楊世恩

(西南科技大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息中心，四川 綿陽(yáng) 621010)

目前，中國(guó)教育行業(yè)中，中小動(dòng)漫的制作技術(shù)還比較落后，與教育需求還有很大差距。而中小動(dòng)漫企業(yè)的動(dòng)漫作品制作效率低、制作費(fèi)用高也使得動(dòng)漫普及教學(xué)受到嚴(yán)重影響。對(duì)三維動(dòng)漫制作與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合技術(shù)的研究，是探索適合中小動(dòng)漫教學(xué)3D動(dòng)漫制作的一種新方法。對(duì)3D動(dòng)漫三維體驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)，是培養(yǎng)學(xué)生3D動(dòng)漫專(zhuān)業(yè)技術(shù)素質(zhì)，充分促進(jìn)國(guó)家“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”有效實(shí)施的有力保障。

首先，對(duì)前沿虛擬現(xiàn)實(shí)VR(Virtual Reality)系列裝備與傳統(tǒng)的3D動(dòng)漫技術(shù)進(jìn)行研究，動(dòng)漫中的3D技術(shù)主要是通過(guò)電腦進(jìn)行前期創(chuàng)意和后期制作。傳統(tǒng)的方法需要大量信息技術(shù)領(lǐng)域的中高級(jí)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)CG(Computer Graphics)專(zhuān)業(yè)人員，經(jīng)專(zhuān)業(yè)人員的角色建模、美工、材質(zhì)與燈光、動(dòng)畫(huà)及電影特效等純軟件制作，制作過(guò)程效率較低、投入大，且對(duì)于一些與實(shí)際相結(jié)合的動(dòng)漫作品的逼真度也較低，觀賞性難以引起觀眾的共鳴。而新的動(dòng)漫制作方法主要是在建模和動(dòng)畫(huà)兩個(gè)階段引入VR的三維掃描儀和運(yùn)動(dòng)捕捉等硬件系統(tǒng)，通過(guò)這些硬件設(shè)備的靈活運(yùn)用，可大大提高3D動(dòng)漫部分場(chǎng)景的逼真度，可使制作的效率大大提高，為3D動(dòng)漫制作提供一種非常實(shí)用的制作方法。

其次，為了方便高校動(dòng)漫專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)需要，建立一個(gè)動(dòng)漫環(huán)境或動(dòng)漫實(shí)驗(yàn)室。制作動(dòng)漫時(shí)，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境融入到動(dòng)漫制作過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)“在動(dòng)漫中學(xué)動(dòng)漫”，充分體現(xiàn)了三維動(dòng)漫與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的概念。該實(shí)驗(yàn)環(huán)境具備先進(jìn)的動(dòng)漫制作技術(shù)理念，結(jié)合VR技術(shù)合理地組織資源，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕捉展示技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，建成一個(gè)科學(xué)內(nèi)涵豐富、體驗(yàn)形式多樣、體驗(yàn)層次清晰、真實(shí)地與動(dòng)漫人物互動(dòng)的體驗(yàn)環(huán)境。

1 3D動(dòng)漫制作技術(shù)現(xiàn)狀

三維動(dòng)漫制作技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，特別是真實(shí)感圖形生成技術(shù)、圖像處理技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制原理、視頻顯示技術(shù)，甚至包括了視覺(jué)生理學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的內(nèi)容，還涉及到機(jī)器人學(xué)、人工智能、物理學(xué)和藝術(shù)等領(lǐng)域的理論和方法[1]。如張藝謀的《十面埋伏》、夢(mèng)工廠的《怪物史萊克》、以及《哈利·波特》等電影，幾乎都可以看到三維動(dòng)漫制作的華麗痕跡。

1.1 國(guó)外三維動(dòng)漫制作技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于三維動(dòng)漫制作技術(shù)的運(yùn)用，最先進(jìn)和最成熟超前的是歐美等國(guó)家。近些年，日本和韓國(guó)的三維動(dòng)漫制作技術(shù)水平也提高很快。在動(dòng)畫(huà)的制作上，三維動(dòng)漫制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)的要求要遠(yuǎn)低于一部大電影制作的投入，從而應(yīng)用也變得十分廣泛[2]。

