基于虛幻引擎的交互動畫技術研究

本文以虛幻引擎作為交互動畫制作平臺，分析交互動畫實現的模型規范，影視語言表現技法以及達到電影畫面藝術效果的可能性。提出基于虛幻引擎的交互動畫技術和三維動畫制作流程架接，使動畫導演在所見即所得的環境下可以自由交互式的安排構圖、鏡頭運動、處理畫面效果，最終動畫企業生產效率獲得提高。

引言

動畫藝術從誕生到現在已經發展了100多年，20世紀20年代中國動畫開始起步，曾經也制作出了影響世界動畫史的偉大作品。1995年皮克斯工作室第一部三維動畫電影《玩具總動員》開創了動畫的一個新時代，從此三維動畫成為動畫產業的主流開始全面發展。三維動畫需要若干部門相互配合才能制作出來，三維動畫精美的畫面最后需要計算機集群經過漫長的渲染才能生成，一部動畫電影的制作時間與渲染時間是1：1，在當今信息高度發達的快餐文化消費時代這種制作方式顯然已不符合時代要求，我們需要一種不提高人力成本能夠快速生成與三維動畫相同畫面質量的生產方式和技術。

交互動畫概念與技術現狀

交互動畫是種新興的數字化的動畫表現形式，它是計算機多媒體技術、交互技術、網絡技術結合而逐漸形成發展而成。用游戲引擎來生產動畫作品也是交互動畫的一種，也叫“引擎電影”。結合三維動畫技術就可以運用游戲引擎的強大即時渲染能力和交互性來生成三維動畫的各個鏡頭內容。這將成為解決三維動畫影片生產效率的有效途徑之一。

實現交互動畫技術最關鍵的是游戲引擎，游戲行業流行的有數十種著名的游戲引擎，本文以虛幻引擎為例來實現交互動畫技術。首先，虛幻引擎是開發最早的引擎之一。現在全球有超過65%的3D游戲使用它來開發制作。其次，虛幻引擎是第一個向外部推出免費版本的大型游戲引擎。學習人群比較廣泛。最后，最新版的虛幻引擎4，集成了當前最先進的技術研究成果，易用性得到進一步的加強，而且全部免費，學習資源更加豐富。使用虛幻引擎開發游戲獲得收益后需要支付定的授權費用，但對于建筑模擬、可視化電影項目、承包項目和咨詢項目不需要支付版權費。

交互動畫技術實現路徑

1.實現交互動畫的模型規范

三維動畫和游戲內容都會包含場景、角色、道具等元素，這些元素統稱為“模型”，制作三維模型的工具有Maya、3DMax等軟件，而這些軟件也是三維動畫制作的主力工具，游戲引擎只需要用到它們的模型功能。兩者對模型的規范和技術要求不盡相同。以虛幻引擎來制作交互動畫的模型規范有以下幾個方面。

（1）由于多邊形可以任意拓撲所以模型的面數一定要合理分布。一般分為幾種情況：首先一般情況下，背景模型面數在5000面以內；單個道具模型面數在5000面以內；單個角色模型（配角）在10000面以內，主角模型在20000面以內。其次如果鏡頭有特寫或近景，道具面數在10000面以內，主角可以到50000面以內。最后所有的模型在制作過程中一定要做高、中、低三個等級面數的模型，這樣就可以根據景別靈活使用。虛幻引擎現在也能智能識別物體到鏡頭的遠近分別載入不同級別的模型。

（2）交互動畫在制作時定要用較低的模型面數通過法線貼圖來表達高面數模型的效果，因此低模布線和高模的匹配就成為一個很重要的問題。低模布線涉及前面所述的面數要求，也有UV的限制和外形的表現等多方面都會影響低模布線的合理性。由于布線更多的是主觀因素較多，總的來說要遵循以下幾點要求：首先，從剪影上看一定是圓滑的。因為法線貼圖無論如何都只是一個貼圖無法改變外形，所以要想低模加法線能很好的表現出高模的效果就要把低模的剪影外形做的圓滑，接近高模。其次，合理整理對角線使布線上不出現菱形，平行四邊形或者超級大鈍角；同時使對角線形成的面是凸面。然后，布線時盡量保證每個點的存在都能對外形起到作用。對外形沒有起作用的點要刪掉，對外形起作用的點應該使其作用充分。最后，交互動畫中模型的細節需要法線貼圖來表現，而法線貼圖通常都是低模在高模的基礎上烘培出來的，因此低模上正確的布線應該是高模和低模相互穿插。

