基于計算機圖形學的三維影視動畫制作技術探析

田鑫鑫

（江蘇省吳江中等專業學校，江蘇蘇州 215299)

0 引言

在社會高速發展趨勢下，三維影視動畫制作開始普遍應用計算機圖形學技術，以此切實提高了整體制作水平與質量。計算機圖形學技術作為先進的計算機技術，是計算機發展到既定時期的產物，在三維影視動畫制作中獨具優勢。計算機圖形學技術以多元化形式為三維影視動畫制作提供了技術性支持，拓展了制作人想象力，賦予了多樣化創作路徑，豐富了影視動畫作品內容，促使其更具藝術感染力與吸引力，且在視覺層面給觀眾帶來了強烈視覺沖擊力，真正意義上提高了三維影視動畫制作質量[1]。

1 三維影視動畫制作計算機圖形學技術軟件

1.1 3D Studio Max

3D Studio Max是一種常用的三維影視動畫制作軟件，簡稱為3D Max，在其不斷發展下，功能也日趨完善，最初常見于游戲制作，特別是游戲角色制作，由基礎變形到光能傳輸渲染，由人物創建到毛發梳理，大肆吸收各式各樣優秀插件，以形成功能健全的版本，隨后又融入電影數字特效制作中，用來設計高品質視頻。3D Max既能夠實現建模、精細材質、設計燈光、攝像渲染、動畫制作等一系列功能，又具備性價比高等優勢，如圖1。

在建模時，3D Max 基于多種建模方式構建模型。其一，幾何建模，將簡單的幾何模型以拼接裁斷方式加以構建；其二，Surface建模，以網狀框架修正形成標準曲面；其三，NURBS建模，控制曲面特殊點以生成更高要求與標準的曲面。三種建模方式優勢互補，以構建精細化的模型，且細化材質功能可以為已構建模型覆蓋材質，使其形象更為逼真。3D Max最初用于制作游戲人物，隨后用于三維影視動畫制作，可為角色添加精細動作，且骨架系統可高度模仿人體骨架特點，從而能夠流暢且自然地完成跑跳等動作設計。

1.2 Maya

Maya是大型三維影視動畫特效制作軟件，集成了先進的動畫與數字效果技術，不僅包括一般三維與視覺效果制作功能，還具備先進的建模、數字化布料模擬、毛發渲染、運動匹配技術，如圖2。Maya軟件的可擴展性較強，可基于外部插件制作影視動畫或者特效。Maya的特殊之處在于動力學粒子系統，據此可制作處于運動狀態的物體，例如飄散的煙霧、旋轉的硬幣等，其基于表達式指令實現由表達式指令控制動力走向，例如風向、爆炸噴射方向等。粒子系統則是用表達式指令加以控制，粒子運動效果以視圖化形式呈現，交互性良好，而且可應用于自然景觀呈現與特效角色塑造。

圖2 Maya軟件界面

1.3 Houdini

Houdini也是一種常用的頂級影視特效制作軟件，主要以節點類輸出為載體，優勢在于節點是通過網絡連接，每個數據均是逐一通過節點加以控制，節點可在相同界面內同時控制物體多重屬性。Houdini控制電影特效無需較高的數學知識，比較適合計算機編程，這主要是由于Houdini為樹狀式粒子節點，擁有屬性節點，有助于控制粒子運動，其通常通過節點網絡操作，以操作控制節點。Houdini 優勢在于自然景觀塑造與大量粒子運動，自帶渲染器可實現頂尖級別的渲染，其節點操作是其他軟件所無法睥睨的[2]。

2 計算機圖形學技術在三維影視動畫制作中的優勢分析

影視行業高速發展趨勢下，計算機圖形學技術借助其高端技術與無限創意，切實轉變了影視動畫以往傳統的視覺效果，開創了全新視覺體驗，在推動經濟發展的同時滿足了人們的精神文化需求[3]。

