三維動畫場景的優(yōu)化

摘 要： 動畫場景是動畫影片的一個重要組成部分，一般來說，場景與角色相比往往比例較大，包含的對象種類多樣、數(shù)量繁多，對三維動畫制作來說，這種情況往往會導(dǎo)致龐大的數(shù)據(jù)量，對于計算機硬件造成比較大的負擔(dān)。因此，探討三維動畫中對于場景的優(yōu)化方法和思路，具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 三維動畫場景 場景設(shè)計 優(yōu)化制作方案

場景設(shè)計是動畫創(chuàng)作的一個重要環(huán)節(jié)，一般來說，影視動畫場景設(shè)計就是指動畫影片中除角色造型以外隨著時間改變而變化的一切物的造型設(shè)計。從動畫場景與角色的關(guān)系來看，“影視動畫表現(xiàn)的主體是角色，場景就是隨著故事的展開與角色發(fā)生關(guān)系的所有景物，包括角色所處的生活場所、陳設(shè)道具、社會環(huán)境、自然環(huán)境及歷史環(huán)境，甚至包括作為社會背景出現(xiàn)的群眾角色，都是場景設(shè)計的范圍和所需完成的任務(wù)”[1]。因此一般情況下，場景主要是襯托角色和故事情節(jié)的，它是“配角”。另外，在三維動畫片中，對于場景的制作的技術(shù)方面也有相應(yīng)的要求。三維場景一般來說數(shù)據(jù)量比較大，比如一個小鎮(zhèn)、城市等，里面會包括建筑、樹木、等多類型對象，即使是室內(nèi)的場景，也會由許多細小的對象組成，比如除了房子的模型外，可能還會包括座椅、書架、燈具、餐具等許多瑣碎的對象，而在許多情況下，建筑對象是場景的主體部分。如果按照單一建筑模型的一般方法創(chuàng)建模型的話，當(dāng)場景中出現(xiàn)大規(guī)模的建筑時，一般計算機往往無法承受如此巨大的工作量，并且會極大增加渲染時間，因此我們在創(chuàng)建的時候，必須考慮場景的優(yōu)化，探索優(yōu)化的建模方式對于創(chuàng)建大規(guī)模的三維動畫場景，具有非常重要的意義。

在科技高速發(fā)展的今天，計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展一日千里，雖然硬件對于我們的限制越來越小，我們可以使用越來越多的面數(shù)來構(gòu)建模型，但是不管如何，在保證效果的前提下，模型應(yīng)該盡可能精簡，使用盡可能少的面數(shù)來達到效果，應(yīng)該是我們永恒的追求。本文將主要以場景制作中的建筑外觀的制作和優(yōu)化方案為例，淺談三維動畫場景的優(yōu)化制作方案。

首先，室外建筑場景的優(yōu)化，一般是以攝像機的位置、方向、運動路徑為核心來考慮優(yōu)化方案的。我們可以根據(jù)這個來確定場景在鏡頭中的視覺影響，劃分近景、中景、遠景，確定建筑的哪些角度是正對攝像機、哪些角度是攝像機中看不到的，然后在建模的時候采用不同的思路和技術(shù)進行處理，從而達到優(yōu)化場景的目的。

優(yōu)化的總體原則是：在不影響或者盡可能少地影響效果的前提下，盡可能精簡模型的面數(shù)，可以從以下幾方面考慮。

1.攝像機中能看到這個面嗎？

將攝像機中看不到的面刪除，這應(yīng)該是影響最小并且效果最直接的方法。當(dāng)然，有些特殊情況下，看不到的面也會對畫面產(chǎn)生影響，比如使用一些全局渲染的情況，光線必須借助面進行反射、計算等，即使這些面背對攝像機，但是會對光線反射產(chǎn)生影響，那么我們就需要根據(jù)情況決定是否需要刪除該面。如果影響不大，可以考慮刪除。

比如圖1中的立方體，一般情況下我們可以將模型的底面刪除，因為它的底面在攝像機中是看不到的。

這種思路在實拍電影時非常常見。比如某些街道、城鎮(zhèn)是人工搭建的話，很多建筑并不是完全搭建出來的，一般只有正面或者會被攝像機拍攝到的面才會搭建出來，拍攝不到的面則可能是空的。這樣做的目的完全是節(jié)約成本——既然看不到，何必把它做出來呢？同樣道理，我們在為這些建筑建模的時候，也可以把攝像機中看不到的面刪除，如圖2所示。

2.需要這么多面來實現(xiàn)造型嗎？

這一點其實也是建模過程中永遠需要考慮的問題，角色、道具等一切三維模型，我們都追求使用最少的面達到最好的效果。如圖3所示，兩個模型的面數(shù)相差非常巨大，但是我們實際看到的效果卻完全沒有差異，因此，圖中左邊的情況是必須避免的。

3.按照遠、中、近的原則來決定建筑模型面數(shù)的低、中、高，合理分配資源。

按照物體距離攝像機的距離，大致劃分成遠景、中景、近景，某種程度來說也就是根據(jù)物體在畫面中的影像效果來劃分。一般情況下，遠景的對象往往只能看到輪廓，所以在制作的時候不需要非常多的細節(jié)，那么必然使用最少的面數(shù)，有時甚至可以采用單一平面加貼圖的方法來實現(xiàn)；中景的對象一般可以看到一定細節(jié)，因此在制作時需要適當(dāng)增加面數(shù)，并對細節(jié)做適當(dāng)表現(xiàn)；而近景或者出現(xiàn)特寫的部分，無疑在模型細節(jié)、貼圖精度等方面都要求最高，我們在制作的時候也需要使用相應(yīng)多的面數(shù)來表現(xiàn)。具體如下：