（3）使用虛幻引擎做交互動畫時模型文件需要帶兩套UV，一套UV承載顏色貼圖，一套UV承載光照貼圖。這兩套UV對于模型的光影表現起到很大的作用，因此在模型制作時應該正確設置光滑組合理分配UV。光滑組和UV的分配緊密相關，光滑組的設置會直接影響UV的分配。光滑組的設置也會明顯的影響烘焙的效果。

（4）制作模型前檢查單位是否設置正確。以3DMax為例，它的默認單位與虛幻引擎的單位差別很大，Max以米或者毫米等國際單位為標準，虛幻引擎卻是自己的規則UU，所以我們要在制作模型的時候統一尺寸，外部顯示單位設為Meters；內部系統單位設1Unit=1.438cm。

（5）檢查模型坐標是否設置正確，首先檢查坐標是否歸零；其次檢查模型上的坐標軸是否符合拼接規律；最后檢查模型軸向是否正確。

（6）為每個模型制作碰撞體。碰撞體的制作應該遵循以下幾個原則：BOX與BOX之間應隔開一定的距離，不能穿插與重疊；BOX的各個面上的點必須4點共面；整個Collision的中心點必須與物體的中心點對齊；碰撞模型也必須按照一個特殊約定來進行命名。通過使用此約定，可以使得虛幻引擎自動檢測碰撞模型的存在并將其應用于靜態網格物體。

2.交互動畫中的影視語言表現

電影通過攝像機所拍攝出來的畫面來向觀眾講故事，如何把故事講好就需要導演運用電影鏡頭語言向觀眾表達故事情節。電影鏡頭語言主要有三種類型：首先是攝像機的運動方式，如推、拉、搖、移、跟等形式；其次是攝像機拍攝的景別，如遠景、全景、中景、近景、特寫等；最后是攝像機各個鏡頭之間銜接關系處理，也就是畫面剪輯，如淡入淡出、入畫出畫、疊、化、閃回、蒙太奇等處理技巧。一部電影一定是由鏡頭語言的綜合運用來呈現的。

在虛幻引擎中實現攝像機的運動方式主要通過調整虛擬攝像機的移動和旋轉屬性就可以實現，而且長鏡頭的跟拍效果只需要在要跟拍的人或物的屬性中添加虛擬攝像機組件就可以做到。在虛幻引擎中能夠實現虛擬攝像機的多種機位運動拍攝，那么就可以在引擎中任意地方無限多的放置虛擬攝像機，從而可以營造不同的景別關系為交互動畫增加藝術感染力。鏡頭焦距對于景別以及劇情表達也很重要。在虛幻引擎中解決鏡頭焦距可以在虛擬攝像機的屬性設置中找到鏡頭設置選項，下拉菜單中可以很方便的找到從12毫米到200毫米焦距的攝影機，甚至可以到無限大焦距，使交互動畫創作更靈活。

3.交互動畫中的藝術化效果處理

（1）畫面景深效果處理。景深有助于表現畫面的層次感，同時能夠突出拍攝主體。景深對于真實的電影拍攝只需要選擇正確的鏡頭并保持適當的距離就能達到理想的景深效果，而三維動畫可以用計算時間來換優質的景深效果，作為引擎就要審慎的使用景深計算。虛幻引擎的景深計算已經作了很好的優化，但一般景深效果選項處于關閉狀態，在虛擬攝像機后期特效選項中打開后效果不定是最好的狀態，需要不斷的調試和探索才能取得好的效果。通過本課題的項目實踐可以總結出在其他參數不變的情況下，對焦距離參數決定了清晰的位置。

