軒丹陽 鄭州城市職業(yè)學院

三維動畫中的科學與藝術

軒丹陽 鄭州城市職業(yè)學院

從個人計算機的出現(xiàn)開始，三維動畫就出現(xiàn)在歷史舞臺上。在傳統(tǒng)的二維動畫的藝術表現(xiàn)形式上，加上計算機的科技表現(xiàn)，三維動畫是一種新的藝術科學化的表現(xiàn)手法。計算機在三維動畫方面包含了硬件、軟件、基礎科學等領域。大規(guī)模的集成電路計算機的問世宣告了個人計算機的時代來臨，面向對象的編程模式將復雜的工序模塊化，基礎科學的研究為計算機圖形打下了堅實的基礎。而這所有這一切的結合奠定三維動畫的來臨。

計算機 三維動畫 科學 藝術

1 三維動畫發(fā)展史

由于三維動畫源自于電影CG特效，所以需要從電影行業(yè)開始說起。20世紀七十年代，隨著個人計算機的普及，計算機開始與電影行業(yè)產(chǎn)生交集。1975年，當時的電影行業(yè)還沒有電腦特效，盧卡斯為了拍攝第一部《星球大戰(zhàn)》，組建了ILM（工業(yè)光魔）。在拍攝中使用了動作控制攝影機，利用電腦系統(tǒng)精確控制攝像機拍攝，并記錄攝像機運動數(shù)據(jù)的技術，且使用了電腦同步和藍幕拍攝技術。在1977年，《星球大戰(zhàn)》取得了前所未有的成功。雖然這部片子里沒有使用任何數(shù)字元素，但是表明了電影開始走上數(shù)字之路。1982年，工業(yè)光魔發(fā)明了一種名為源序列的電腦處理方法，并應用于科幻電影《星際迷航：可汗之怒》上，這是電影史上第一個完全使用電腦制作的場景。1985年，工業(yè)光魔在《年輕的福爾摩斯》中，制作了第一個電腦生成的角色：彩色玻璃人。1989年，工業(yè)光魔為《深淵》制作了第一個三維角色。

在20世紀80年代，電影與計算機交織的過程中，迪斯尼作為動畫行業(yè)的領導者，率先在1982年的《電子世界爭霸賽》中運用了CG特效，但是卻沒有后續(xù)深入發(fā)展。而盧卡斯曾經(jīng)在工業(yè)光魔內(nèi)部成立了一個計算機部門，專門研究計算機特效。但是于1986年，他賣掉了這個計算機部門。正好被當時董事局逼著離開自己親手創(chuàng)辦的電腦公司的董事長——喬布斯接手，并成立了如今的皮克斯動畫工作室。經(jīng)歷了很長一段時間內(nèi)的虧損，皮克斯動畫工作室完成了第一部三維動畫短片《跳跳燈》。這時，三維動畫在經(jīng)歷各種波折后才正式登臨世界，并伴隨著科技的進步快速的發(fā)展。

2 三維動畫中的科學

三維動畫的技術源自計算機科學、基礎科學等，從技術類別上，我們可以將目前三維動畫中的技術分成三類：基礎科學、計算機科學、機械。

2.1 基礎科學

基礎科學是指數(shù)學、物理等基礎性學科，其中數(shù)學是關鍵因素，在三維動畫中，主要應用范圍有：流體模擬，如水，煙，火；動力學模擬，如毛發(fā)，破碎等；圖形處理，如濾鏡，渲染等。

在三維的特效制作中，通過對大自然現(xiàn)象的研究，用數(shù)學公式模擬出各種自然現(xiàn)象。水的流動，煙的絲滑，火的跳動，均是通過各種表象為不同參數(shù)的數(shù)學公式來實現(xiàn)。而在破碎、毛發(fā)等自然運動方面，則是對自然中的運動規(guī)律進行了數(shù)學量化，使用數(shù)學公式對物體的運動進行了模擬。

在三維渲染成二維圖像中，數(shù)學又充當了圖像繪制的工具，將三維模型采樣，并通過著色模型，計算成二維的圖像，如簡單的Lambert材質的數(shù)學模型：I_diffuse=k_d I_l cosθ其中I_diffuse為反射光的光強，k_d為漫反射洗漱，cosθ為入射光與反射點上的表面法向量的夾角余弦。

