計算機動畫設(shè)計及制作中的特效技術(shù)

任 群

（亳州師范高等?？茖W(xué)校理化系，安徽亳州 236800）

0 引 言

隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的日益推廣及應(yīng)用，其動畫設(shè)計也發(fā)生了翻天覆地的變化。尤其是三維技術(shù)在計算機中的應(yīng)用，使得計算機動畫設(shè)計進入到一個嶄新時代，即CG動畫時代［1］。CG時代幾乎囊括了當(dāng)前電腦中所有視覺藝術(shù)的創(chuàng)作，最為典型的應(yīng)用如：多媒體技術(shù)、影視特效及三維動畫等。此外，動畫形式已由原來的二維手繪變?yōu)槿S動畫，在此過程中計算機便成為動畫設(shè)計師的強有力工具。盡管三維動畫的設(shè)計發(fā)展較為不錯，但是各個環(huán)節(jié)的制作絕不是那么簡單。特別在影視動畫的后期制作中，其技術(shù)仍是一大難題。鑒于此種情況，如何恰當(dāng)?shù)貙⑻匦Ъ夹g(shù)應(yīng)用到動畫設(shè)計中是當(dāng)前研究的重點課題。

1 計算機動畫設(shè)計分類及特效技術(shù)闡述

計算機動畫主要分為兩大類：一類是二維動畫，另一類是三維動畫。其中二維動畫也稱之為2D動畫，是一種借助于計算機2D位圖或者矢量圖形而創(chuàng)建的動畫［2］。當(dāng)前，在電腦上制作的二維動畫是對手工傳統(tǒng)動畫的一個改進，通過輸入及編輯關(guān)鍵幀，計算和生成中間幀，產(chǎn)生某些特效效果，實現(xiàn)畫面及聲音的同步。二維動畫的主要特點為：可將事先手工制作的原動畫逐幀輸入到計算機中，然后由計算機幫助完成繪線上色的工作，最后由計算機來完成相關(guān)記錄工作。三維動畫也稱之為3D動畫，是隨著計算機硬軟件技術(shù)而發(fā)展的新興技術(shù)。三維動畫的完成首先需要在計算機中建立一個虛擬的世界，在虛擬的三維世界中應(yīng)按照需要表現(xiàn)的對象的形狀及場景，根據(jù)特定要求設(shè)定模型運動軌跡及其它參數(shù)，最后在模型上賦予特定的材質(zhì)，打上光，最終生成最后的三維動畫畫面［3］。

特效技術(shù)是一種基于全局光照技術(shù)的渲染技術(shù)。隨著動畫技術(shù)的不斷發(fā)展，世界上的動畫影視已由最初簡單的動畫體裁逐漸演變?yōu)橛耙暼S動畫，一個全新的三維電影世界展現(xiàn)在人們眼前。簡而言之，動畫特效藝術(shù)是通過利用人的視覺性給予人的一種假象，這種假象可突破空間性、時間性及地域性，在視覺上彌補傳統(tǒng)動畫的不足，進而增加影視三維動畫的藝術(shù)效果［4－5］。當(dāng)然，對于特效技術(shù)的應(yīng)用最為重要的一點就是確保電腦拍攝畫面的真實性。如較為出名的《阿凡達》電影，就是利用計算機三維動畫技術(shù)將較為簡單的動畫題材轉(zhuǎn)變?yōu)橛耙暼S動畫題材，將一個全新的三維世界展現(xiàn)在人們的面前，如圖1所示。

圖1 電影《阿凡達》

2 特效技術(shù)與計算機動畫設(shè)計的融合

盡管計算機動畫分為二維動畫和三維動畫，但到目前為止，研究最為廣泛的還屬三維動畫。三維動畫的設(shè)計是在計算機數(shù)字技術(shù)為核心的基礎(chǔ)上，利用計算機強大的運算能力進而對現(xiàn)實進行模擬，基本角色技術(shù)的流程是建模、運動、材質(zhì)、燈光及渲染，進而完成整個計算機動畫的設(shè)計。通常情況下，計算機動畫設(shè)計可分為前期角色制作、中期動畫綁定及后期特效動畫，這3個階段的動畫部分都是相互作用及相互關(guān)聯(lián)的，而每一動畫部分都是通過絢麗的視覺效果所完成的［6］。

世界最為出名的三維動畫《冰河世紀》如圖2所示。

圖2 電影《冰河世紀》

該動畫設(shè)計的完成都是通過制作人員根據(jù)原先的畫面，以點、線及面逐步完善，在此基礎(chǔ)之上創(chuàng)建各種各樣的生活信息，進而完成建模；建模完成之后就是運動，通過骨骼綁定及運動捕捉等方法進而完成各種動物的運動；在接下來的渲染中，添加虛擬的燈光，采用虛擬攝像機來模擬影像，其紋理及聲像就顯得十分清晰，再通過三維燈光的計算，設(shè)計出相關(guān)的鍵幀設(shè)置。這樣一來，各種各樣表情豐富的動物才能夠活靈活現(xiàn)。

