基于三維掃描儀的偶動畫補間研究

劉勇+陽君杰

摘 要：動畫技術是動漫產業中重要的一環。我國動漫產業困惑的集中表現是越來越大手筆的資本投入和越來越低效率利潤回報，先進和適用動畫技術無疑是突破困惑方式之一。文章通過對三維掃描技術進行研究，通過三維掃描儀為三維造型為動畫制作提供角色支撐，讓傳統泥塑藝術與當下的數字藝術在這里得到連接與互通。其重建技術為傳統偶動畫提供了一種新型的技術方向，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支撐，也為高校實驗動畫尋找到了一種新的創作方式。

關鍵詞：偶動畫；三維掃描；數字重建；數字補間

檢 索：www.artdesign.org.cn

中圖分類號：J 文獻標志碼： 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

Internet ：www.artdesign.org.cn

一、偶動畫現狀與三維掃描技術結合的設想

通過市場觀察，我們發現在眾多的動畫形式中，傳統的泥偶動畫仍舊有著不凡的市場表現，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，除去靳夕導演的《阿凡提的故事》系列片這部經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千萬美元，此外還需要50位頂級藝術家捏偶造型拍攝，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業化發展的瓶頸。為了緩解這一問題，業界普遍認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。

提高傳統動畫的拍攝效率，提高偶的制作，補間精度都離不開對數字化平臺開發和利用，所以我們也將思路投向可以整合的數字平臺，其中三維掃描儀是一項倍受關注但又缺乏深入研究的領域。三維掃描儀本來只是用來偵測并分析現實世界中物體或環境的形狀（幾何構造）與外觀數據（如顏色、表面反照率等性質）的儀器。從現有的應用范圍來看，它所搜集到的數據常被用來進行簡單幾何形的三維重建計算。但是在復雜形態三維數據的復制或重建過程并非仰賴單一技術，各個行業都有不同的重建技術，每種重建技術背后都隱藏著其優缺點，而三維掃描儀這個設備本身在設計上和技術上也有高低之分。

二、三維掃描在數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領域的運用，我們常常這樣簡要的表達：它能快速精確地完成某一件的仿制加工或是模具的設計，你只需對著需仿制或復制的物品進行掃描，得到物體的計算機的三維圖像（數字模型），再與數控加工設備進行聯接，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，在實際中泥偶掃描的過程中我們常常遇到許多問題。比如：掃描前預處理噴涂物質的普適性；模偶四肢，衣褶，盔甲等遮擋物下的死角的數據取得；掃描數據的平滑方式；重建后的數據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，來呈現在三維掃描補間過程中面臨的問題和解決方案。《糖罐的秘密》是我校動畫專業的學生張銀波的課程作品，講述了一個山區小學女生宿舍溫情小故事，主要涉及了5位小女孩以及一個鄉村小學的環境背景的造型。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點，在粘土動畫中廣泛運用。基于泥偶的制作將會影響后期掃描，故在造型設計的初始階段我們就規避后續的麻煩，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

光學三維掃描儀對于高反光物質和高吸收物質都會產生掃描誤差或空洞，針對橡皮泥泥偶，我們采用美達工業探傷劑FA-8，這種探傷劑色澤純白，環保快干，不易掉粉。更為我們看重的是他是水溶性粉末，在模偶抄數后非常容易清洗。 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，這也是區別完全CG三維動畫的情趣所在。對于運動單元的分解，應該以方便抄數為主，而不是無限度的生理解剖。由于動畫后期會設計面部表情，可以多做一些面部表情頭像。

（四）數據點的平滑與簡化

受測量過程中隨機誤差以及數據采集時對空間連續光帶的離散采樣等因素的影響，采集后獲取的數據一般是不光滑的（圖3），其中的部分數據點會輕微偏離原始位置，因此，一般需要對數據進行平滑處理。對于本實驗系統采集到的數據，直接采用平均算法進行處理，首先將輪廓數據進行分行，對于每一行數據圖（圖4為所截取女娃背部的一行數據中的一段，在右下角的部分有較明顯的小的鋸齒狀的起伏。）經過上述處理后，數據點的位置會有所變動，但是由于采集到的數據十分密集，這種位置的變動不會導致整體曲線形狀的失真，只會使數據點變得更加平滑。數據平滑過程需在數據雜散點消除過程之后進行，否則雜散點將會對平滑結果有顯著影響。