2.2 計算機科學

由于三維動畫的制作載體是計算機，所以計算機科學對于三維動畫的影響是至關重要的，我們可以將其分為：硬件和軟件。

硬件即我們的計算機，在三維動畫中，主要應用于制作、存儲、渲染、傳輸?shù)确矫妗Ｖ谱鞣矫嬷饕侵钢谱饔玫挠嬎銠C，主要指標是計算性能，性能越好，在單位時間里的制作速度就越快。存儲方面主要是指存儲數(shù)據(jù)用的服務器，主要指標是存儲承載能力，穩(wěn)定性，安全性，保密性和可擴展性。三維動畫的所有資產(chǎn)均保存在存儲上，用于所有制作人員協(xié)同制作。數(shù)據(jù)的存儲量每時每刻都在增加，存儲在寫入和讀取時的穩(wěn)定性影響了協(xié)作的持續(xù)性。存儲的安全性則可以保證在存儲出現(xiàn)故障時，數(shù)據(jù)的可還原性。在協(xié)同合作中，保密性保證了三維動畫在上映前不被外流等權限問題。而可擴展性影響了存儲對于各類規(guī)模資產(chǎn)的支持性。

軟件方面主要是指各類制作、流程管理用的軟件，主要指標是交互性，穩(wěn)定性，可擴展性等，如Maya，3dsMax，Houdini，ReadFlow等。三維動畫軟件的發(fā)展過程中，綜合性大型軟件慢慢分化成更加專業(yè)的各個工序的制作軟件，如現(xiàn)今流行的ZBrush——專業(yè)的模型雕刻軟件，Mari——專業(yè)的三維貼圖繪制軟件，Katana——專業(yè)的燈光軟件。它的專業(yè)細化，直接表現(xiàn)了現(xiàn)代三維動畫對于質量的提升需求。

2.3 機械

三維動畫中的機械方面主要是指各類的動作捕捉、表情捕捉的機械工具。在三維動畫的發(fā)展歷程中，為了追求更加自然的動畫效果（夸張的表現(xiàn)手法也是基于自然），藝術家們從生物力學研究領域引進了動作捕捉工具，并發(fā)展出了表情捕捉的機械工具，如早期的《最終幻想》中尤娜的舞蹈采用的是機械式動捕，再到2012年的《阿凡達》全程采用的光學動捕設備。

3 三維動畫中的藝術

三維動畫是一門獨特的，極具個性化的藝術表現(xiàn)形式。我們著重對視覺上的藝術進行分析。（注：現(xiàn)在的一些4D、5D短片主要是通過增加一種感官，如觸覺，這里只討論現(xiàn)今的普遍類型，并不包括此類短片。）三維動畫視覺藝術繼承了傳統(tǒng)繪畫藝術的所有特點，并在此基礎上增加了時間的概念。所以它可以被稱之為二維藝術的拓展。由于“維度”的增加，使得三維動畫的藝術表現(xiàn)形式產(chǎn)生了質的變化。

三維動畫的最終輸出是視頻。視頻是由一系列的圖片經(jīng)過一定的算法壓縮后形成，它的原理實際上還是古老的“視覺暫留”，只不過形式由物理的紙片或者膠片轉型成計算機內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)。播放器將壓縮形成的圖像數(shù)據(jù)按照一定幀速率輸出就形成了視頻，所以三維動畫最終的文件是有一系列的、具有藝術效果的連續(xù)圖像組成的。

繪畫藝術中的線條，色彩，明暗，構圖以及形狀等藝術表現(xiàn)都適用于三維動畫。如單根線條在繪畫中的表現(xiàn)手法一般集中在線條的粗細變化以及曲度，而多根線條除了單根的表現(xiàn)效果外，再加上多根線條的疏密以及引導方向可以形成更加豐富的藝術效果，如圖：

我們可以看出單條線條和多條線條所能表現(xiàn)的藝術效果。單條線條的美感僅在于線條本身和線條本身所要表現(xiàn)的形狀結構，而線條的增加，卻在表現(xiàn)內(nèi)容上產(chǎn)生了質的飛越——空間的表現(xiàn)能力。但是無論是單條還是多條線條，所能表現(xiàn)的內(nèi)容都是靜態(tài)的，卻無法真正表現(xiàn)出“變化”的魅力，而三維動畫的出現(xiàn)，正好彌補了繪畫中的缺陷。

三維動畫相對于繪畫，其核心在于動態(tài)的藝術，動態(tài)的根本在于時間，最終歸結于時間的藝術。時間的形成賦予了繪畫能夠講訴過去，現(xiàn)在以及未來的能力，它是一種講述故事的藝術。所以故事的好壞以及講述的方式成了三維動畫藝術效果的決定因素。我們可以將故事的內(nèi)容按照應用的領域做一個分類：故事闡述、產(chǎn)品介紹和視覺吸引。

