基于UE4 虛幻實時渲染動畫的《銅官古鎮》設計解析

尹再龍 鄧伍英

YIN Zai-longDENG Wu-ying*

（長沙學院，湖南 長沙 410003）

(Changsha University, Changsha, Hunan, 410003)

古鎮古村是歷史文化發展的結晶和寶貴財富。銅官古鎮位于長沙市望城區北境湘江東岸，以陶瓷聞名于世。銅官窯歷史文化底蘊濃郁，是最早的大型窯廠之一。銅官窯也稱“長沙銅官窯”，始建于1 300 多年前的隋末唐初，以燒制釉下多彩瓷器聞名。長沙銅官窯所燒制的瓷器備受西域各國的喜愛，從沉沒在印尼勿里洞島嶼海域范圍內的“黑石”號沉船以及西域各國出土的中國瓷器就能夠看出這一點[1]。由此可見，長沙銅官窯在唐中后期的絲綢之路上扮演著一個非常重要的角色。

2017 年5 月14 日，習近平總書記在“一帶一路”國際合作高峰論壇開幕式上提到：“古絲綢之路綿亙萬里，延續千年，積淀了以和平合作、開放包容、互學互鑒、互利共贏為核心的絲路精神，這是人類文明的寶貴遺產”[2]，特別提到了印度尼西亞發現的千年沉船“黑石”號。保護銅官古鎮是落實國家“一帶一路”倡議的具體行動，也是銅官窯復興之路的重要藝術實踐活動。

縱觀國內外數字藝術的迅速發展，三維虛擬現實技術在生活中所利用的頻率越來越高，逐漸成為一種新的潮流。1994 年美國運用三維虛擬現實技術成功地虛擬了洛杉磯三維模擬系統；英國也在二次虛擬世界遺產會議上展示了“虛擬龐貝古城”（1995）和英國自然歷史保護應用（1996）。21 世紀以后，美國加州大學洛杉磯分校領導的仿真小組三維虛擬現實技術開始結合歷史文化古跡完成了古耶路撒冷聚落的虛擬重建[3]；法國建筑師Jaen 借助虛擬現實平臺驗證了金字塔建筑結構法理論研究。隨著數字藝術的成熟，在建筑及展覽領域被廣泛應用，從“虛擬龐貝古城”（1995）、沉浸式劇場故宮“紫禁城·天子的宮殿”（2003）、“數字化圓明園方壺勝境”（2006），到中國第九屆園林博覽會上運用NEC 投影炫動技術的“盧溝運筏圖”（2013），動畫片應用虛幻4 引擎首個嘗試動畫短片代表《Zafari》（2019），前期模型和貼圖、燈光、特效、渲染等都是實時渲染引擎4 完成，導演David.dozoretz 在采訪記錄中說到流程迭代能在一天時間內測試渲染，并且可以數小時內完成20 次，比傳統的制作流程節約了大約75%。這是數字動畫技術的偉大革新。隨之，國內開始引進運用虛幻4 引擎實時渲染技術，開發的代表動畫作品有《武庚紀》《地靈曲》《斗羅大陸》。由此可見，基于虛幻引擎創作的三維實時渲染動畫已經迅速被創作者所接受，而且作品質量顛覆了國產動畫在觀眾心中的印象，視覺效果更加令人矚目。三維虛擬現實技術越來越成熟，觀眾的視覺如臨其境，它不僅是技術上的一場變革，最重要的是在創作理念上的轉換[4]。

通過現有的文獻分析，三維虛幻引擎技術應用于歷史文化古跡數字保護是一種新的發展趨勢，此項技術中國暫時還沒有被廣泛應用到古鎮古村的數字化保護領域。因此，研究擬利用三維虛幻引擎技術實現對銅官古鎮的保護，以期讓銅官文化視覺傳播更具優越性。

1 UE4 虛幻引擎技術應用優勢

1.1 設計思路易優化

UE4 虛幻引擎相比傳統的三維場景動畫制作更具有優勢，設計思路的模式實施更優化，設計環節可以最大限度整合，它具有“所見即可得”的實時渲染特性（圖1）。如傳統的三維虛擬場景制作軟件在進行燈光和攝像頭設計之后，需要不斷進行相關測試，要多次調整數據才有可能達到最終理想效果，而在UE4 三維虛擬場景設計中，設計燈光和攝像機能夠同時直接對最終效果做出研判優化調整。項目在整體實施中可以根據研判各個環節中的節點優化整合設計思路。

