淺析三維海洋數字動漫關鍵技術

摘要:本文從動漫的發展入手，對三維海洋數字動漫的特點、研究內容以及應用意義進行了分析。進而引出對其關鍵技術：海洋場景虛擬仿真技術、海洋特效實時渲染技術以及海洋生命仿真技術的研究，詳細介紹了三類技術在三維海洋數字動漫中的實現方式及發展現狀。最后以動漫系列劇《小海龜漫游海底》為例，驗證了三類技術對實踐的指導意義，并對三維海洋數字動漫未來的發展方向做出了展望。

關鍵詞:三維海洋數字動漫;虛擬海洋環境;海洋特效實時渲染;人工生命行為仿真

動漫，即動畫與漫畫的合稱。以動畫卡通、網絡游戲、影視特效、數字多媒體產品等為代表的動漫產業是知識經濟的核心產業之一，被稱為本世紀最有希望的朝陽產業。它同時也代表著一種新興的數字創意產業。

在過去的半個多世紀中，二維動漫一直占據著霸主地位，家喻戶曉的《米老鼠與唐老鴨》、《白雪公主》等令人津津樂道。隨著動漫技術的發展，《獅子王》、《花木蘭》等耳熟能詳的作品將二維動漫推向了藝術發展的巔峰。然而，傳統二維動漫的制作工藝因制作程序繁雜、手繪工作量大、制作周期長等原因，造成生產成本的居高不下。

二十世紀后期，三維計算機圖像技術的出現，極大地拓展了動漫的空間表達能力：通過電腦的計算，在由數字化的三維空間里，建立物體的三維模型，然后貼上材質、布置燈光、擺好攝像機，規定好動作路徑和攝影角度，就能夠做出三維動漫。三維動漫的特點是：三維模型物體的各個面是經過電腦計算得到的，制作人員無需畫出物體在旋轉和翻滾時的各個面，同時，造型、色彩、美感等方面在視覺效果表達的實時性上有了顯著的提高，已日趨完善。

從1995年美國Pixar公司與Disney合拍的《玩具總動員》開創了三維動漫影片的先河，到今年暑期美國DreamWorks重磅推出的力作《功夫熊貓》，短短十余年時間三維動漫在圖形圖像技術不斷突破的支持下飛速發展。隨著21世紀人們對海洋的關注與研究，國內外對海洋的重視程度越來越高，海洋動漫也成為了藝術和技術上研究與開發的新熱點。本文對三維海洋數字動漫的幾項關鍵技術進行了研究，并探詢了其對動漫制作的推動作用。

1 三維海洋數字動漫

以海洋為題材，結合海洋特色進行動漫制作是海洋動漫的主要特點。海洋題材的劇本創，建立虛擬海洋環境，以及海洋生物的角色設計與仿真并列為三維海洋數字動漫制作的三大難點。其中劇本及角色設計需要研究者對海洋背景有著充分的了解并且擁有豐富的海洋知識。本文主要對虛擬海洋環境的構建與海洋生命仿真涉及到的關鍵技術進行探討。

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的物理現象，虛擬海洋環境仿真決不同于普通的陸地VR場景。海底地形結構的復雜性和特異性，將對建立和計算海底地形的物理模型帶來困難，同時決定了其存儲數據的海量性。在綜合分析各類因素的影響因子并適度簡化參照模型的基礎上，對虛擬海洋環境的構成需考慮以下五種重要元素：光照、粒子系統、海底地形、海流、水體。利用虛擬現實技術對三維海洋數字動漫進行制作，正是體現在對上述虛擬海洋環境中五類關鍵要素的仿真與可視化。

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

2 三維海洋數字動漫關鍵技術

五光十色的珊瑚礁和浩瀚無邊的海底世界完全是由計算機圖形學技術搭建出來的。通過對以下兩個方面的實現，建立起仿真的虛擬海洋環境：一是利用海洋場景虛擬仿真技術精確表示虛擬海洋環境及其附屬物的狀態模型，二是利用海底特效實時渲染技術對海洋環境渲染出的景象實現實時可視化。海洋生命行為仿真技術有助于解決海洋生物幾何模型不具備力學特性、難以保證運動的物理正確性以及無法真實地響應外力作用等問題。

2.1 海洋場景虛擬仿真技術

海洋環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相對獨立的動畫場景，必須依賴海洋場景虛擬技術來模擬。在計算機圖形學領域影響圖像逼真度的因素主要有兩個，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境仿真中最復雜的環節之一，可利用能使流體自身產生互動的3D流體模擬器，比如當海水波濤洶涌時，會自發地表現出流體的粘滯性。通過速度和計時參數的調節來模擬海流驅動并產生影響的水生環境。通過在虛擬場景中設置不同的參數，來實現各種海流作用的物理效果，如：水草飄蕩、珊瑚蟲移動、顆粒物質沉浮甚至魚類運動軌跡的改變等。將海洋學已有的波浪理論和計算方法應用到近岸海浪仿真中，采用橢圓余弦波來構造波形，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絡，可實現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，可實現快速有效地模擬進入淺水區的海浪。

