作軟件的渲染功能。而隨著顯卡性能的不斷提高，GPU 的即時渲染成像質量已經能夠達到甚至超出CPU 離線渲染的質量水平，為引擎交互式動畫掃清了技術障礙，提高了工作效率。

3 “引擎動畫”在虛擬現實技術背景下的應用前景

有別于傳統二維動畫，三維動畫能夠為觀眾帶來逼真的視覺效果和全新的動畫形式，相較于二維動畫、三維動畫本身的視覺突破，按現有發展趨勢推斷，未來一個時期內的動畫形式極有可能是包含全景式、沉浸式、可交互的動畫形式，而這些是傳統三維制作軟件所不具備的功能，引擎的使用能夠完全意義上實現即時渲染，配合虛擬現實技術則可增強三維動畫的感知力與交互性，而全新的格式文件類型也能充分滿足手機與自媒體等不同平臺的播放需求。

引擎的使用很大程度上降低了行業的門檻以及對從業者的軟硬實力要求，過去對于從業者來說需要掌握一定的軟件基礎、攝影技巧、計算機編程以及力學、光學等方面的知識來滿足三維動畫制作中的調試、渲染、合成；而引擎所具備的實時渲染、智能光效以及豐富的應用插件使其相較于傳統三維制作軟件更易上手且容易操作，在視覺效果上比肩傳統三維制作軟件。

目前，引擎大量的應用培養了一定規模的技術團隊與使用者，其中Unity 引擎自2005年至2013年間累計積累了100萬用戶，2014年則更是實現倍增，達到了200萬用戶注冊使用。這使得“引擎動畫”的制作與推廣具備了很強的普世性。而普世性的存在能夠反哺開發團隊與使用者參與產品研發、素材資源建設、產品使用等；目前主流引擎除了專業版本，大多數可以免費提供給從業者使用，同時國內活躍用戶數量與對應產品數量不斷提高，各類相關資源與素材得到不斷強化建設，引擎教程相較于以往的單一與缺失正趨向多元性和專業性，人才市場專業崗位需求量較大，也間接帶動了部分高校開設引擎開發與設計類課程以滿足人才培養的需要。

4 結論

事物的發展趨勢必然緊跟時代的進步節奏，引擎的使用和實時渲染技術為三維動畫制作節約了大量的時間成本，為三維動畫制作帶來了巨大的變革，就國內而言，“引擎動畫”尚處于一個新的領域，在發展和應用的過程中難免遇到各種困難，這就需要廣大從業者發揮和調動自身主觀能動性加以研究應對和解決。

2019年GDC(Game Developers Conference，即游戲開發者大會)上所展示的最新Unity 實時渲染大片《異教徒》，其逼真的CG 人類角色，效果令人驚嘆。這已不是第一部使用Unity 引擎制作的CG影視作品，在此之前還有《Windup》《死者之書》等，近期Unity 官方還將發布一部效果十分精致的實時渲染動畫短片《Sherman》。

同時由《第九區》導演尼爾·布洛姆坎普的工作室利用Unity 游戲引擎打造的科幻微電影《ADAM》已更新至第三集，好萊塢電影《阿凡達》中也利用了類似引擎的實時呈像系統來幫助制作者通過控制攝影機實時瀏覽畫面效果。由此可見，利用游戲引擎對三維動畫進行制作具有巨大的生產潛力，同時對動畫制作技術的革新有著重要的意義。三維動畫制作必將成為依托多種信息技術完成制作的載體，隨著引擎兼容性與視覺效果的廣泛提升，相信在不遠的將來，“引擎動畫”必然成為三維動畫制作的又一重要手段。