三維動畫模型設計探究

于兵科

摘 要 三維動畫是借助計算機技術發展起來的動畫表現形式，它的理論來源依然離不開傳統視聽語言理論，一部優秀的三維動畫片離不開成功的模型設計，在進行模型設計時不僅要考慮動畫模型的藝術性，還要考慮三維模型制作的技術性，因此三維動畫模型設計是二者相互融合的產物。

關鍵詞 三維動畫；模型；結構；布線

中圖分類號TP39 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2015）145-0068-02

三維動畫模型設計有它自己的獨特性，不同于其他三維模型，如，三維掃描模型、工業設計三維模型、建筑三維模型、游戲模型等，它對模型的要求是依據動畫和鏡頭的需要來決定的，不由模型本身決定。

1 三維動畫場景模型設計

1.1 Matte Painting三場景模型

三維動畫場景在制作設計中也借鑒了二維動畫的場景的設計方法，在分鏡頭設計中對只有“推”、“拉”、“搖”（小于45度）單純的鏡頭變化情況下，場景模型可以考慮使用帶有Alpha通道的多邊形面片代替，如果，將其制作成實體三維場景模型，那會對有效系統資源是巨大浪費，這種制作方式被稱為Matte Painting（數字繪景），這一技術最早出現于1911年，目前，隨著計算機圖像技術（CG）的飛速發展，以前所使用的“玻璃板”已被現如今的計算機圖像“層”的概念所替代，由于它的高仿真性和高效性常被虛擬現實電影所青睞，彼得杰克遜導演的電影《魔界三部曲》、《金剛》、《霍比特人》，詹姆斯卡梅隆導演的電影《終結者》、《阿凡達》等都采用了這一技術，在Matte Painting中的場景模型制作，不需要制作模型的全貌，也不需要對不同場景模型作分割處理，也無嚴格的布線要求，只需根據攝像機鏡頭視角，對場景模型結構做簡單的凹凸處理，重要的是需要有精確的Alpha遮罩通道和與之匹配的高質量圖像貼圖，將遠近不同的多邊形片狀模型，錯落有致的排開，使其產生視覺上的層次感，通過虛擬3D攝像機推拉鏡頭的應用產生可視模型間的縱深感，應對此類Matte Painting鏡頭場景，這種模型制作方法不失為簡單而高效。

1.2 虛擬現實三維場景模型

虛擬現實是計算機模擬現實環境，通過特殊的裝置（虛擬現實頭盔、眼鏡、手套、操縱桿等）使人沉浸在完全虛擬的環境中，環境中的所有物件全為三維模型，如，樹、草、房屋、電線桿等等。

虛擬現實三維場景要求場景中所有的物體觀看視角是不受限制的，可以任意角度查看，也就是360度無死角，要求場景內所有可見模型都是三維模型，而非多邊形面片，這種模型是完全模擬或參考現實生活中的實物模型建造的。在設計和制作中需根據近景、中景、遠景要求決定模型的細節制作程度，制作需要有合理的布線，以最少的模型面數體現結構細節。由于整個場景均為有體積的虛擬模型，虛擬攝像機在三維場景中運動不受限制，可以游走場景的任何角落，由于場景中多為有體積的模型，對系統資源消耗較大，這就要求最大限度的降低多邊形面數，減少貼圖的尺寸，提高有限資源的使用率，由于精簡了模型和貼圖，當模型被拉近時，模型材質會變模糊，出現馬賽克的不真實情況在所難免。

2 三維動畫角色模型設計

三維動畫角色不同于二維動畫角色設計，制作時不受制作技術的限制，三維動畫角色在設計時，首先要考慮的是其技術掌握程度、項目開發周期、資金配置的因素，否則，即使設計出來也不一定能如期制作完成，如，毛發、布料、sss材質、光線追蹤渲染等相對復雜的技術，對于毛發、布料制作在技術上已遠遠超出了動畫師的技術可控范圍，這部分需和特效制作部門配合，如果技術水平、資金預算有限，在前期的角色設定時應做相應的變通處理，將其控制在技術、資金、時間允許范圍之內，不然會給后續工作帶來麻煩和不便。