圖1 傳統渲染與UE4 實時渲染對比圖

1.2 時間成本更節約

相比傳統的3Dmax 和Maya 軟件的三維虛擬制作，UE4 在時間成本上更加節約。體現在3 個方面：一是資產管理上，UE4 虛幻引擎采用全身動捕來加速動畫資產創建，利用3Dmax、Maya 等軟件制作各種模型資產，并在制作動畫之前導入UE4 中，可以使用Datamith 工具進行資產批量導入；二是燈光設計上，UE4 虛幻引擎相對來說要簡化很多，不需要額外考慮多種角度的燈光，布光設計一步到位，從而減少制作的時間成本；三是渲染時間的成本節約，UE4 虛幻引擎采用實時渲染的方式，渲染時長減少，通過燈光及相關的設計，也能夠達到非常好的視覺效果。UE4 虛幻引擎適合重量級開發，在制作大型的動畫或者游戲上，可以節約制作空間，減少一定的工作量，從整體來看，UE4 引擎在節約時間成本上具有顯著的優勢。

1.3 視覺效果控制多元化

實時渲染效果控制多元化是UE4 虛幻引擎制作動畫的最大優點。新版本的UE4 添加了實時光線跟蹤功能，通過全局照明、環境光遮蔽、反射、折射和陰影的調整，對于各個時間段的場景燈光設計調整更加便捷，實現場景時間段多元化。UE4 的流體和毛發功能能夠大幅度提升畫質，通過調整渲染出不同的場景氣氛，能夠讓畫面更加自然、出彩，如果能夠配合其他軟件的使用，能夠達到非常好的效果，實現場景氣氛多元化。

2 項目實踐

2.1 前期考察與調研

CCTV-4 中文國際頻道在2017 年12 月25 日的《國寶檔案》欄目中曾播出過一期名為“大唐長安——盛世都城”的節目，該節目詳細介紹了大唐時期長安都城建筑情況。銅官古鎮的建筑三維模型構建時參考了影片中唐代建筑特點及建筑漫游鏡頭語言。前期設計通過實地考察和影視文獻參考分析，確立作品時代背景，建筑場景設定參考唐中后期的風格，那時期的建筑規模大，布局嚴謹，形體俊美，具有氣魄宏偉、嚴謹又開朗的特點。創作借鑒銅官古鎮現存的遺跡并與唐朝建筑風格背景相結合來還原銅官古鎮現代和歷史樣貌（圖2）。

圖2 銅官古鎮建筑群實景圖

項目前期的主要工作有前期資料查詢、實地考察調研、故事劇本確定、動態分鏡繪制、三維模型構建、自然場景搭建、人物資產模擬等環節。其中基于UE4 軟件設計的主要有三維模型構建、虛擬場景構建、人物資產模擬。前期工作的準備能夠為后期制作節省時間成本，減少不必要的工作量。在整個制作過程中，主要以銅官古鎮的建筑特點、市井風貌、民風習俗等為切入點進行鏡頭展示。劇本的角色比較靈活，包括燒瓷工人、銅官街小攤販、駕車馬夫、搬運貨物路人等。

目前文化遺產數字化主要應用于數字化記錄與保護、重構與復原、展示與傳播、虛擬產品的開發利用4 個方面[5]。《銅官古鎮》作品三維虛擬還原銅官古鎮長沙窯海外“絲綢之路”的歷史外銷與制作場景，通過作品展示，能讓觀眾從中感受到長沙窯宏大的歷史外銷壯觀景象。作品故事劇情從打撈“黑石號”沉船開始回溯歷史，展現長沙窯瓷器外銷浩大場景、海陸文化產品輸出盛景。從熱鬧的集市、繁榮的街道、民舞的表演還原出銅官古鎮古代商貿活動的繁榮景象。

2.2 虛擬空間的數字模型構建

三維動畫具備虛擬性、同質性、視覺真實感、可擴展性等特征[6]。故此，課題組根據大量的資料查詢整理分析和實地考察，得出銅官古鎮老宅的建筑特點，結合唐代整體的建筑風格以及相關劇本的創作，確定數字建筑模型的形體，利用3Dmax 軟件進行三維數字化模型還原。

