摘要:本文從動(dòng)漫的發(fā)展入手，對(duì)三維海洋數(shù)字動(dòng)漫的特點(diǎn)、研究?jī)?nèi)容以及應(yīng)用意義進(jìn)行了分析。進(jìn)而引出對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)：海洋場(chǎng)景虛擬仿真技術(shù)、海洋特效實(shí)時(shí)渲染技術(shù)以及海洋生命仿真技術(shù)的研究，詳細(xì)介紹了三類技術(shù)在三維海洋數(shù)字動(dòng)漫中的實(shí)現(xiàn)方式及發(fā)展現(xiàn)狀。最后以動(dòng)漫系列劇《小海龜漫游海底》為例，驗(yàn)證了三類技術(shù)對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義，并對(duì)三維海洋數(shù)字動(dòng)漫未來的發(fā)展方向做出了展望。

關(guān)鍵詞:三維海洋數(shù)字動(dòng)漫;虛擬海洋環(huán)境;海洋特效實(shí)時(shí)渲染;人工生命行為仿真

動(dòng)漫，即動(dòng)畫與漫畫的合稱。以動(dòng)畫卡通、網(wǎng)絡(luò)游戲、影視特效、數(shù)字多媒體產(chǎn)品等為代表的動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)是知識(shí)經(jīng)濟(jì)的核心產(chǎn)業(yè)之一，被稱為本世紀(jì)最有希望的朝陽產(chǎn)業(yè)。它同時(shí)也代表著一種新興的數(shù)字創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)。

在過去的半個(gè)多世紀(jì)中，二維動(dòng)漫一直占據(jù)著霸主地位，家喻戶曉的《米老鼠與唐老鴨》、《白雪公主》等令人津津樂道。隨著動(dòng)漫技術(shù)的發(fā)展，《獅子王》、《花木蘭》等耳熟能詳?shù)淖髌穼⒍S動(dòng)漫推向了藝術(shù)發(fā)展的巔峰。然而，傳統(tǒng)二維動(dòng)漫的制作工藝因制作程序繁雜、手繪工作量大、制作周期長(zhǎng)等原因，造成生產(chǎn)成本的居高不下。

二十世紀(jì)后期，三維計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的出現(xiàn)，極大地拓展了動(dòng)漫的空間表達(dá)能力：通過電腦的計(jì)算，在由數(shù)字化的三維空間里，建立物體的三維模型，然后貼上材質(zhì)、布置燈光、擺好攝像機(jī)，規(guī)定好動(dòng)作路徑和攝影角度，就能夠做出三維動(dòng)漫。三維動(dòng)漫的特點(diǎn)是：三維模型物體的各個(gè)面是經(jīng)過電腦計(jì)算得到的，制作人員無需畫出物體在旋轉(zhuǎn)和翻滾時(shí)的各個(gè)面，同時(shí)，造型、色彩、美感等方面在視覺效果表達(dá)的實(shí)時(shí)性上有了顯著的提高，已日趨完善。

從1995年美國(guó)Pixar公司與Disney合拍的《玩具總動(dòng)員》開創(chuàng)了三維動(dòng)漫影片的先河，到今年暑期美國(guó)DreamWorks重磅推出的力作《功夫熊貓》，短短十余年時(shí)間三維動(dòng)漫在圖形圖像技術(shù)不斷突破的支持下飛速發(fā)展。隨著21世紀(jì)人們對(duì)海洋的關(guān)注與研究，國(guó)內(nèi)外對(duì)海洋的重視程度越來越高，海洋動(dòng)漫也成為了藝術(shù)和技術(shù)上研究與開發(fā)的新熱點(diǎn)。本文對(duì)三維海洋數(shù)字動(dòng)漫的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并探詢了其對(duì)動(dòng)漫制作的推動(dòng)作用。

1 三維海洋數(shù)字動(dòng)漫

以海洋為題材，結(jié)合海洋特色進(jìn)行動(dòng)漫制作是海洋動(dòng)漫的主要特點(diǎn)。海洋題材的劇本創(chuàng)，建立虛擬海洋環(huán)境，以及海洋生物的角色設(shè)計(jì)與仿真并列為三維海洋數(shù)字動(dòng)漫制作的三大難點(diǎn)。其中劇本及角色設(shè)計(jì)需要研究者對(duì)海洋背景有著充分的了解并且擁有豐富的海洋知識(shí)。本文主要對(duì)虛擬海洋環(huán)境的構(gòu)建與海洋生命仿真涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