遠景建筑場景的表現(xiàn)：遠景建筑距離攝像機最遠，我們可以采用最節(jié)約的方式來表現(xiàn)。通常思路是建立極簡單的平面模型，賦予一個建筑的貼圖借助alpha通道實現(xiàn)透明，如圖4所示。使用相同方法，即可使用非常少的面數(shù)來達到遠景的大規(guī)模建筑效果，如圖5所示。

中景部分：相對于遠景來說，中景部分的建筑模型應(yīng)該是一個相對完整的三維模型，當(dāng)然在細節(jié)方面和前景的相比要少一些。在制作手段方面一般考慮完整模型和貼圖結(jié)合，即在相對完整的三維模型上，通過貼圖來表現(xiàn)大部分細節(jié)，輔以適當(dāng)?shù)哪Ｐ图毠?jié)。

如圖6中的建筑，在正門上方的雨棚、臺階是建模得到的，因為這兩部分造型比較突出，并且相對重要，而窗戶、二樓窗戶的雨棚，都是通過貼圖來實現(xiàn)的，大大減少了多邊形數(shù)量。

近景部分：近景或者出現(xiàn)特寫的部分，模型在畫面中所占的比例最大，具備大量的細節(jié)造型才能使畫面豐富，因此我們會使用最多的面數(shù)把造型細節(jié)充分塑造出來，給觀眾最大的視覺沖擊力，如圖7所示。

4.場景的自動優(yōu)化

很多時候，攝像機不是固定不動的，它可能在場景中穿行拍攝，那么，模型與攝像機的距離也就是一直變化的，因此模型的精度不應(yīng)該一成不變，然而，如果攝像機每運動一定距離都要手工調(diào)整場景模型的精度的話，就會極大地浪費時間。針對這種情況，許多主流三維動畫軟件，比如maya，3ds max，xsi等都提供相應(yīng)工具，以便對場景中的模型進行自動優(yōu)化，比如3ds max軟件中的level of detail工具，簡稱LOD，就是一個非常方便的工具。Level of detail工具的基本原理根據(jù)對象到攝像機的距離來自動切換模型的細分級別（也就是模型的面數(shù)），當(dāng)對象離攝像機遠時，模型和貼圖自動切換為低精度；當(dāng)對象離攝像機中等距離時，模型和貼圖自動切換為一般精度，同樣，當(dāng)離得非常近時，模型和貼圖自動切換為高精度的。因此，我們在制作的時候，需要分別制作幾個級別的模型和貼圖，使用lod工具，達到根據(jù)距離自動切換模型精度的效果，從而大大節(jié)省制作時間。具體方法如下：

（1）分別制作高、中、低面數(shù)的三個版本的模型，也可以分別制作三個精度的貼圖。確保三個模型的樞軸點位置都相同。

（2）將三個版本模型命名以便于區(qū)別，將他們對齊到同一位置，確保完全重合，同時將三個模型群組。

（3）使用level of detail工具，創(chuàng)建一個新的集合，將三個不同精度的模型添加進來，設(shè)置閾值來決定顯示相應(yīng)的模型，閾值的原理是根據(jù)對象在畫面中的顯示大小或者像素數(shù)量來確定顯示哪一個精度的模型，比如對象離攝像機較近時，在畫面中所占比例也較大，那么，系統(tǒng)將自動顯示高精度版本的模型，并且自動把其余兩個版本的模型隱藏。

（4）如果對象里攝像機較遠時，自動顯示低精度版本的模型，自動將其余兩個版本的模型隱藏。通過這樣的智能控制方式，可以極大地節(jié)約資源，節(jié)約渲染時間。

總體來說，三維動畫中的場景一般包含數(shù)量龐大的建筑、植被、道具，有時甚至包括一些群眾角色，當(dāng)所有對象同時出現(xiàn)在一個鏡頭里的時候，往往會對計算機硬件產(chǎn)生非常大的運算壓力，而一般個人電腦是比較難以負荷的，即使專業(yè)的圖形工作站可以運行，也會優(yōu)化場景的，因為可以大大節(jié)約計算和渲染的時間等。所以，場景的優(yōu)化是三維動畫制作的一個重要課題，是制作的一個重要部分。以建筑模型為例，在優(yōu)化時始終圍繞對象在攝像機中的所占比例和角度來考慮和選擇工具。建筑背對攝像機或者鏡頭中看不到的面，可以考慮刪除；使用盡可能少的面數(shù)來構(gòu)建模型，不浪費面；使用貼圖表現(xiàn)的效果，盡量不使用建模手段來實現(xiàn)；對于攝像機有運動的情況，可以考慮使用LOD（level of detail）的方式來達到模型根據(jù)鏡頭距離自動切換不同精度的效果，從而最大限度地減少場景模型對于系統(tǒng)的壓力，提高制作效率。

參考文獻：

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