數字模型構建的過程包括：三維虛擬場景房子模型構建（圖3）、模型UV 貼圖展開、模型貼圖設計等。在構建模型中注重模型的大小尺寸問題，過大的尺寸會給后續制作帶來阻礙。

圖3 銅官古鎮數字建筑模型構建圖

2.3 UE4 虛幻引擎自然場景構建

（1）基礎地形搭建。地形是支撐場景的重要部分，場景中的大部分物體都是基于地形而存在的。在地形的控制面板中參考銅官鎮的地形和風水，使用雕刻筆刷雕刻出簡單的地形。地形地貌建好后，用湖泊面板里面的曲線工具在場景里面添加河流、湖泊。

（2）植被類模型構建。虛幻引擎有非常方便的種植功能，導入模型后，選中要種植的植物，調節好畫刷尺寸和描畫密度，就可以進行繪制布局了。在植被布局前先在brage 中找一些符合當時時代和季節的植被素材導入到筆刷庫，在地形中用筆刷工具根據場景設計圖進行植被的種植布局。

（3）運鏡中調整細節。在運鏡中檢查自然環境布局的合理性，完整地構建出一個真實的自然虛擬環境。自然環境構建好之后，將在3Dmax 里面建模好的古建筑和人物導入到工程文件當中去，再根據場景設定進行擺放和布局，還原唐代銅官古鎮的社會面貌。在UE4 軟件中優化地形場景模型，包括山體貼圖優化、植被種植組合、水體顏色設計等。在進行場景優化制作時，對于遠處的場景注意多采用調節貼圖的技巧來規避占用空間的問題，可以節約電腦資源。近處的自然景物可利用視覺差來調節植被和場景的距離，保持場景的完整性。調整細節時可以根據當地的實際情況，利用UE4 的實時渲染特性來制作湖面，使整體場景更加自然具體，更具真實性、觀賞性。銅官窯古鎮實物和動畫對比見圖4。

圖4 銅官窯古鎮實物和動畫對比圖

2.4 虛擬人物模擬

人物模擬試驗主要采用了動捕數據來進行相關的動畫測試，確保所有的人物模型資產能夠順利導入UE4 里面。通過人物模擬這一環節，大大降低了后續的工作量，節省了制作時間成本。在模擬人物時，先將中心點在原點的正面雙手張開人物模型資產導入到動捕網站里面進行動捕數據測試，在測試完沒有任何問題之后，下載帶有動捕數據的人物資產模型動畫，并將其導入到UE4軟件中進行二次人物動畫模擬（圖5、圖6）。如果人物是正常帶有動作并且沒有其他問題，那么測試就正式結束，以此證明此人物資產是可用的。通過資料收集和分析，唐代經濟較為發達，生產和紡織技術進步顯著，加上絲綢之路對外交往頻繁，服裝圖案、款式、色彩等都呈現出前所未有的新局面。因此在設計勞作工人服飾的時候，考慮到勞作辛苦以及環境臟亂，多用了深顏色的布料。衣服的款式也因為勞作者身份而更隨意，以散熱為主要設計出發點。銅官街的小攤販和街頭賣藝舞女的服飾樣貌設計出來就顯得明朗許多，衣服顏色相對來說比較自由，偏艷麗，以整潔、干凈、體面為主要設計方向。

圖5 小攤交易人物模型構建圖

圖6 人物模型構建

2.5 器物設計

2.5.1 陶瓷器物設計 長沙窯有“濃郁的地域風情”“粗料細作”“通俗的書畫藝術”等藝術特點，其貼近平民百姓生活，質樸親切，民窯工匠約束較少，創作思維較為活躍，優良的工藝技巧能夠有序傳承，體現出了民族工藝的精神[7]。為了還原銅官古鎮的文物樣貌，直接考察了銅官博物館陳列的各種物品紋樣。文物碗的內壁常見有花紋、鳥獸，規律分布，或左右對稱，或旋轉。其中模印帖花凹凸帖花花紋尤為好看，模印帖花是長沙窯最為經典的工藝，主要是在一個完整的器物上用多余的陶土細致雕刻，在需要凹凸的地方做出線條，再進行凹凸變形，鑲嵌進器物，最后燒制出來上色[8]。銅官鎮當時所制造的青釉帶褐綠彩突破了傳統的單色釉，在一件瓷器上面同時出現3 種色彩，成為當時民窯的重要特色（圖7）。