數據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，必須得到的數據進行簡化，使得簡化后的數據既保留了物體表面的有用信息，又在數量上大大降低，從而實現對數據的高效處理 。對數據簡化可以通過以下兩種方法來實現：第一種，在數據采集階段根據要求對數據進行簡化。在數據采集階段，我們可以根據分辨率要求以及被測物體表面的形狀對數據進行合理簡化。可通過調整豎直方向采樣間隔以及光帶圖像采樣間隔來實現。豎直方向采樣間隔越大，獲取的數據量就越小，同樣，在對光帶圖像進行采樣時，不必對每一個像素都進行計算，可以以一定間隔對光帶進行采樣，從而實現對數據的簡化。這種方法在數據簡化的效果上是十分可觀的，會使數據量成倍地下降，但是此時也會降低獲取數據的分辨率。第二種方法是在獲取數據的基礎上，利用一定的算法來實現對數據的簡化。根據數據密度的需要從中均勻剔除部分冗余點即可。經過上述處理后，數據點的位置會有所變動，但是由于采集到的數據十分密集，這種位置的變動不會導致曲線形狀的失真，只會使數據點變得更加平滑。

（五）殘缺數據補全

由于受到掃描對象、現場環境、掃描速度和時間等的限制，導致三維物體的某些部分獲取的數據不完整，比如眼窩，指（趾）縫，這種現象在被掃描對象的外形比較復雜（如女娃的腳底，發髻）這些洞的產生主要原因是因為由于較低的反射率、掃描儀位置設置（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行的。要提高工作的效率，就必須對該軟件的應用熟練掌握，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）對殘缺數據產生的空洞的處理方法可總結如下：

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）拓撲結構來構造三角面片。

2.根據重采樣原理，對采集得到的數據進行重新采樣，以便補齊缺損的數據。

3.在掃描過程中，盡可能在多視點的情況下進行掃描，以便獲取完整的數據。

4.利用體模糊的方法來對殘缺數據造成的空洞進行填補。

三、補間平臺的拓展與技術對接

在動畫制作時，在兩個關鍵幀中間需要做“補間動畫”，才能實現角色的運動。在傳統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，每一張都為下一張提供動作起點。“補間動畫”是計算機動畫出現后才有的概念，是指兩個關鍵幀之間的插補幀是由計算機自動運算而得到的過程。當標準偶（圖6）在3d-max或其他軟件重建后即可以對整個動畫進行補間制作了，動畫補間可以使動畫在觀影狀態下更為流暢和真實，也可以進行藝術化的電影語言描述（圖7）。例如蒙太奇鏡頭，人物面部特寫，環視，重復的節奏。他直接的降低了傳統拍攝的勞動量和物質成本。其中最主流的拓展設備是——動態捕捉儀。它可以通過在演員的頭、膝蓋、其他關節處貼好反光球捕捉點，演員按照導演指定的要求進行表演時把反光球的數據被攝像機捕捉后實時存儲到控制電腦里。動作捕捉技術不僅彌補了三維制作在角色動作調節上花費大量時間的弊病，更提升了三維藝術家把握作品藝術質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的看法還存在分歧，但運動捕捉在海外卻早已被廣泛應用，電影大片《金剛》《星球大戰》《角斗士》《極地特快》中都有運動捕捉技術的體現。運動捕捉技術能夠彌補動畫師創作經驗的不足，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、技術創興與局限性

動畫創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計與場景設計“脫離”了生理與物理規律，創作者可以充分展開自己的創意，任意揮灑創作靈感。但從另一個方面來解讀這種“脫離”，它仍舊是基于現實的生理規律與物理規律的，只是在規律上的夸張或簡化。恰如神話故事的產生，既是對現實世界的背離，又是對現實世界的反應。矛盾的狀態嚴重的考驗著動畫人的智慧，這種困惑也是激發動畫從業人員不停的創新實踐。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的嚴重考驗。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，這直接體現為影片的藝術質量的展現。

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

參考文獻：

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