劉勇+陽君杰

摘 要：動畫技術(shù)是動漫產(chǎn)業(yè)中重要的一環(huán)。我國動漫產(chǎn)業(yè)困惑的集中表現(xiàn)是越來越大手筆的資本投入和越來越低效率利潤回報，先進(jìn)和適用動畫技術(shù)無疑是突破困惑方式之一。文章通過對三維掃描技術(shù)進(jìn)行研究，通過三維掃描儀為三維造型為動畫制作提供角色支撐，讓傳統(tǒng)泥塑藝術(shù)與當(dāng)下的數(shù)字藝術(shù)在這里得到連接與互通。其重建技術(shù)為傳統(tǒng)偶動畫提供了一種新型的技術(shù)方向，它具有低成本，獨立性強的特點，可以為小成本動畫制作提供良好的技術(shù)支撐，也為高校實驗動畫尋找到了一種新的創(chuàng)作方式。

關(guān)鍵詞：偶動畫；三維掃描；數(shù)字重建；數(shù)字補間

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中圖分類號：J 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1008-2832（2014）09-0099-03

Research of Tweens Based on 3D Scanner Complement

LIu Yong， YANG Jun-jie

（university of South China， Hengyang 421001， China）

Abstract ：animation technology is an important part of the animation industry. Focus on the performance of Chinas animation industry confusion is more and more large capital investment and low efficiency of increasing returns， advanced and applicable technology is a breakthrough animation confused way. The article research of 3D scanning technology， the 3D scanner for 3D modeling to provide role support animation， digital art traditional clay sculpture art and contemporary get connected with the intercommunication here. The reconstruction technique provides a new direction for the traditional puppet animation technology， it has the characteristics of low cost， independence is strong， can provide good technical support for low cost animation， experimental animation for colleges and universities to find a new way of creation.

Key words ：animation； 3D scanning； digital reconstruction； digital complement

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一、偶動畫現(xiàn)狀與三維掃描技術(shù)結(jié)合的設(shè)想

通過市場觀察，我們發(fā)現(xiàn)在眾多的動畫形式中，傳統(tǒng)的泥偶動畫仍舊有著不凡的市場表現(xiàn)，比如《酷狗寶貝》《小雞快跑》《人兔的詛咒》等等。然而在我國泥偶動漫制作道路上，除去靳夕導(dǎo)演的《阿凡提的故事》系列片這部經(jīng)典作品之后便再少有可圈點之作。究其原因主要是泥偶動畫成本太高，費事費力。例如《小雞快跑》一劇，光角色骨架就投入數(shù)千萬美元，此外還需要50位頂級藝術(shù)家捏偶造型拍攝，500臺惠普旗艦計算機不停的渲染，耗時4年方才完成。制作的高成本成本仍然是制約我國動畫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸。為了緩解這一問題，業(yè)界普遍認(rèn)為在降低動畫成本的手段上計算機（CG）輔助是一個重要的方向。

提高傳統(tǒng)動畫的拍攝效率，提高偶的制作，補間精度都離不開對數(shù)字化平臺開發(fā)和利用，所以我們也將思路投向可以整合的數(shù)字平臺，其中三維掃描儀是一項倍受關(guān)注但又缺乏深入研究的領(lǐng)域。三維掃描儀本來只是用來偵測并分析現(xiàn)實世界中物體或環(huán)境的形狀（幾何構(gòu)造）與外觀數(shù)據(jù)（如顏色、表面反照率等性質(zhì)）的儀器。從現(xiàn)有的應(yīng)用范圍來看，它所搜集到的數(shù)據(jù)常被用來進(jìn)行簡單幾何形的三維重建計算。但是在復(fù)雜形態(tài)三維數(shù)據(jù)的復(fù)制或重建過程并非仰賴單一技術(shù)，各個行業(yè)都有不同的重建技術(shù)，每種重建技術(shù)背后都隱藏著其優(yōu)缺點，而三維掃描儀這個設(shè)備本身在設(shè)計上和技術(shù)上也有高低之分。

二、三維掃描在數(shù)字泥偶重建中的局限性與改良方式

對于三維掃描儀在工業(yè)領(lǐng)域的運用，我們常常這樣簡要的表達(dá)：它能快速精確地完成某一件的仿制加工或是模具的設(shè)計，你只需對著需仿制或復(fù)制的物品進(jìn)行掃描，得到物體的計算機的三維圖像（數(shù)字模型），再與數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接，一件與真實物品完全一樣的仿制品就完成了。但是這是一個非常簡化了的理想狀態(tài)，在實際中泥偶掃描的過程中我們常常遇到許多問題。比如：掃描前預(yù)處理噴涂物質(zhì)的普適性；模偶四肢，衣褶，盔甲等遮擋物下的死角的數(shù)據(jù)取得；掃描數(shù)據(jù)的平滑方式；重建后的數(shù)據(jù)分享與理解等等問題。