1.2 我國(guó)三維動(dòng)漫制作技術(shù)的現(xiàn)狀

隨著數(shù)字動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)成為新的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，中國(guó)的數(shù)字媒體也跟上了發(fā)展的步伐，現(xiàn)在己經(jīng)進(jìn)入“讀圖時(shí)代”。目前三維動(dòng)漫行業(yè)在我國(guó)的發(fā)展很快，許多電視廣告、游戲和動(dòng)畫(huà)片中，甚至一些電影中都能看到三維動(dòng)漫制作設(shè)計(jì)的元素[2]。國(guó)內(nèi)首部大型武俠三維動(dòng)畫(huà)連續(xù)劇《秦時(shí)明月》備受業(yè)界和眾多動(dòng)漫迷們矚目，其中第一部20集《百步飛劍》投資超過(guò)1 000萬(wàn)人民幣，全系列共八部總投資預(yù)計(jì)超過(guò)5 000萬(wàn)元人民幣。無(wú)論是在技術(shù)攻關(guān)還是成本控制上，《秦時(shí)明月》都克服了很多極具挑戰(zhàn)的難題。與以往歐美或日韓的作法不同的是，《秦時(shí)明月》一改以往此類(lèi)題材作品以二維技術(shù)為主的局面，其中的人物、場(chǎng)景、特效全部采用三維CG影像和卡通渲染技術(shù)。此種三維影像表現(xiàn)方式，充分結(jié)合了三維與二維的優(yōu)點(diǎn)，一改形象單一的三維人物臉譜以及過(guò)于寫(xiě)實(shí)的動(dòng)畫(huà)風(fēng)格，兼具手繪動(dòng)畫(huà)的精美細(xì)膩與三維動(dòng)畫(huà)的強(qiáng)烈動(dòng)態(tài)演出效果，帶給觀眾新鮮完美的觀影體驗(yàn)，符合充滿幻想的《秦時(shí)明月》以武俠與奇幻為主題的唯美奇幻風(fēng)格。同時(shí)由于采用全三維技術(shù)進(jìn)行制作開(kāi)發(fā)，人物、場(chǎng)景等元素一經(jīng)完成便可重復(fù)用來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)畫(huà)，素材利用率高，量產(chǎn)時(shí)大量節(jié)省了制作時(shí)間和人力成本。在武打表現(xiàn)上，《秦時(shí)明月》也采用了目前最先進(jìn)、主流的高新動(dòng)態(tài)捕捉(Motion Capture)技術(shù)來(lái)捕捉演員的動(dòng)作場(chǎng)面，是國(guó)內(nèi)首部以動(dòng)作捕捉技術(shù)制作的全三維動(dòng)畫(huà)片。而在以往的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)制作中，都使用三維動(dòng)畫(huà)制作軟件來(lái)制作三維角色的形象并調(diào)制角色動(dòng)作。整個(gè)角色動(dòng)作都是由操作人員逐幀調(diào)整的，使得動(dòng)作的制作工作變得十分煩瑣、復(fù)雜，且極易出現(xiàn)誤差，效率很低。而以Motion Capture為基礎(chǔ)的動(dòng)畫(huà)制作系統(tǒng)將物體的實(shí)際動(dòng)作數(shù)據(jù)記錄下來(lái)輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)處理后由計(jì)算機(jī)在虛擬鏡頭中恢復(fù)，同時(shí)控制材質(zhì)。由于該制作系統(tǒng)記錄的是物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，所以動(dòng)作精確、效率極高?？梢?jiàn)，中國(guó)的動(dòng)漫技術(shù)已經(jīng)打開(kāi)劃時(shí)代的新局面。

2 VR技術(shù)與3D動(dòng)漫結(jié)合方法

隨著CG的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)VR和3D動(dòng)漫技術(shù)都得到了很大發(fā)展，國(guó)內(nèi)外行業(yè)的軟、硬件提供商分別開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的大量新產(chǎn)品。在研究它們各自的特點(diǎn)之后，探討了運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和三維掃描儀等VR設(shè)備與3D動(dòng)漫制作相結(jié)合的技術(shù)。三維動(dòng)漫虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 三維動(dòng)漫虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)將三維建?？焖僦谱飨到y(tǒng)、動(dòng)漫技術(shù)、VR設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可交互的動(dòng)漫虛擬環(huán)境。系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、立體投射系統(tǒng)、交互輸入設(shè)備及分布式網(wǎng)絡(luò)虛擬平臺(tái)等組成。

在實(shí)施具體教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生不僅能觀看到動(dòng)漫場(chǎng)景，還可以融入動(dòng)漫中，運(yùn)用輸入設(shè)備讓自己在動(dòng)漫中遨游。整個(gè)系統(tǒng)具備操作性強(qiáng)、參與感佳、隨機(jī)性好及實(shí)時(shí)效果優(yōu)等特點(diǎn)。

2.1 三維建模系統(tǒng)