考慮到海面、海底受氣候、光線、洋流等因素的影響而引起的變幻莫測(cè)的物理現(xiàn)象，虛擬海洋環(huán)境仿真決不同于普通的陸地VR場(chǎng)景。海底地形結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特異性，將對(duì)建立和計(jì)算海底地形的物理模型帶來困難，同時(shí)決定了其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的海量性。在綜合分析各類因素的影響因子并適度簡(jiǎn)化參照模型的基礎(chǔ)上，對(duì)虛擬海洋環(huán)境的構(gòu)成需考慮以下五種重要元素：光照、粒子系統(tǒng)、海底地形、海流、水體。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)三維海洋數(shù)字動(dòng)漫進(jìn)行制作，正是體現(xiàn)在對(duì)上述虛擬海洋環(huán)境中五類關(guān)鍵要素的仿真與可視化。

海洋生物是三維海洋數(shù)字動(dòng)漫的主要角色，小到一片海草大到鯨魚，都會(huì)受到海水、光影以及周圍其他環(huán)境的影響。引入海洋生命行為仿真技術(shù)，可以改善傳統(tǒng)動(dòng)漫中生物缺少生命特征、不夠逼真自然、缺乏自主性、難以自行適應(yīng)環(huán)境等缺陷，同時(shí)避免了動(dòng)漫的真實(shí)性和視覺效果只能依賴動(dòng)畫師技巧與經(jīng)驗(yàn)的問題。

2 三維海洋數(shù)字動(dòng)漫關(guān)鍵技術(shù)

五光十色的珊瑚礁和浩瀚無邊的海底世界完全是由計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)搭建出來的。通過對(duì)以下兩個(gè)方面的實(shí)現(xiàn)，建立起仿真的虛擬海洋環(huán)境：一是利用海洋場(chǎng)景虛擬仿真技術(shù)精確表示虛擬海洋環(huán)境及其附屬物的狀態(tài)模型，二是利用海底特效實(shí)時(shí)渲染技術(shù)對(duì)海洋環(huán)境渲染出的景象實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化。海洋生命行為仿真技術(shù)有助于解決海洋生物幾何模型不具備力學(xué)特性、難以保證運(yùn)動(dòng)的物理正確性以及無法真實(shí)地響應(yīng)外力作用等問題。

2.1 海洋場(chǎng)景虛擬仿真技術(shù)

海洋環(huán)境光照的半透明效果、海水懸浮顆粒、海浪和水流、海水暗影以及海面等每一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的動(dòng)畫場(chǎng)景，必須依賴海洋場(chǎng)景虛擬技術(shù)來模擬。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域影響圖像逼真度的因素主要有兩個(gè)，一是圖像的幾何描述，二是圖像的光照效果[6]。

考慮海流的影響是虛擬海洋環(huán)境仿真中最復(fù)雜的環(huán)節(jié)之一，可利用能使流體自身產(chǎn)生互動(dòng)的3D流體模擬器，比如當(dāng)海水波濤洶涌時(shí)，會(huì)自發(fā)地表現(xiàn)出流體的粘滯性。通過速度和計(jì)時(shí)參數(shù)的調(diào)節(jié)來模擬海流驅(qū)動(dòng)并產(chǎn)生影響的水生環(huán)境。通過在虛擬場(chǎng)景中設(shè)置不同的參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)各種海流作用的物理效果，如：水草飄蕩、珊瑚蟲移動(dòng)、顆粒物質(zhì)沉浮甚至魚類運(yùn)動(dòng)軌跡的改變等。將海洋學(xué)已有的波浪理論和計(jì)算方法應(yīng)用到近岸海浪仿真中，采用橢圓余弦波來構(gòu)造波形，可解決近岸海浪繪制中的波浪卷曲變形；采用波向線和波峰線組成的變形網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)近岸海浪的折射模擬；采用適用于視覺仿真的快速波向線和波峰線生成算法，可實(shí)現(xiàn)快速有效地模擬進(jìn)入淺水區(qū)的海浪。