三維角色模型制作有自身的規則，根據計算機Mesh網格線的特性，在制作三維動畫角色時需保證在各個關節連接處最少有三圈連接線，作為動畫模型運動變化時鎖定形體結構的基線，只有這樣的模型在制作動畫時，運動的形體結構才能正確得以表現。

布線是三維模型制作不可忽略的技術要點，在滿足模型藝術表現的情況下，能最大限度的節約系統資源是三維動畫模型最基本的設計原則，合理的模型布線不僅節約了數據資源，還便于形體結構的表現。怎樣才能做到布線合理：

1）要充分了解形體結構，布線隨著形體轉折結構分布，如果模型是角色（人、動物）要與角色肌肉運動的方向一致，這樣便于動畫流暢平滑的控制與表現。

2）形體關鍵部位要有足夠的布線，線的疏密直接影響的可控制點的數量，豐富的動畫細節表現與控制點數量息息相關。

3）三星點、五星點的處理要得當。在三維模型中特別是對于復雜的形體，三星點、五星點出現是難以避免的，因此，對動畫骨骼設置要有一定了解，也就是要知道運動原理和方式，以便更好的控制目標體模型。

在設計三維動畫角色模型時，不能簡單的要求將模型的外形結構制作出來，還應了解多邊形運動變化的規律，并按規律制作模型才能更好的應用于后續動畫制作，使其成為合格的動畫角色模型。

3 三維模型燈光、材質、渲染

燈光對于三維模型來說尤為重要，燈光的強弱、冷暖對于場景模型的間時空關系及角色模型性格塑造都至關重要，完整的三維動畫模型是有材質的，材質主要用于表現虛擬現實物體表面的質感，不同的材質在心理上會給觀眾帶來不同的感受。在三維動畫模型中所有的燈光都是根據自然界現實情況進行模擬的，最長用的燈光模擬方法是三點光源法，一盞主光源，兩盞輔燈，主燈在燈光陰影處理上要強于輔光燈，輔光陰影在處理時要么將其陰影屬性關掉，要么降低陰影邊緣強度，若要追求更加真實的陰影效果，就使用HDR高動態范圍圖像的光線追蹤陰影，將其產生的軟陰影作為區域陰影細節處理，可較大的提高圖像仿真度。

模型的材質主要有兩種方式產生：一是通過UV劃分將繪制或修改后的照片作為貼圖生成模型的材質；二是通過計算機程序產生紋理模擬模型材質，兩種材質產生方法各有優劣，第一種的優點是仿真程度高，不足是需要劃分UV操作繁復，項目文件大，耗費資源，第二種的優點是操作便捷，無需劃分UV，文件量小，節省資源，不足是仿真度低。兩種材質處理方式結合使用效率最高，對于主體物件使用貼圖方式，如，房屋、樹木、道具等，對于次要物件，如，水、草、遠山等，結合使用即可保證較高的仿真度，又可節約系統資源。

渲染是影視制作的獨特方式，在游戲、虛擬現實中沒有渲染這一環節，所有圖像都是所見即所得的，所示圖像都是依靠計算機GPU（圖像顯卡）即時計算處理得來，無需后期合成處理，渲染主要針對的是影視行業，由于行業特點，與游戲相比它對圖像的質量要求較高，也更為嚴格，通常渲染要分層，分通道，要經過后期特效、剪輯、合成，輸出等環節。

4 結論

三維動畫模型的設計有其自身的獨特性，既要滿足當前計算機技術的發展現實要求，又要滿足模型形體、比例、結構的合理性要求，還要滿足動畫本身的運動規律要求，制作的三維動畫模型，既要細節豐富，又要最大限度的節省計算機有限的資源，滿足上述條件方可算得上是一件合格的三維動畫模型產品，一部好的三維動畫片，優秀的模型設計是其成功的重要條件之一。

參考文獻

[1]賈否.動畫運動[M].北京：清華大學出版社，2000.

[2]趙江洪.設計心理學[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[3]王炳耀.人體造型解剖學基礎[M].天津：天津人民美術出版社，2001.

[4]喬治·伯里曼.伯里曼人體結構繪畫教學[M].曉歐，辛昕，小野，譯；南寧：廣西美術出版社，2002.