三維動畫是表現(xiàn)的藝術(shù)，主要是通過視聽語言來講解感人故事，通過利用表現(xiàn)角色的情感來感染觀者。尤其特效技術(shù)的應(yīng)用，使得這種藝術(shù)表現(xiàn)力越來越明顯。很多設(shè)計師通過3D粒子特效進而建立一種全新的動畫語言風(fēng)格。特效藝術(shù)為創(chuàng)作者提供了一種更為廣泛及全新的三維動畫語言。另一方面，特效藝術(shù)也為創(chuàng)作者提供了較為廣泛的想象空間，從單純技術(shù)的束縛中真正解放出來［7］。通過數(shù)字特效技術(shù)，動畫設(shè)計師就能夠創(chuàng)作出較為絢麗的場景，較好地感染觀眾，根據(jù)動畫劇情的需要及時地調(diào)整周圍運動軌跡及特技。換句話說，動畫設(shè)計實現(xiàn)的主要手段是三維軟件的制作。不僅需要實現(xiàn)三維動畫中最為基礎(chǔ)的動機型，而且還應(yīng)實現(xiàn)動畫的神，將這幾方面有效結(jié)合起來，才能夠帶給人視覺上的沖擊力及感染力。

3 計算機動畫設(shè)計中特效技術(shù)的應(yīng)用步驟

三維動畫的制作與二維動畫制作相比具有獨特性，其設(shè)計主要不受客觀條件的限制，其變化可隨心所欲進行轉(zhuǎn)換，并且三維動畫的設(shè)計可通過多材質(zhì)及燈光的設(shè)置，進而使得畫面更加具有質(zhì)感。三維動畫的制作不僅需要完成動畫、繪圖及著色等階段，而且還需要完成其它階段。對于三維動畫的造型則是三維建模，通過繪圖能夠達到所預(yù)想的視覺效果，并且將若干個片段連續(xù)整合在一起，形成較為完整的動畫及視頻。特效技術(shù)在計算機動畫設(shè)計中的步驟可分為前期準(zhǔn)備、片段制作及后期合成3個階段。

3.1 前期準(zhǔn)備

三維動畫的前期工作主要是指在計算機創(chuàng)作之前所進行的規(guī)劃設(shè)計，如劇本的分鏡頭腳本標(biāo)記、場景設(shè)計等。前期準(zhǔn)備階段主要是將動畫中所需要展示的效果利用文字進行表述，讓人們通過文字來感受畫面。將劇本進行分鏡頭，以便于更好地對劇本及畫面進行掌握。在動畫設(shè)計時期，設(shè)計師根據(jù)動畫中的主人公及其他角色，對人物所呈現(xiàn)的性格特征及服飾特點進行充分準(zhǔn)備，以便后期更好地對角色進行設(shè)置。此外，動畫場景的設(shè)計也是動畫設(shè)計的重點內(nèi)容，其設(shè)計不僅包括色彩搭配、環(huán)境燈光，而且還包括不同場景的建模等。對這些前期工作進行充分準(zhǔn)備，能夠為后期的特效技術(shù)奠定良好基礎(chǔ)。

3.2 片段制作

當(dāng)完成動畫設(shè)計的前期準(zhǔn)備工作，就需要按照計劃完成接下來的片段制作。對片段制作過程則需要使用一些三維制作軟件。尤其伴隨著PC市場的迅速發(fā)展，計算機的軟硬件發(fā)展速度較快，不斷更新，導(dǎo)致軟件的開發(fā)也不斷擴大。近年來，涌現(xiàn)一批較為先進的三維制作軟件，如MAX，Paint3D等軟件［8］，其中應(yīng)用最為廣泛的要數(shù)Maya及MAX，不僅具有快捷、靈活及準(zhǔn)確的特點，而且還具有可調(diào)性及可擴展性，進而受到廣大動畫設(shè)計師的青睞。通過應(yīng)用這些設(shè)計軟件，使得動畫作品的真實程度生動形象地展現(xiàn)出來。此外，建筑模型都是在三維制作軟件中進行，對場景的燈光及材質(zhì)有著較高要求，不僅需要扎實的美術(shù)功底，而且還需要扎實的技術(shù)能力，最終確保畫面的穩(wěn)定性及流暢性。

3.3 后期合成

所謂后期的合成是指將前期準(zhǔn)備及片段制作中的聲音及動畫片段進行有效整合，利用剪輯生成較為完整的動態(tài)畫面。這一階段的設(shè)計尤為重要，當(dāng)前國內(nèi)影視制作領(lǐng)域，最為高效的合成軟件為5D Cyborg，由于具有較先進的工作流程及完備的界面操作模式，能夠?qū)Σ煌慕馕龆燃皫俾蔬M行合成，展現(xiàn)不同的特效。盡管計算機動畫的設(shè)計看似簡單，實質(zhì)是涉及全方位知識。一部較好的三維動畫的完成不僅與社會現(xiàn)實相結(jié)合，而且還與人們的需求相結(jié)合。為此，后期的合成效果至關(guān)重要。