對(duì)于光照的處理，目前已有使用三維渲染軟件Render Man來加速光影模糊和水底半透明效果的方法。在模擬水體透明效果時(shí)，必須考慮水的折射；同時(shí)，水體反射周圍的景物所產(chǎn)生的波光粼粼的效果以及水中的雜質(zhì)微粒對(duì)光線進(jìn)行的散射，都增加了處理光影效果的復(fù)雜性。與Maya Paint的Paint Effects結(jié)合使用可實(shí)現(xiàn)光影的折射、反射、陰影和透明等，達(dá)到三維動(dòng)漫的渲染效果。

2.2 海洋特效實(shí)時(shí)渲染技術(shù)

在三維海洋數(shù)字動(dòng)漫中，虛擬海洋環(huán)境的模擬所要達(dá)到的兩個(gè)目標(biāo)是真實(shí)性和實(shí)時(shí)性。為達(dá)到該目標(biāo)，本文基于Shader技術(shù)實(shí)現(xiàn)海面及海底等一系列自然現(xiàn)象的仿真。Shader程序分為頂點(diǎn)處理（Vertex Shader）和片段處理（Pixel Shader）。結(jié)合Shader技術(shù)，可以提供更靈活的自然現(xiàn)象模型計(jì)算和實(shí)現(xiàn)方法。

水面模擬：構(gòu)造成分繁雜的海底地形、廣闊的海洋面積以及多重的影響因素使得虛擬海洋環(huán)境的復(fù)雜性從理論上講是無限的。由于采用三維精確算法進(jìn)行水面的實(shí)時(shí)模擬，計(jì)算量龐大，故目前難以實(shí)現(xiàn)高效且大量的水面漣漪效果。在解決該問題上，可采取以2D模擬3D效果的\"凸凹貼圖（Bump Mapping）\"方法。凸凹貼圖是指在不具有凸凹感的幾何表面用紋理貼圖的方式使其產(chǎn)生凸凹不平的光照效果，這樣可以大為節(jié)省幾何構(gòu)造的三角面片數(shù)目和渲染開梢。凸凹貼圖的概念是不使用幾何數(shù)據(jù)（多邊形十分占用顯卡和系統(tǒng)資源），而使用額外的\"法線圖\"來構(gòu)成物體表面的凸凹感。也可以說是以紋理為背景構(gòu)造一張符合紋理特征的\"噪聲\"圖像，這個(gè)圖像的明暗代表了表面的法向變化，從而在光照下產(chǎn)生凸凹不平的光照效果和視覺假象[3]。

近年來隨著計(jì)算機(jī)圖形處理單元（Graphics Process Unit，GPU）性能的不斷提高，在GPU內(nèi)部直接進(jìn)行光學(xué)模型的計(jì)算已經(jīng)相當(dāng)廣泛。這樣能夠減少圖形卡與計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換，克服顯卡內(nèi)存帶寬的瓶頸。因此利用圖形硬件來直接處理光照已經(jīng)成為光照效果模擬的一種高效實(shí)時(shí)的方法，是虛擬海面場(chǎng)景仿真下一步的研究方向之一[5]。

基于粒子系統(tǒng)的懸浮物模擬：由于虛擬海洋環(huán)境中的雨、雪、浪花等自然現(xiàn)象非常特殊，它們具有不規(guī)則的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及多變的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這導(dǎo)致了常規(guī)的三維建模方法難以對(duì)這些特效進(jìn)行模擬。粒子系統(tǒng)易于創(chuàng)建，也能夠較為逼真地表達(dá)這些現(xiàn)象。因此采用粒子系統(tǒng)模擬海洋特效，用以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染效果。

粒子系統(tǒng)（particle system）方法被認(rèn)為是迄今為止最為成功的一種模擬模糊物體的圖形生成算法[1，2]。粒子系統(tǒng)的基本思想是將許多簡(jiǎn)單形狀的微小粒子作為基本元素聚集起來，形成一個(gè)不規(guī)則的模糊物體，從而構(gòu)成一個(gè)封閉的系統(tǒng)[3]。通過粒子系統(tǒng)，可以把許多微小粒子的組合起來表示一個(gè)模糊的物體。隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)產(chǎn)生、移動(dòng)、變化、刪除粒子[4]。粒子系統(tǒng)是一些運(yùn)動(dòng)的顆粒，每個(gè)顆粒都按照賦予的動(dòng)力學(xué)規(guī)律來運(yùn)動(dòng)，受重力、加速度等的影響。

