基于计算机图形学的三维影视动画制作技术探析

时间：2024-05-04

田鑫鑫

（江苏省吴江中等专业学校，江苏苏州 215299)

0 引言

在社会高速发展趋势下，三维影视动画制作开始普遍应用计算机图形学技术，以此切实提高了整体制作水平与质量。计算机图形学技术作为先进的计算机技术，是计算机发展到既定时期的产物，在三维影视动画制作中独具优势。计算机图形学技术以多元化形式为三维影视动画制作提供了技术性支持，拓展了制作人想象力，赋予了多样化创作路径，丰富了影视动画作品内容，促使其更具艺术感染力与吸引力，且在视觉层面给观众带来了强烈视觉冲击力，真正意义上提高了三维影视动画制作质量[1]。

1 三维影视动画制作计算机图形学技术软件

1.1 3D Studio Max

3D Studio Max是一种常用的三维影视动画制作软件，简称为3D Max，在其不断发展下，功能也日趋完善，最初常见于游戏制作，特别是游戏角色制作，由基础变形到光能传输渲染，由人物创建到毛发梳理，大肆吸收各式各样优秀插件，以形成功能健全的版本，随后又融入电影数字特效制作中，用来设计高品质视频。3D Max既能够实现建模、精细材质、设计灯光、摄像渲染、动画制作等一系列功能，又具备性价比高等优势，如图1。

在建模时，3D Max 基于多种建模方式构建模型。其一，几何建模，将简单的几何模型以拼接裁断方式加以构建；其二，Surface建模，以网状框架修正形成标准曲面；其三，NURBS建模，控制曲面特殊点以生成更高要求与标准的曲面。三种建模方式优势互补，以构建精细化的模型，且细化材质功能可以为已构建模型覆盖材质，使其形象更为逼真。3D Max最初用于制作游戏人物，随后用于三维影视动画制作，可为角色添加精细动作，且骨架系统可高度模仿人体骨架特点，从而能够流畅且自然地完成跑跳等动作设计。

1.2 Maya

Maya是大型三维影视动画特效制作软件，集成了先进的动画与数字效果技术，不仅包括一般三维与视觉效果制作功能，还具备先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术，如图2。Maya软件的可扩展性较强，可基于外部插件制作影视动画或者特效。Maya的特殊之处在于动力学粒子系统，据此可制作处于运动状态的物体，例如飘散的烟雾、旋转的硬币等，其基于表达式指令实现由表达式指令控制动力走向，例如风向、爆炸喷射方向等。粒子系统则是用表达式指令加以控制，粒子运动效果以视图化形式呈现，交互性良好，而且可应用于自然景观呈现与特效角色塑造。

图2 Maya软件界面

1.3 Houdini

Houdini也是一种常用的顶级影视特效制作软件，主要以节点类输出为载体，优势在于节点是通过网络连接，每个数据均是逐一通过节点加以控制，节点可在相同界面内同时控制物体多重属性。Houdini控制电影特效无需较高的数学知识，比较适合计算机编程，这主要是由于Houdini为树状式粒子节点，拥有属性节点，有助于控制粒子运动，其通常通过节点网络操作，以操作控制节点。Houdini 优势在于自然景观塑造与大量粒子运动，自带渲染器可实现顶尖级别的渲染，其节点操作是其他软件所无法睥睨的[2]。

2 计算机图形学技术在三维影视动画制作中的优势分析

影视行业高速发展趋势下，计算机图形学技术借助其高端技术与无限创意，切实转变了影视动画以往传统的视觉效果，开创了全新视觉体验，在推动经济发展的同时满足了人们的精神文化需求[3]。

2.1 可节省人力物力

现代化社会背景下人们对于精神文化的需求日趋严苛，想要紧紧抓住观众的眼球，吸引观众的注意力，三维影视动画视觉效果必须达到理想状态。但是受限于现实条件，许多影视动画场景实现可谓难上加难，此时若是可以合理利用计算机图形学技术进行三维影视动画设计与制作，不仅可以实现动画特效制作，还可以获取最佳动画视觉效果，同时可再现宏大场面以带给观众视觉盛宴。

2.2 可重现科幻场景

对于宇宙和外太空的探索始终是人类十分热衷的话题，所以许多影视企业瞄准此市场前景，拍摄了许多有关于外太空或者未来社会的虚拟影视动画，其中许多场景均是现实环境所不能实现的，尤其是星球爆炸或者太空画面等，单纯依赖于既有技术根本无法实现，必须基于计算机图形学技术制作三维影视动画，才能够为观众呈现未来时空生动逼真的场景与无法实地观察的场景。

2.3 可提高综合收益

美国作为电影大国，影视动画产量十分可观，而计算机图形学技术制作的三维影视动画作品，也已经演变成了好莱坞电影中最具经济效益的影视类型。但值得注意的是，计算机图形学技术制作影视动画成本较高，尤其是要求精致且场面宏大的画面，其成本与收益相比也不容小觑。

3 基于计算机图形学技术的三维影视动画制作

基于计算机图形学技术的三维影视动画制作流程[4-5]具体如图3所示。

图3 基于计算机图形学技术的三维影视动画制作流程

3.1 布景

布景就是基于三维影视动画制作具体要求，严格按照既定比例搭设场景，并合理规划摄像机位置及其运动轨迹。在具体操作时则应时刻保持谨慎，力求模型比例精确与模型精细，为后续场景设置打下坚实基础，满足导演与摄影师艺术要求。布景数据可为后续影视动画制作提供参考素材。