4 特效技術(shù)在計算機動畫設(shè)計中的表現(xiàn)力

計算機動畫設(shè)計中所涉及到的特效技術(shù)主要表現(xiàn)在4個方面，分別為鏡頭轉(zhuǎn)換、特效光影、交互特效及空間動感，下面分別從這4個方面進行詳細闡述。

4.1 鏡頭轉(zhuǎn)換

所謂鏡頭轉(zhuǎn)換是指動畫中的每一個鏡頭之間的轉(zhuǎn)換都需要特定的藝術(shù)表現(xiàn)手法，進而實現(xiàn)動畫藝術(shù)高度融合的目的。由于動畫的整體是由若干個鏡頭所組成的，要想實現(xiàn)每一個鏡頭之間的銜接，都必須巧妙地應(yīng)用特效技術(shù)，突出藝術(shù)的渲染手法。為此，電影語言在進行拓展的同時，通過利用虛擬攝影機及虛擬空間的性質(zhì)對其進行制作，進而實現(xiàn)攝像機不易實現(xiàn)的拍攝效果。動畫設(shè)計過程中，通過利用三維技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高難度的鏡頭效果，這樣一來，能夠在很大程度上降低拍攝成本，讓觀眾獲得前所未有的視覺體驗。尤其在鏡頭的表現(xiàn)力上，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的突破，最終實現(xiàn)三維影視動畫鏡頭的完美銜接。

4.2 特效光影

從當(dāng)前的三維動畫來看，其中最具有影響力及最具代表性的技術(shù)屬特效光影。長期以來，傳統(tǒng)的動畫設(shè)計的光影處理都是按照動畫原畫中的明暗關(guān)系做出的簡單的光處理，這種處理手段顯得較為落后，不僅使得光影缺乏一定的生動性，同時還浪費大量的人力及物力。而隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，動畫光影的設(shè)計采用現(xiàn)有的特效技術(shù)，通過特效光影就能夠?qū)⒔巧宋锏膬?nèi)心情感及場景充分地展現(xiàn)出來，通過專業(yè)的二維動畫軟件的關(guān)鍵幀技術(shù)實現(xiàn)光影的處理，實現(xiàn)場景與角色互動光影的粒子變換［9］。此外，通過利用特效技術(shù)，能夠?qū)μ摂M燈光的各項參數(shù)技術(shù)進行調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)光與影的互動，并通過各個光影時間幀圖層的疊加及暗明度的調(diào)節(jié)來展現(xiàn)強烈的藝術(shù)表現(xiàn)力，如圖3所示。

圖3 光影疊加效果圖

4.3 交互特效

一般情況下，三維動畫的制作都是通過對特效的交互行為來實現(xiàn)對角色的描寫，這種特效制作則是通過對設(shè)計元素的定義及建立三維模型的方式。通過利用上述技術(shù)來完成設(shè)計元素的各種運動路徑，進而創(chuàng)造出具有模擬現(xiàn)實的真實環(huán)境，通過對角色的定義及環(huán)境來實現(xiàn)整個畫面的互動，從而使周圍的環(huán)境根據(jù)角色的動作發(fā)生變化。另外，在進行角色設(shè)計時，應(yīng)與觀眾產(chǎn)生相應(yīng)的互動效果。通過模擬技術(shù)實現(xiàn)動畫中獨特的視覺效果，這種交互特效也是今后動畫設(shè)計的發(fā)展趨勢。

4.4 空間動感

采用特效技術(shù)不僅能夠較好地對動畫角色進行烘托，而且還能夠使三維空間呈現(xiàn)動感特效，來符合相關(guān)動畫角色的設(shè)計及動畫場景的有效融合。在傳統(tǒng)的動畫設(shè)計過程中，動畫場景與繪制角色是分開的，并且是通過元件形式進而單獨存在的。在傳統(tǒng)的動畫空間設(shè)計中，角色的設(shè)計往往與背景缺乏相應(yīng)的互動，而采用三維空間則可使動畫角色以任何的方式及任意的角度來實現(xiàn)其運動，此外，還能夠與其它的動作捕捉及綁定系統(tǒng)來實現(xiàn)更為真實的模擬配合環(huán)境。將這些元素綜合起來形成更為真實及逼真的立體動畫。

5 結(jié) 語

總而言之，伴隨著我國動畫產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對其技術(shù)要求也在不斷提高。盡管動畫設(shè)計技術(shù)在日漸完善，仍存在一些問題。特效技術(shù)不僅僅作為一種完善的創(chuàng)作手段，而且還是一種增強動畫設(shè)計表現(xiàn)力的工具，能夠展現(xiàn)動畫設(shè)計的藝術(shù)魅力，將三維動畫作為技術(shù)與藝術(shù)的有效結(jié)合，具有廣闊的發(fā)展前景。文中闡述了特效技術(shù)在計算機動畫設(shè)計中的步驟，然后重點探討了特效技術(shù)在動畫設(shè)計中的表現(xiàn)力，以望對后期的動畫設(shè)計工作起到拋磚引玉的作用。

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