三維動畫中的科學與藝術

軒丹陽 鄭州城市職業學院

三維動畫中的科學與藝術

軒丹陽 鄭州城市職業學院

從個人計算機的出現開始，三維動畫就出現在歷史舞臺上。在傳統的二維動畫的藝術表現形式上，加上計算機的科技表現，三維動畫是一種新的藝術科學化的表現手法。計算機在三維動畫方面包含了硬件、軟件、基礎科學等領域。大規模的集成電路計算機的問世宣告了個人計算機的時代來臨，面向對象的編程模式將復雜的工序模塊化，基礎科學的研究為計算機圖形打下了堅實的基礎。而這所有這一切的結合奠定三維動畫的來臨。

計算機 三維動畫 科學 藝術

1 三維動畫發展史

由于三維動畫源自于電影CG特效，所以需要從電影行業開始說起。20世紀七十年代，隨著個人計算機的普及，計算機開始與電影行業產生交集。1975年，當時的電影行業還沒有電腦特效，盧卡斯為了拍攝第一部《星球大戰》，組建了ILM（工業光魔）。在拍攝中使用了動作控制攝影機，利用電腦系統精確控制攝像機拍攝，并記錄攝像機運動數據的技術，且使用了電腦同步和藍幕拍攝技術。在1977年，《星球大戰》取得了前所未有的成功。雖然這部片子里沒有使用任何數字元素，但是表明了電影開始走上數字之路。1982年，工業光魔發明了一種名為源序列的電腦處理方法，并應用于科幻電影《星際迷航：可汗之怒》上，這是電影史上第一個完全使用電腦制作的場景。1985年，工業光魔在《年輕的福爾摩斯》中，制作了第一個電腦生成的角色：彩色玻璃人。1989年，工業光魔為《深淵》制作了第一個三維角色。

在20世紀80年代，電影與計算機交織的過程中，迪斯尼作為動畫行業的領導者，率先在1982年的《電子世界爭霸賽》中運用了CG特效，但是卻沒有后續深入發展。而盧卡斯曾經在工業光魔內部成立了一個計算機部門，專門研究計算機特效。但是于1986年，他賣掉了這個計算機部門。正好被當時董事局逼著離開自己親手創辦的電腦公司的董事長——喬布斯接手，并成立了如今的皮克斯動畫工作室。經歷了很長一段時間內的虧損，皮克斯動畫工作室完成了第一部三維動畫短片《跳跳燈》。這時，三維動畫在經歷各種波折后才正式登臨世界，并伴隨著科技的進步快速的發展。

2 三維動畫中的科學

三維動畫的技術源自計算機科學、基礎科學等，從技術類別上，我們可以將目前三維動畫中的技術分成三類：基礎科學、計算機科學、機械。

2.1 基礎科學

基礎科學是指數學、物理等基礎性學科，其中數學是關鍵因素，在三維動畫中，主要應用范圍有：流體模擬，如水，煙，火；動力學模擬，如毛發，破碎等；圖形處理，如濾鏡，渲染等。

在三維的特效制作中，通過對大自然現象的研究，用數學公式模擬出各種自然現象。水的流動，煙的絲滑，火的跳動，均是通過各種表象為不同參數的數學公式來實現。而在破碎、毛發等自然運動方面，則是對自然中的運動規律進行了數學量化，使用數學公式對物體的運動進行了模擬。

在三維渲染成二維圖像中，數學又充當了圖像繪制的工具，將三維模型采樣，并通過著色模型，計算成二維的圖像，如簡單的Lambert材質的數學模型：I_diffuse=k_d I_l cosθ其中I_diffuse為反射光的光強，k_d為漫反射洗漱，cosθ為入射光與反射點上的表面法向量的夾角余弦。