2.1 可節省人力物力

現代化社會背景下人們對于精神文化的需求日趨嚴苛，想要緊緊抓住觀眾的眼球，吸引觀眾的注意力，三維影視動畫視覺效果必須達到理想狀態。但是受限于現實條件，許多影視動畫場景實現可謂難上加難，此時若是可以合理利用計算機圖形學技術進行三維影視動畫設計與制作，不僅可以實現動畫特效制作，還可以獲取最佳動畫視覺效果，同時可再現宏大場面以帶給觀眾視覺盛宴。

2.2 可重現科幻場景

對于宇宙和外太空的探索始終是人類十分熱衷的話題，所以許多影視企業瞄準此市場前景，拍攝了許多有關于外太空或者未來社會的虛擬影視動畫，其中許多場景均是現實環境所不能實現的，尤其是星球爆炸或者太空畫面等，單純依賴于既有技術根本無法實現，必須基于計算機圖形學技術制作三維影視動畫，才能夠為觀眾呈現未來時空生動逼真的場景與無法實地觀察的場景。

2.3 可提高綜合收益

美國作為電影大國，影視動畫產量十分可觀，而計算機圖形學技術制作的三維影視動畫作品，也已經演變成了好萊塢電影中最具經濟效益的影視類型。但值得注意的是，計算機圖形學技術制作影視動畫成本較高，尤其是要求精致且場面宏大的畫面，其成本與收益相比也不容小覷。

3 基于計算機圖形學技術的三維影視動畫制作

基于計算機圖形學技術的三維影視動畫制作流程[4-5]具體如圖3所示。

圖3 基于計算機圖形學技術的三維影視動畫制作流程

3.1 布景

布景就是基于三維影視動畫制作具體要求，嚴格按照既定比例搭設場景，并合理規劃攝像機位置及其運動軌跡。在具體操作時則應時刻保持謹慎，力求模型比例精確與模型精細，為后續場景設置打下堅實基礎，滿足導演與攝影師藝術要求。布景數據可為后續影視動畫制作提供參考素材。

3.2 建模

建模即三維影視動畫制作基礎環節，要求設計師必須具備良好專業素質，需有機結合布景的粗糙模型精細化處理影視動畫模型，追求比例精準。

3.3 綁定

綁定即針對建模有關內容與數據的實踐應用，進行相關綁定，綁定時可添加、修改綁定數據，但是不可修改模型。

3.4 跟蹤、匹配

攝像機跟蹤與匹配具體指，將真實拍攝場景應用于攝像機軌跡與圖像的特征點空間位置，并匹配真實場景與虛擬場景，以實現二者高度耦合。跟蹤與匹配明確要求合理應用已綁定動態模型數據與靜態模型數據，并匹配實拍場景。值得注意的是可同步建模、綁定、跟蹤與匹配環節工作，以有效節約三維影視動畫制作的時間。

3.5 最終布景

在完成三維影視動畫計算機圖形制作中的模型數據、綁定數據、攝像機跟蹤與匹配數據的基礎上，進行動畫場景最終規劃布置。

3.6 動畫

動畫的制作是整個三維影視動畫作品制作的重中之重，是明確闡釋作品故事情節的關鍵所在。因此動畫的制作環節耗時長，且對制作質量的要求較高。在影視動畫的制作過程中，制作動畫時需充分參考分鏡頭腳本以及相關的音頻文件，精確地設定鏡頭與動畫的時間，針對角色的特點制作動畫細節，同時還需嚴格遵守動畫制作的基本理論與運動規律，以保證所制作的動畫不僅具有觀賞性，還與客觀原理相符合。在制作動畫時，一般不會一次性制作全部的動畫，而是劃分為三個階段：

第一階段，設計構圖與概念。制作者通過編輯器完成鏡頭構圖，通過最為簡單有效的方式向導演傳輸制作者的想法。

第二階段，調整。以簡潔明了的關鍵幀最大程度地將故事片段內所需呈現的要素制作生成，促使觀眾理解鏡頭中的表演內容，包括確定動作的節奏與表情動畫，并根據人物對話內容完成口型動畫。通過取消編輯器中的Step 屬性，調整各個幀曲線使其足夠順滑，合理處理各動作細節，以保證動作的連貫性與動作運動的規律性。