3.1 故事闡述

故事闡述是三維動畫最初形成的原因，它的旨意在于通過藝術的方式將某個故事通過視覺傳遞給觀眾。故事闡述我們可以細化為畫面的美感和節(jié)奏。畫面即繪畫，對美感的研究已經(jīng)非常成熟，所以這里著重介紹節(jié)奏。

現(xiàn)今的三維動畫中，很多人往往追求更美的畫面感，卻忽略了節(jié)奏。在畫面達到基本的美感要求后，節(jié)奏將起到重要的作用。在三維動畫中，節(jié)奏從微觀的角度具象表現(xiàn)為對象（人，動物，特效等）的動作，鏡頭的運動等；宏觀上來說，表現(xiàn)為劇情的跌宕起伏，畫面的冷暖、明暗變化等。好的鏡頭運動、自然的人物動作對于三維動畫的加分往往比畫面的美感更直接，因為快速播放的畫面里動作比畫面更具感官性，而劇情的跌宕起伏（很多影片劇情簡單，但是劇情的節(jié)奏把控非常好）直接影響了觀眾對于整個片子的融入深度。畫面的冷暖、明暗變化引導觀眾在觀看時的情緒，為整個劇情的氣氛烘托起了至關重要的作用。

3.2 產(chǎn)品介紹

產(chǎn)品介紹主要應用于工業(yè)、軍事等行業(yè)，它的藝術性主要體現(xiàn)在對某一對象（產(chǎn)品、事件等）的介紹。在達到基本的藝術效果后，將重點放在對象的本身，如外觀，功能，事件指引、描述等視覺引導和講解的作用。所以真實和準確是它的藝術著重點。

3.3 視覺吸引

視覺吸引是一種速效的藝術表現(xiàn)形式，沒有產(chǎn)品介紹的具體對象，也沒有故事闡述的劇情內(nèi)容。它的主要作用在于吸引觀眾的眼球，表明自己的立場，如三維廣告有快速絢麗的視覺效果，在同樣服務對象的情況下，最短的時間里吸引更多的觀眾是它的意義。所以視覺吸引的藝術一般表現(xiàn)為絢麗的畫面和強烈的節(jié)奏。

4 科學與藝術的結合

藝術的發(fā)展源自于科學的分析法，如繪畫中的透視法就是經(jīng)過科學的分析，將數(shù)學幾何透視應用于繪畫藝術表現(xiàn)。所以藝術的發(fā)展離不開科學的進步?；蛟S有些人可以從盧梭的《論科學與藝術》中提出各種歷史案例來反駁，但是從歷史的宏觀角度來說，藝術發(fā)展的過程中，每一次的巨大變革都離不開科學的分析法。

十五世紀的文藝復興，藝術家們在復興古希臘藝術模仿自然的學說同時，也開始研究幾何學、透視學、解剖學。借以解決用繪畫來模仿自然事物、三維空間和人物形象的逼真問題。畫家對再現(xiàn)自然的科學探討，表明了文藝復興的科學理性精神在繪畫中所起到的重要作用。

而現(xiàn)今的三維動畫，正是科學與藝術發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。通過科學的工具，以更豐富，更快，更精確的方式呈現(xiàn)藝術。三維動畫技術，讓藝術家從繁重的工具和繪畫技巧中解放，將更多的精力拖入到藝術創(chuàng)作。

5 小結

在寫這篇論文的時候，經(jīng)朋友的推薦，特地去看了盧梭的《論科學與藝術》，卻發(fā)現(xiàn)里面闡述的觀點和著重點并非合乎我的本意，所以只好重新整理自己的觀點。藝術家可以借助科學的工具更加深入對藝術的研究，而非專業(yè)人事也可以借助科學的工具將自己對藝術的理解展示出來?？茖W將藝術從工具和技法中解脫。

[1]盧梭.論科學與藝術.上海人民出版社,2007

[2]孫立軍.動畫藝術辭典.中國國際廣播出版社,2003

[3]艾薩克·克勞.三維動畫與特效技術完全教程.上海人民美術出版社,2010

[4]張順燕.數(shù)學·科學與藝術.北京大學出版社,2014

[5]布林克曼.數(shù)字合成的科學與藝術.清華大學出版社,2011