圖7 博物館瓷器及復原式樣圖

2.5.2 “黑石號”復原設計 沉沒在印尼勿里洞島海域的“黑石”號沉船是課題作品故事線的“引線”?！昂谑碧柍链c銅官古鎮有著千絲萬縷的關系，作為一艘海上“絲綢之路”的商船，在沉沒海底的時候滿載著長沙窯外銷瓷器。制作時實地考察了銅官博物館、新華聯銅官古鎮現存的“黑石”號沉船模型（圖8）。根據查找的資料信息以及考察帶來的圖片資料對“黑石”號沉船進行了三維虛擬模型構建（圖9）。

圖8 新華聯銅官古鎮“黑石”號沉船模型

圖9 “黑石”號沉船虛擬構建

2.6 后期實現

項目后期的工作內容主要是合成制作階段，包含場景模擬、燈光實時渲染設計、后期實現等步驟，對UE4 虛幻引擎渲染出來的成片、配音和音效以及字母旁白設計進行最后的成片設計合成。

2.6.1 場景模擬 將3Dmax 里面構建的三維虛擬建筑模型在檢查之后，導出FBX 格式到UE4 虛幻引擎里面，進行組裝整合成一個場景（圖10）。通過調整攝像機、進行燈光測試來進行場景模擬測試，場景中的建筑模型是完整的，沒有出現破形以及缺失面的情況，場景測試通過。

圖10 UE4 場景模擬

2.6.2 燈光實時渲染設計 在銅官街的設計上主要使用了GI 和點光源，使整個古鎮呈現一種古樸風格（圖11）。在色調上以暖黃色為主色調，可以快速地使觀眾融入到古鎮的氛圍里面感受銅官鎮的生活氣息和風土人情。在開啟環境光照下，室外光線是黃色、紅色等暖色光線，由于在室外光線進入室內時，通常是藍色、紫色和淡藍色，自然布光會偏離冷光和暖光色溫，會使場景缺乏真實性。因此，在場景構建時要優先對冷暖光進行充分布局考慮，讓場景效果更具真實性。導入數字虛擬模型到UE4 軟件中組建完成后，在UE4 里面放置Lightmass Important volume、天空球、平行光、天空光、大氣霧水、高度霧等相關的燈光和天氣球，調整參數來達到相應的場景效果。

圖11 古鎮燈光渲染對比圖

3 結語

課題研究前期階段運用UE4 虛幻引擎時存在很多的知識點盲區，利用3Dmax 建成的點數據模型uv 和貼圖無法直接導入UE4 虛幻引擎，強行直接導入會丟失點緩存動畫，3Dmax 制作軟件中所構建的三維虛擬建筑模型導入UE4 時會因為尺寸過大出現卡頓現象，也會存在點焊接、線分開、面重合、模型損壞、變形、骨骼丟失不匹配等問題。實現3Dmax 和UE4 兩個軟件資產對接，是解決UE4 虛幻引擎和逐漸消除UE4 虛幻引擎的知識點盲區的有效方法。保持數據模型動作的完整性、點緩存動畫數據流暢性，需要利用3Dmax 軟件刪除模型點緩存動作，讓模型呈身體正面站立雙手張開，在FBX 模型動捕連續導出，還可以二次利用點緩存模型，實現點緩存模型在UE4 中實現動畫動作。另外，通過3Dmax 制作軟件中安裝減面工具，將模型的面實現最少化，虛擬場景搭建規模大小可以通過縮小模型尺寸來解決。技術問題的盲點需要不斷嘗試和實證，才能完美實現3Dmax 和UE4 資產對接共融共享。

總之，虛擬技術的“視覺表現技術”“聽覺表現技術”“力/觸覺表現技術”“嗅/味覺表現技術”已日趨成熟，在各領域都應用廣泛[9]。虛幻引擎技術應用是三維動畫實時渲染未來發展新動力，虛擬現實技術的出現以不破壞村莊的原始風貌為前提，保護了村莊的自然生態，為古村旅游提供了新的發展方向[10]。隨著技術的成熟和創作者設計思維的拓展，在建筑光構成、環境展示、影視制作虛擬場景搭建、虛幻4 引擎技術的廣泛應用會使動畫行業的超越變得更有可能性。