2.3 海洋生命行為仿真技術(shù)

生活在自然界的動(dòng)物群體一直是令動(dòng)畫創(chuàng)作者\(yùn)"困擾\"的難點(diǎn)問題。利用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)和方法，對(duì)于活動(dòng)在虛擬海洋環(huán)境中的人工魚群進(jìn)行模擬，工作量將會(huì)復(fù)雜且繁瑣：不僅需要詳細(xì)規(guī)定每一條動(dòng)畫魚的各個(gè)采樣時(shí)刻、各種動(dòng)作、各種體形、各種姿態(tài)，而且，要具體描述許多條動(dòng)畫魚之間的相互關(guān)系、相互位置、相互作用，其計(jì)算復(fù)雜性將以指數(shù)級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，造成\"組合爆炸\"，即使采用高速、大容量的計(jì)算機(jī)，也未必能使魚群動(dòng)畫達(dá)到自然逼真的理想效果[4]。

在三維數(shù)字海洋動(dòng)漫中，主要針對(duì)虛擬海洋生命尤其是魚類等，借助現(xiàn)有的三維動(dòng)畫工具構(gòu)造出三維角色虛擬體，通過建立各種模型來體現(xiàn)虛擬生命的行為，采用人工智能算法來表現(xiàn)生命體的記憶功能、智能性功能和感知能力。

以人工魚為代表，研究虛擬海洋生命的智能行為，包括感知、認(rèn)知、決策、運(yùn)動(dòng)等，海洋生命行為仿真技術(shù)即是用計(jì)算機(jī)模型描述這些人工魚共有的基本特征。通過人工生命和人工智能的理論和方法，研究具體算法以驅(qū)動(dòng)人工魚的行為，使其具有自主性和生命特征，能夠像自然魚那樣在虛擬海底世界中自由生活，能夠在不斷變化的海洋環(huán)境中自主行為和運(yùn)動(dòng)，并且具有實(shí)時(shí)性和交互性。通過建立人工魚的認(rèn)知模型，使得人工魚能夠?qū)ζ渌幨澜缬姓J(rèn)知、思考和記憶能力；對(duì)人工魚的個(gè)體行為和群體行為控制方法的研究，有效地對(duì)魚類的捕食、躲避敵害等智能行為進(jìn)行模擬與記憶。表1反映出傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)與虛擬生命仿真技術(shù)的比較。

3 小結(jié)：

如圖1所示，在動(dòng)漫制作中同時(shí)運(yùn)用了高光貼圖、法線貼圖、海浪眩光動(dòng)態(tài)貼圖、多重紋理技術(shù)、動(dòng)態(tài)紋理技術(shù)等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)表面光滑或具有半透明紋理的生物以及海底環(huán)境進(jìn)行模擬。

未來的研究熱點(diǎn)將會(huì)聚焦在人工魚復(fù)雜行為的研究以及利用硬件技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)虛擬海洋環(huán)境的優(yōu)化等方向上。隨著我國(guó)政府有關(guān)部門、科研機(jī)構(gòu)和創(chuàng)意企業(yè)對(duì)動(dòng)漫應(yīng)用和發(fā)展的重視程度越來越高，國(guó)內(nèi)必將逐漸形成適宜動(dòng)漫發(fā)展的良好環(huán)境，各類計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究及其在三維海洋數(shù)字動(dòng)漫中的應(yīng)用將有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。

References:

[1]W.T.Reeves. Particle System-a Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects. ACM Transactions on Graphics， 1983， 2 (2): 91-108

[2]W.T.Reeves， R.Blau. Approximate and Probabilistic Algorithms for Shading and Rendering Structured Particle System. Computer Graphics， 1985， 19(3): 313-322

附中文參考文獻(xiàn):

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[6]張淑軍. 虛擬海洋環(huán)境中人工魚的認(rèn)知模型和行為控制研究[博士學(xué)位論文]. 青島:中國(guó)海洋大學(xué)，2007.

[7]褚彥軍等. 海面場(chǎng)景虛擬仿真方法[J]， 計(jì)算機(jī)應(yīng)用， 2004，24:114-117.

[8]HEARN D. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M]， 影印版. 北京:清華大學(xué)出版社， 1998.