3.2 建模

建模即三维影视动画制作基础环节，要求设计师必须具备良好专业素质，需有机结合布景的粗糙模型精细化处理影视动画模型，追求比例精准。

3.3 绑定

绑定即针对建模有关内容与数据的实践应用，进行相关绑定，绑定时可添加、修改绑定数据，但是不可修改模型。

3.4 跟踪、匹配

摄像机跟踪与匹配具体指，将真实拍摄场景应用于摄像机轨迹与图像的特征点空间位置，并匹配真实场景与虚拟场景，以实现二者高度耦合。跟踪与匹配明确要求合理应用已绑定动态模型数据与静态模型数据，并匹配实拍场景。值得注意的是可同步建模、绑定、跟踪与匹配环节工作，以有效节约三维影视动画制作的时间。

3.5 最终布景

在完成三维影视动画计算机图形制作中的模型数据、绑定数据、摄像机跟踪与匹配数据的基础上，进行动画场景最终规划布置。

3.6 动画

动画的制作是整个三维影视动画作品制作的重中之重，是明确阐释作品故事情节的关键所在。因此动画的制作环节耗时长，且对制作质量的要求较高。在影视动画的制作过程中，制作动画时需充分参考分镜头脚本以及相关的音频文件，精确地设定镜头与动画的时间，针对角色的特点制作动画细节，同时还需严格遵守动画制作的基本理论与运动规律，以保证所制作的动画不仅具有观赏性，还与客观原理相符合。在制作动画时，一般不会一次性制作全部的动画，而是划分为三个阶段：

第一阶段，设计构图与概念。制作者通过编辑器完成镜头构图，通过最为简单有效的方式向导演传输制作者的想法。

第二阶段，调整。以简洁明了的关键帧最大程度地将故事片段内所需呈现的要素制作生成，促使观众理解镜头中的表演内容，包括确定动作的节奏与表情动画，并根据人物对话内容完成口型动画。通过取消编辑器中的Step 属性，调整各个帧曲线使其足够顺滑，合理处理各动作细节，以保证动作的连贯性与动作运动的规律性。

第三阶段，完善。这是提高动画质量的关键阶段，通常在导演审核通过之后，制作者会在镜头中赋予全部附属目标相应的运动，确定包括每个角色的服装、配饰、头发等细节，对角色的一些交错动作和后续动作进行调节，在动画的特定部位为目标添加挤压、拉伸等变形处理，并且进行画面穿插、衔接等。全部镜头都制作完成，并且通过审核之后，动画环节的任务便全部完成[4]。

3.7 贴图

三维影视动画制作中，物体表面贴图与材质是基于模型数据应用加以实现的。

3.8 特效

三维影视动画制作的特效环节负责处理烟火、风雨等特殊效果镜头，一般动画影片特效镜头少之又少，工作量也很少。常用软件为Maya，以其动力学计算系统进行特效镜头制作。例如烟的特效制作可采用Maya 的粒子与场系统，人物进入烟雾弥漫的地方时，周围需设置烟雾缭绕的特效，对此可安设粒子发射器，以粒子发射数量、大小、周期、颜色等要素调整模拟烟雾，并添加风场以促使粒子吹向同一方向，以此实现烟特效的制作。此外粒子系统还可模拟人物等较大物体。所有三维影视动画特效镜头均输出为视频格式，传输给导演审核确认，全部通过则进入后续制作。

3.9 灯光、渲染

在三维影视动画镜头前期制作完成之后，将要添加灯光并渲染处理，此环节对于计算机硬件要求较高。为能够顺利且按时完成灯光与渲染工作，通常会采用专门的渲染农场。每个镜头渲染前，均需设计灯光，基于故事情节以灯光烘托动画作品片段的环境和氛围。三维影视动画制作中的灯光设计的具体思路如下：

首先，了解故事情节以明确作品片段氛围，这就要求了解场景发生时间，以及主角情绪。

其次，确定摄像机位置与运动路线，根据摄像机的位置与运动轨迹确定灯光照射的位置与范围。

再次，明确主光光源位置，所谓主光线设置即确定主光光源位置与照射方向、强度。主光源的光线应在所有光线中占据主要的统治地位，成为画面中最具吸引力的强光，否则将会与其他光线发生冲突，导致造型弱化或者投影凌乱，因此主光源设置通常配用聚光灯；

然后，设置辅助光以弥补主光的不足，完善主体对象的造型，从而补充主光的照明光线。辅助光主要为无阴影软光，负责弱化主光投射的生硬粗糙阴影，降低光亮与阴暗部分的反差，为阴影部分提供适当照明，提高阴暗位置物体造型的表现力。

最后，添加天光与地光，以及由于特殊需求所需添加的局部光。

灯光设置完成之后开始进行渲染，采用Maya 分层渲染技术，基础分层方式为将所有镜头的角色、阴影、背景等要素高度分离以针对性渲染。分层渲染的优势在于不仅能够减轻渲染对机器的压力，还能够在后期处理分层素材时十分便捷，轻松修改画面内部不同元素色彩明度、饱和度等一系列效果，防止由于三维软件复杂的修改工作，影响工作效率与最终效果。在灯光设置与分层设计完成后，便可及时将文件上交至可全天候工作的渲染农场，进行渲染操作，以此便可节省时间与精力进行灯光设计与画面修改，从而最大程度地保障三维影视动画的制作质量。