第三階段，完善。這是提高動畫質量的關鍵階段，通常在導演審核通過之后，制作者會在鏡頭中賦予全部附屬目標相應的運動，確定包括每個角色的服裝、配飾、頭發等細節，對角色的一些交錯動作和后續動作進行調節，在動畫的特定部位為目標添加擠壓、拉伸等變形處理，并且進行畫面穿插、銜接等。全部鏡頭都制作完成，并且通過審核之后，動畫環節的任務便全部完成[4]。

3.7 貼圖

三維影視動畫制作中，物體表面貼圖與材質是基于模型數據應用加以實現的。

3.8 特效

三維影視動畫制作的特效環節負責處理煙火、風雨等特殊效果鏡頭，一般動畫影片特效鏡頭少之又少，工作量也很少。常用軟件為Maya，以其動力學計算系統進行特效鏡頭制作。例如煙的特效制作可采用Maya 的粒子與場系統，人物進入煙霧彌漫的地方時，周圍需設置煙霧繚繞的特效，對此可安設粒子發射器，以粒子發射數量、大小、周期、顏色等要素調整模擬煙霧，并添加風場以促使粒子吹向同一方向，以此實現煙特效的制作。此外粒子系統還可模擬人物等較大物體。所有三維影視動畫特效鏡頭均輸出為視頻格式，傳輸給導演審核確認，全部通過則進入后續制作。

3.9 燈光、渲染

在三維影視動畫鏡頭前期制作完成之后，將要添加燈光并渲染處理，此環節對于計算機硬件要求較高。為能夠順利且按時完成燈光與渲染工作，通常會采用專門的渲染農場。每個鏡頭渲染前，均需設計燈光，基于故事情節以燈光烘托動畫作品片段的環境和氛圍。三維影視動畫制作中的燈光設計的具體思路如下：

首先，了解故事情節以明確作品片段氛圍，這就要求了解場景發生時間，以及主角情緒。

其次，確定攝像機位置與運動路線，根據攝像機的位置與運動軌跡確定燈光照射的位置與范圍。

再次，明確主光光源位置，所謂主光線設置即確定主光光源位置與照射方向、強度。主光源的光線應在所有光線中占據主要的統治地位，成為畫面中最具吸引力的強光，否則將會與其他光線發生沖突，導致造型弱化或者投影凌亂，因此主光源設置通常配用聚光燈；

然后，設置輔助光以彌補主光的不足，完善主體對象的造型，從而補充主光的照明光線。輔助光主要為無陰影軟光，負責弱化主光投射的生硬粗糙陰影，降低光亮與陰暗部分的反差，為陰影部分提供適當照明，提高陰暗位置物體造型的表現力。

最后，添加天光與地光，以及由于特殊需求所需添加的局部光。

燈光設置完成之后開始進行渲染，采用Maya 分層渲染技術，基礎分層方式為將所有鏡頭的角色、陰影、背景等要素高度分離以針對性渲染。分層渲染的優勢在于不僅能夠減輕渲染對機器的壓力，還能夠在后期處理分層素材時十分便捷，輕松修改畫面內部不同元素色彩明度、飽和度等一系列效果，防止由于三維軟件復雜的修改工作，影響工作效率與最終效果。在燈光設置與分層設計完成后，便可及時將文件上交至可全天候工作的渲染農場，進行渲染操作，以此便可節省時間與精力進行燈光設計與畫面修改，從而最大程度地保障三維影視動畫的制作質量。

4 結束語

總而言之，基于計算機圖形學技術的三維影視動畫制作流程十分復雜，所包含的設計要素也呈現出多元化態勢，所以在具體設計制作時應有機結合影視動畫制作的實際需求，應用相關模型與適當的流程，以有效保障影視動畫制作的效率與質量，提高影視動畫制作的整體效果[5]。