（2）動態陰影與次表面光照效果處理。影視動畫作品中場景和角色是少不了的元素，角色在場景中活動和表演，他所產生的陰影就在和場景發生關聯，而且角色和角色的陰影也會互動。為了畫面更真實空問關系更明確，陰影也應該是動態的并且和各種元素互動。在三維動畫軟件中可以通過Shadow Mapping技術實現，但在自然界中光線是非常復雜的，這項技術不能很好的模擬出本影和半影，要實現真實的動態陰影要經過復雜的設置和漫長的渲染實現。在虛幻引擎中為解決動態陰影計算量的問題把陰影分為靜態陰影和動態陰影兩類，不活動的場景和物體采用預渲染的方式做成靜態陰影貼圖存儲在內存中共引擎調用，活動的角色和物體投影做成動態陰影進行細致計算還原出真實陰影，從而解決效率和質量問題。

次表面光照技術指光線射人半透明物體內部后發生散射最后射出物體并進入視野中產生的現象。在三維動畫中這種材質的物體非常多見，如樹葉、蠟燭、玉石、人體、動物等都具有這種特征。次表面散射材質是高質量渲染中最復雜的材質之一，為了更真實的畫面效果各大引擎和三維渲染軟件都有相應的功能與設置。虛幻引擎的次表面光照主要在材質編輯器中開啟。

（3）運動模糊與抗鋸齒效果處理。運動模糊是影視作品中很常見的效果，它是一種物理現象，由于攝像機與被攝體之間產生相對運動而造成的圖像模糊，因為有運動模糊才會使連續的畫面看起來相對平滑和順暢。三維動畫軟件與游戲引擎是通過計算虛擬的模型得到畫面，軟件渲染清晰的圖像很容易做到，但要計算運動模糊的圖像則需要經過復雜的計算得到。虛幻引擎要啟動運動模糊比較方便，只需到每個要產生運動模糊的虛擬攝像機屬性中打開Motion Blur選項即可，但選項中的數值調整需要根據具體情況細心調整。運動模糊效果只有在劇烈運動時才會比較明顯，所以調節參數時應該在運動的畫面下調整才能準確判斷；在靜止不動或輕微運動的鏡頭下可以不開啟該效果，增加交互動畫的實時性。

隨著計算機圖形圖像的產生，圖形圖像邊緣的鋸齒現象就一直存在著，為了獲得更好的圖像效果和細節就有了抗鋸齒的概念。對于三維動畫和游戲引擎來說，3D圖像中受分辨率的制約物體邊緣總會或多或少的呈現三角形鋸齒，而抗鋸齒就是對圖像邊緣進行柔化處理，使圖像更平滑更接近實物。可見抗鋸齒可以有效提高畫面藝術效果，特別是屏幕4K時代已經來臨，抗鋸齒就顯得尤為重要。目前抗鋸齒技術和手段已經進化到第四代，但在三維動畫軟件和游戲引擎上也還是要消耗巨大的計算資源來實現抗鋸齒效果。虛幻引擎的抗鋸齒是目前最新的技術，可以在虛擬攝像機屬性菜單選擇2種抗鋸齒主流算法。制作交互動畫時抗鋸齒要根據運行機器的性能以及畫面輸出分辨率慎重選擇，否則就容易造成畫面幀速率太低影響交互操作以及輸出畫面的連續性。

結論

技術創造生產力。隨著虛幻引擎創造的交互動畫技術不斷提升其所呈現的畫面質量也越來越高，雖說現在還不能完全超越好萊塢式大制作動畫電影效果，但對于TV動畫、微電影、動畫短片、電視廣告等行業的畫面只質量要求已經可以完全勝任。在國家提倡大力發展文化創意產業的背景下，推廣以交互動畫技術的方式創作影視藝術作品，就能夠滿足當前人們對快餐式文化消費的需求。

（作者單位：蘇州工業園區服務外包職業學院）

作者簡介：張宏波，男，（1979-），湖北隨州人，工程碩士，講師，工藝美術師，蘇州工業園區服務外包職業學院人文藝術學院教師，研究方向：三維動畫，游戲引擎。

項目基金：蘇州工業園區服務外包職業學院科研課題“基于虛幻引擎的交互動畫技術研究”（項目號：ky-xiy302）；