對于光照的處理，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，必須考慮水的折射；同時，水體反射周圍的景物所產生的波光粼粼的效果以及水中的雜質微粒對光線進行的散射，都增加了處理光影效果的復雜性。與Maya Paint的Paint Effects結合使用可實現光影的折射、反射、陰影和透明等，達到三維動漫的渲染效果。

2.2 海洋特效實時渲染技術

在三維海洋數字動漫中，虛擬海洋環境的模擬所要達到的兩個目標是真實性和實時性。為達到該目標，本文基于Shader技術實現海面及海底等一系列自然現象的仿真。Shader程序分為頂點處理（Vertex Shader）和片段處理（Pixel Shader）。結合Shader技術，可以提供更靈活的自然現象模型計算和實現方法。

水面模擬：構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境的復雜性從理論上講是無限的。由于采用三維精確算法進行水面的實時模擬，計算量龐大，故目前難以實現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生凸凹不平的光照效果，這樣可以大為節省幾何構造的三角面片數目和渲染開梢。凸凹貼圖的概念是不使用幾何數據（多邊形十分占用顯卡和系統資源），而使用額外的\"法線圖\"來構成物體表面的凸凹感。也可以說是以紋理為背景構造一張符合紋理特征的\"噪聲\"圖像，這個圖像的明暗代表了表面的法向變化，從而在光照下產生凸凹不平的光照效果和視覺假象[3]。

近年來隨著計算機圖形處理單元（Graphics Process Unit，GPU）性能的不斷提高，在GPU內部直接進行光學模型的計算已經相當廣泛。這樣能夠減少圖形卡與計算機內存之間的數據交換，克服顯卡內存帶寬的瓶頸。因此利用圖形硬件來直接處理光照已經成為光照效果模擬的一種高效實時的方法，是虛擬海面場景仿真下一步的研究方向之一[5]。

基于粒子系統的懸浮物模擬：由于虛擬海洋環境中的雨、雪、浪花等自然現象非常特殊，它們具有不規則的形態結構以及多變的運動狀態。這導致了常規的三維建模方法難以對這些特效進行模擬。粒子系統易于創建，也能夠較為逼真地表達這些現象。因此采用粒子系統模擬海洋特效，用以實現實時渲染效果。

粒子系統（particle system）方法被認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]。粒子系統的基本思想是將許多簡單形狀的微小粒子作為基本元素聚集起來，形成一個不規則的模糊物體，從而構成一個封閉的系統[3]。通過粒子系統，可以把許多微小粒子的組合起來表示一個模糊的物體。隨著時間的推移，系統產生、移動、變化、刪除粒子[4]。粒子系統是一些運動的顆粒，每個顆粒都按照賦予的動力學規律來運動，受重力、加速度等的影響。

2.3 海洋生命行為仿真技術

生活在自然界的動物群體一直是令動畫創作者\"困擾\"的難點問題。利用傳統的計算機動畫技術和方法，對于活動在虛擬海洋環境中的人工魚群進行模擬，工作量將會復雜且繁瑣：不僅需要詳細規定每一條動畫魚的各個采樣時刻、各種動作、各種體形、各種姿態，而且，要具體描述許多條動畫魚之間的相互關系、相互位置、相互作用，其計算復雜性將以指數級數增長，造成\"組合爆炸\"，即使采用高速、大容量的計算機，也未必能使魚群動畫達到自然逼真的理想效果[4]。

在三維數字海洋動漫中，主要針對虛擬海洋生命尤其是魚類等，借助現有的三維動畫工具構造出三維角色虛擬體，通過建立各種模型來體現虛擬生命的行為，采用人工智能算法來表現生命體的記憶功能、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、認知、決策、運動等，海洋生命行為仿真技術即是用計算機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，研究具體算法以驅動人工魚的行為，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境中自主行為和運動，并且具有實時性和交互性。通過建立人工魚的認知模型，使得人工魚能夠對其所處世界有認知、思考和記憶能力；對人工魚的個體行為和群體行為控制方法的研究，有效地對魚類的捕食、躲避敵害等智能行為進行模擬與記憶。表1反映出傳統的計算機動畫技術與虛擬生命仿真技術的比較。

3 小結：

如圖1所示，在動漫制作中同時運用了高光貼圖、法線貼圖、海浪眩光動態貼圖、多重紋理技術、動態紋理技術等虛擬現實技術，對表面光滑或具有半透明紋理的生物以及海底環境進行模擬。

未來的研究熱點將會聚焦在人工魚復雜行為的研究以及利用硬件技術進一步實現虛擬海洋環境的優化等方向上。隨著我國政府有關部門、科研機構和創意企業對動漫應用和發展的重視程度越來越高，國內必將逐漸形成適宜動漫發展的良好環境，各類計算機技術的研究及其在三維海洋數字動漫中的應用將有遠大的發展前景。

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:

[5]鮑虎軍，金小剛，彭群生. 計算機動畫的算法基礎， 杭州:浙江大學出版社，2000.

[6]張淑軍. 虛擬海洋環境中人工魚的認知模型和行為控制研究[博士學位論文]. 青島:中國海洋大學，2007.

[7]褚彥軍等. 海面場景虛擬仿真方法[J]， 計算機應用， 2004，24:114-117.

[8]HEARN D. 計算機圖形學[M]， 影印版. 北京:清華大學出版社， 1998.