在實(shí)際建模過(guò)程中，通常根據(jù)被模擬的現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象的復(fù)雜性以及模型逼真期望程度，采用多種方式相結(jié)合形成模型數(shù)據(jù)。建模方法與所要模擬的對(duì)象類(lèi)相關(guān)，也與應(yīng)用領(lǐng)域密切相關(guān)。針對(duì)所要模擬對(duì)象的不同方面，可將當(dāng)前流行的建模方法分為景物外觀建模、基于物理的建模、行為建模和虛實(shí)融合建模等[3]。景物外觀建模針對(duì)景物的外觀，主要包括基于幾何、圖像和材質(zhì)光照信息的建模方法；物理建模在于體現(xiàn)對(duì)象的物理特性，使得動(dòng)漫作品中的動(dòng)靜態(tài)景物更加逼真，主要涉及物體的動(dòng)力學(xué)、碰撞、變形等物理過(guò)程的模擬；虛實(shí)融合建模是一類(lèi)重要的建模方法，可以使計(jì)算機(jī)生成的虛擬景物與現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)環(huán)境自然地融為一體。從而有效地提高VR建模的效率、靈活性和逼真性。

對(duì)于動(dòng)漫中的三維模型建模，可通過(guò)三維掃描儀掃描實(shí)物，建立表面三維數(shù)據(jù)。這些表面三維數(shù)據(jù)就是實(shí)物表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)集，得到的大量坐標(biāo)點(diǎn)集稱(chēng)為點(diǎn)云(Point Cloud)。這樣建立三維模型速度快、精度高，且形象逼真。

2.2 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)中，手調(diào)動(dòng)畫(huà)制作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果大批量生產(chǎn)，需要大量的資金和成批的角色動(dòng)畫(huà)方面的專(zhuān)業(yè)人才，制作周期長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)手調(diào)動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)真實(shí)風(fēng)格比較困難。而使用結(jié)合VR中運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，能在較少資金較短時(shí)間內(nèi)快速制作出大量真實(shí)風(fēng)格的動(dòng)畫(huà)。并在動(dòng)作的真實(shí)性、節(jié)約資金、縮短制作周期等方面均優(yōu)于手調(diào)動(dòng)畫(huà)，在近幾年的國(guó)內(nèi)外動(dòng)漫影視中方面應(yīng)用非常廣泛。

2.3 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的可調(diào)性技術(shù)

運(yùn)動(dòng)捕捉研究歷史較長(zhǎng)，尤其是人體骨骼運(yùn)動(dòng)方面的技術(shù)比較成熟，從捕捉、追蹤、識(shí)別、骨架轉(zhuǎn)換到骨架調(diào)整，整套流程有比較完善的解決方案，但由于其自身特點(diǎn)的原因，仍存在一些不足。針對(duì)這些問(wèn)題，利用某些軟件(如Film Box)的功能雖可以解決，但由于大多數(shù)動(dòng)畫(huà)師不會(huì)使用這些軟件，在不同軟件間相互導(dǎo)入導(dǎo)出也比較麻煩。在角色動(dòng)畫(huà)中，一般用動(dòng)力學(xué)控制和運(yùn)動(dòng)學(xué)控制兩種技術(shù)來(lái)生成人體動(dòng)畫(huà)，尤其是運(yùn)動(dòng)學(xué)中的反向運(yùn)動(dòng)學(xué)在三維動(dòng)畫(huà)軟件中應(yīng)用廣泛。這兩種控制技術(shù)都試圖利用人體運(yùn)動(dòng)的物理規(guī)律來(lái)生成人體動(dòng)畫(huà)，但是由于人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜性很高，特別是人體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)機(jī)制的模擬非常困難，因此生成的動(dòng)畫(huà)并不逼真，而且缺乏實(shí)際人體運(yùn)動(dòng)中豐富的細(xì)節(jié)信息。而運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)則克服了以上三種運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的缺點(diǎn)，成為人體動(dòng)畫(huà)中最具有前途的技術(shù)之一。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、電子、機(jī)械、光學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)等技術(shù)，在運(yùn)動(dòng)物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，由捕捉系統(tǒng)捕捉跟蹤器的位置，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，為用戶(hù)提供在動(dòng)畫(huà)制作中使用的數(shù)據(jù)[4]。當(dāng)數(shù)據(jù)被計(jì)算機(jī)識(shí)別后，動(dòng)畫(huà)師即可以采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三維模型生成動(dòng)畫(huà)，可方便地在計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的鏡頭中調(diào)整、控制運(yùn)動(dòng)的物體。運(yùn)動(dòng)捕捉后的數(shù)據(jù)可以直接調(diào)入三維動(dòng)畫(huà)中驅(qū)動(dòng)三維模型，也可以通過(guò)第三方軟件作為“中間人”進(jìn)行編輯，將模型和數(shù)據(jù)在軟件中進(jìn)行匹配。