基于上述泥偶掃描局限，我們以動畫《糖罐的秘密》主角為例，來呈現(xiàn)在三維掃描補間過程中面臨的問題和解決方案?！短枪薜拿孛堋肥俏倚赢媽I(yè)的學(xué)生張銀波的課程作品，講述了一個山區(qū)小學(xué)女生宿舍溫情小故事，主要涉及了5位小女孩以及一個鄉(xiāng)村小學(xué)的環(huán)境背景的造型。endprint

（一）泥偶造型

雕塑橡皮泥是一種價格低廉且快捷和方便的塑形材料，它兼具油泥和粘土的優(yōu)點，在粘土動畫中廣泛運用?；谀嗯嫉闹谱鲗绊懞笃趻呙瑁试谠煨驮O(shè)計的初始階段我們就規(guī)避后續(xù)的麻煩，首先上角色造型以圓鼓為佳，避免尖銳的死角與黑洞，而后需要對角色進(jìn)行光順處理，使角色表面更利NURBS運算（圖1）。如果需要粗糙肌理，可在后期通過貼圖處理。

（二）噴涂

光學(xué)三維掃描儀對于高反光物質(zhì)和高吸收物質(zhì)都會產(chǎn)生掃描誤差或空洞，針對橡皮泥泥偶，我們采用美達(dá)工業(yè)探傷劑FA-8，這種探傷劑色澤純白，環(huán)?？旄?，不易掉粉。更為我們看重的是他是水溶性粉末，在模偶抄數(shù)后非常容易清洗。 這種探傷劑通過壓縮空氣空氣罐霧化白堊粉，分散成均勻而微細(xì)的霧滴，施涂于被涂物表面。形成精致而且超薄的亞光白，可以最大限度的給掃描探頭提供足夠的反差且均質(zhì)的影像。（圖2）

（三）運動單元分解

模偶動畫的視覺特征其一就是動作機械化，切不可失去，這也是區(qū)別完全CG三維動畫的情趣所在。對于運動單元的分解，應(yīng)該以方便抄數(shù)為主，而不是無限度的生理解剖。由于動畫后期會設(shè)計面部表情，可以多做一些面部表情頭像。

（四）數(shù)據(jù)點的平滑與簡化

受測量過程中隨機誤差以及數(shù)據(jù)采集時對空間連續(xù)光帶的離散采樣等因素的影響，采集后獲取的數(shù)據(jù)一般是不光滑的（圖3），其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)點會輕微偏離原始位置，因此，一般需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。對于本實驗系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，直接采用平均算法進(jìn)行處理，首先將輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行分行，對于每一行數(shù)據(jù)圖（圖4為所截取女娃背部的一行數(shù)據(jù)中的一段，在右下角的部分有較明顯的小的鋸齒狀的起伏。）經(jīng)過上述處理后，數(shù)據(jù)點的位置會有所變動，但是由于采集到的數(shù)據(jù)十分密集，這種位置的變動不會導(dǎo)致整體曲線形狀的失真，只會使數(shù)據(jù)點變得更加平滑。數(shù)據(jù)平滑過程需在數(shù)據(jù)雜散點消除過程之后進(jìn)行，否則雜散點將會對平滑結(jié)果有顯著影響。

數(shù)據(jù)點的簡化在三維泥偶重建時有著必要性，因此只要在能滿足造型條件下，必須得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，使得簡化后的數(shù)據(jù)既保留了物體表面的有用信息，又在數(shù)量上大大降低，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效處理 。對數(shù)據(jù)簡化可以通過以下兩種方法來實現(xiàn)：第一種，在數(shù)據(jù)采集階段根據(jù)要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化。在數(shù)據(jù)采集階段，我們可以根據(jù)分辨率要求以及被測物體表面的形狀對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理簡化。可通過調(diào)整豎直方向采樣間隔以及光帶圖像采樣間隔來實現(xiàn)。豎直方向采樣間隔越大，獲取的數(shù)據(jù)量就越小，同樣，在對光帶圖像進(jìn)行采樣時，不必對每一個像素都進(jìn)行計算，可以以一定間隔對光帶進(jìn)行采樣，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的簡化。這種方法在數(shù)據(jù)簡化的效果上是十分可觀的，會使數(shù)據(jù)量成倍地下降，但是此時也會降低獲取數(shù)據(jù)的分辨率。第二種方法是在獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用一定的算法來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的簡化。根據(jù)數(shù)據(jù)密度的需要從中均勻剔除部分冗余點即可。經(jīng)過上述處理后，數(shù)據(jù)點的位置會有所變動，但是由于采集到的數(shù)據(jù)十分密集，這種位置的變動不會導(dǎo)致曲線形狀的失真，只會使數(shù)據(jù)點變得更加平滑。

（五）殘缺數(shù)據(jù)補全

由于受到掃描對象、現(xiàn)場環(huán)境、掃描速度和時間等的限制，導(dǎo)致三維物體的某些部分獲取的數(shù)據(jù)不完整，比如眼窩，指（趾）縫，這種現(xiàn)象在被掃描對象的外形比較復(fù)雜（如女娃的腳底，發(fā)髻）這些洞的產(chǎn)生主要原因是因為由于較低的反射率、掃描儀位置設(shè)置（即視點）等的限制，或者僅僅是由于激光掃描儀的掃描光束的直線探測而造成。而這些修補工都是手工進(jìn)行的。要提高工作的效率，就必須對該軟件的應(yīng)用熟練掌握，并清楚各個功能的使用條件，且要清楚各個功能之間的差別所在。（圖5）對殘缺數(shù)據(jù)產(chǎn)生的空洞的處理方法可總結(jié)如下：

1.對于那些具有多重邊界空洞，可選擇合適的（可能不是圓盤的）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)造三角面片。

2.根據(jù)重采樣原理，對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣，以便補齊缺損的數(shù)據(jù)。

3.在掃描過程中，盡可能在多視點的情況下進(jìn)行掃描，以便獲取完整的數(shù)據(jù)。

4.利用體模糊的方法來對殘缺數(shù)據(jù)造成的空洞進(jìn)行填補。

三、補間平臺的拓展與技術(shù)對接

在動畫制作時，在兩個關(guān)鍵幀中間需要做“補間動畫”，才能實現(xiàn)角色的運動。在傳統(tǒng)的泥偶動畫制作中其實是沒有“補間”這個概念的，因為他是線性拍攝的，每一張都為下一張?zhí)峁﹦幼髌瘘c?！把a間動畫”是計算機動畫出現(xiàn)后才有的概念，是指兩個關(guān)鍵幀之間的插補幀是由計算機自動運算而得到的過程。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偶（圖6）在3d-max或其他軟件重建后即可以對整個動畫進(jìn)行補間制作了，動畫補間可以使動畫在觀影狀態(tài)下更為流暢和真實，也可以進(jìn)行藝術(shù)化的電影語言描述（圖7）。例如蒙太奇鏡頭，人物面部特寫，環(huán)視，重復(fù)的節(jié)奏。他直接的降低了傳統(tǒng)拍攝的勞動量和物質(zhì)成本。其中最主流的拓展設(shè)備是——動態(tài)捕捉儀。它可以通過在演員的頭、膝蓋、其他關(guān)節(jié)處貼好反光球捕捉點，演員按照導(dǎo)演指定的要求進(jìn)行表演時把反光球的數(shù)據(jù)被攝像機捕捉后實時存儲到控制電腦里。動作捕捉技術(shù)不僅彌補了三維制作在角色動作調(diào)節(jié)上花費大量時間的弊病，更提升了三維藝術(shù)家把握作品藝術(shù)質(zhì)量和掌控動畫角色表演最終效果的控制力。

盡管目前一些三維動畫師對運動捕捉技術(shù)的看法還存在分歧，但運動捕捉在海外卻早已被廣泛應(yīng)用，電影大片《金剛》《星球大戰(zhàn)》《角斗士》《極地特快》中都有運動捕捉技術(shù)的體現(xiàn)。運動捕捉技術(shù)能夠彌補動畫師創(chuàng)作經(jīng)驗的不足，對角色動畫、群體場景、影視特技、電腦游戲等方面有著不可低估的作用。

四、技術(shù)創(chuàng)興與局限性

動畫創(chuàng)作最大的魅力就是它的虛擬性，這種虛擬是指動畫的角色設(shè)計與場景設(shè)計“脫離”了生理與物理規(guī)律，創(chuàng)作者可以充分展開自己的創(chuàng)意，任意揮灑創(chuàng)作靈感。但從另一個方面來解讀這種“脫離”，它仍舊是基于現(xiàn)實的生理規(guī)律與物理規(guī)律的，只是在規(guī)律上的夸張或簡化。恰如神話故事的產(chǎn)生，既是對現(xiàn)實世界的背離，又是對現(xiàn)實世界的反應(yīng)。矛盾的狀態(tài)嚴(yán)重的考驗著動畫人的智慧，這種困惑也是激發(fā)動畫從業(yè)人員不停的創(chuàng)新實踐。我國的畫制作也正面臨著基于虛擬平臺完成真實世界實現(xiàn)的嚴(yán)重考驗。一方面是效率問題，這直接影響到影片的制作成本，是否有利潤的收效，這關(guān)系到動畫制作人的生存；另一方面是是如何打動觀眾，使之有情感投入，這直接體現(xiàn)為影片的藝術(shù)質(zhì)量的展現(xiàn)。

項目來源：湖南省教育廳《小成本偶動畫數(shù)字化補間技術(shù)研究》編號12c0357；衡陽市科技局《基于三維掃描技術(shù)的偶動畫制作研究》編號2012KG60

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