加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)取得的數(shù)據(jù)在三維軟件的可調(diào)性技術(shù)應(yīng)用就是根據(jù)捕捉采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，使用Maya的編程語(yǔ)言Mel來(lái)編寫(xiě)一個(gè)可充當(dāng)“中間人”的插件來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可以通過(guò)疊加、插入等不同方式進(jìn)行修改，在前向動(dòng)力學(xué)和反向動(dòng)力學(xué)算法之間自由轉(zhuǎn)換，并且可以開(kāi)發(fā)出友好的使用界面。為了方便使用，需要有一個(gè)友好的界面“中間件”使操作盡可能簡(jiǎn)單，為動(dòng)畫(huà)師提供方便，并節(jié)約制作時(shí)間。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)捕捉角色需要做大量、復(fù)雜的調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)提供一套能適用于絕大多數(shù)情況的骨骼系統(tǒng)，這套骨骼系統(tǒng)既可以進(jìn)行前向動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)，也可以進(jìn)行反向動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)，而不用在不同骨骼之間選擇。這樣可以使工作更加規(guī)范，提高工作效率。所以骨骼系統(tǒng)要在功能強(qiáng)化與復(fù)雜程度之間取得一個(gè)平衡點(diǎn)。最終可設(shè)計(jì)四套相同的骨骼：運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)骨骼、反向動(dòng)力學(xué)骨骼、前向動(dòng)力學(xué)骨骼及角色蒙皮骨骼。這幾套骨骼相互關(guān)聯(lián)，共同完成調(diào)節(jié)工作。

3 三維動(dòng)漫虛擬環(huán)境建設(shè)實(shí)踐與應(yīng)用

學(xué)校從科研和教學(xué)兩個(gè)方面考慮，建立了三維動(dòng)漫虛擬實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室一改傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室或者動(dòng)漫實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)思想，除了建立一個(gè)具有一定規(guī)模的傳統(tǒng)CG實(shí)驗(yàn)室外，從三維動(dòng)漫或網(wǎng)路虛擬實(shí)驗(yàn)等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的角度，還建立了一個(gè)“三維動(dòng)漫虛擬環(huán)境”實(shí)驗(yàn)室，使科研工作者或?qū)I(yè)學(xué)生，實(shí)現(xiàn)“在動(dòng)漫中學(xué)動(dòng)漫”，在“虛擬中做實(shí)驗(yàn)”。其硬件布局如圖2所示。

圖2 三維動(dòng)漫虛擬環(huán)境示意圖

圖2中，將運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的8個(gè)攝像機(jī)組相對(duì)均勻地分布在房間頂部四周；立體投射系統(tǒng)的投影機(jī)安裝在房間的頂部中央，立體投射屏幕靠墻安放；三維掃描儀可安置在房間兩個(gè)角落；其他設(shè)備例如系統(tǒng)計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備分布在屏幕對(duì)面的墻壁一邊，整個(gè)房間的中央就出現(xiàn)了一個(gè)空曠的虛擬交互環(huán)境。通過(guò)本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕捉展示技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)層次清晰、真實(shí)的與動(dòng)漫人物互動(dòng)的體驗(yàn)環(huán)境。通過(guò)體驗(yàn)區(qū)所提供的實(shí)踐機(jī)制來(lái)檢驗(yàn)自己對(duì)動(dòng)漫科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法的掌握和運(yùn)用能力，從而綜合提高對(duì)動(dòng)漫及虛擬技術(shù)的快速掌握與普及。

三維動(dòng)漫在中國(guó)市場(chǎng)上有著廣闊的應(yīng)用前景，而三維動(dòng)漫的制作是藝術(shù)和技術(shù)緊密結(jié)合的工作。文中通過(guò)對(duì)三維動(dòng)漫制作技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，以及對(duì)動(dòng)漫虛擬環(huán)境的建設(shè)技術(shù)的分析與實(shí)踐，為后期相關(guān)課題的實(shí)施奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1]簡(jiǎn)述電腦三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)的最新發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀.http：//zhidao.baidu.com/question/89343560.html，2009.

[2]周顯杉.淺談三維動(dòng)漫制作技術(shù)[J].硅谷，2009(24)：45-46.

[3]宋順林，詹永照.三維計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)中人體建模方法的研究[J]，軟件學(xué)報(bào)，2005，6(5)：311-315.

[4]劉賢梅，李冰，吳瓊.基于運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)的虛擬人動(dòng)畫(huà)研究[J]，計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008(8)：113-115.