2.2 計算機科學

由于三維動畫的制作載體是計算機，所以計算機科學對于三維動畫的影響是至關重要的，我們可以將其分為：硬件和軟件。

硬件即我們的計算機，在三維動畫中，主要應用于制作、存儲、渲染、傳輸等方面。制作方面主要是指制作用的計算機，主要指標是計算性能，性能越好，在單位時間里的制作速度就越快。存儲方面主要是指存儲數據用的服務器，主要指標是存儲承載能力，穩定性，安全性，保密性和可擴展性。三維動畫的所有資產均保存在存儲上，用于所有制作人員協同制作。數據的存儲量每時每刻都在增加，存儲在寫入和讀取時的穩定性影響了協作的持續性。存儲的安全性則可以保證在存儲出現故障時，數據的可還原性。在協同合作中，保密性保證了三維動畫在上映前不被外流等權限問題。而可擴展性影響了存儲對于各類規模資產的支持性。

軟件方面主要是指各類制作、流程管理用的軟件，主要指標是交互性，穩定性，可擴展性等，如Maya，3dsMax，Houdini，ReadFlow等。三維動畫軟件的發展過程中，綜合性大型軟件慢慢分化成更加專業的各個工序的制作軟件，如現今流行的ZBrush——專業的模型雕刻軟件，Mari——專業的三維貼圖繪制軟件，Katana——專業的燈光軟件。它的專業細化，直接表現了現代三維動畫對于質量的提升需求。

2.3 機械

三維動畫中的機械方面主要是指各類的動作捕捉、表情捕捉的機械工具。在三維動畫的發展歷程中，為了追求更加自然的動畫效果（夸張的表現手法也是基于自然），藝術家們從生物力學研究領域引進了動作捕捉工具，并發展出了表情捕捉的機械工具，如早期的《最終幻想》中尤娜的舞蹈采用的是機械式動捕，再到2012年的《阿凡達》全程采用的光學動捕設備。

3 三維動畫中的藝術

三維動畫是一門獨特的，極具個性化的藝術表現形式。我們著重對視覺上的藝術進行分析。（注：現在的一些4D、5D短片主要是通過增加一種感官，如觸覺，這里只討論現今的普遍類型，并不包括此類短片。）三維動畫視覺藝術繼承了傳統繪畫藝術的所有特點，并在此基礎上增加了時間的概念。所以它可以被稱之為二維藝術的拓展。由于“維度”的增加，使得三維動畫的藝術表現形式產生了質的變化。

三維動畫的最終輸出是視頻。視頻是由一系列的圖片經過一定的算法壓縮后形成，它的原理實際上還是古老的“視覺暫留”，只不過形式由物理的紙片或者膠片轉型成計算機內的圖像數據。播放器將壓縮形成的圖像數據按照一定幀速率輸出就形成了視頻，所以三維動畫最終的文件是有一系列的、具有藝術效果的連續圖像組成的。

繪畫藝術中的線條，色彩，明暗，構圖以及形狀等藝術表現都適用于三維動畫。如單根線條在繪畫中的表現手法一般集中在線條的粗細變化以及曲度，而多根線條除了單根的表現效果外，再加上多根線條的疏密以及引導方向可以形成更加豐富的藝術效果，如圖：

我們可以看出單條線條和多條線條所能表現的藝術效果。單條線條的美感僅在于線條本身和線條本身所要表現的形狀結構，而線條的增加，卻在表現內容上產生了質的飛越——空間的表現能力。但是無論是單條還是多條線條，所能表現的內容都是靜態的，卻無法真正表現出“變化”的魅力，而三維動畫的出現，正好彌補了繪畫中的缺陷。

三維動畫相對于繪畫，其核心在于動態的藝術，動態的根本在于時間，最終歸結于時間的藝術。時間的形成賦予了繪畫能夠講訴過去，現在以及未來的能力，它是一種講述故事的藝術。所以故事的好壞以及講述的方式成了三維動畫藝術效果的決定因素。我們可以將故事的內容按照應用的領域做一個分類：故事闡述、產品介紹和視覺吸引。

3.1 故事闡述

故事闡述是三維動畫最初形成的原因，它的旨意在于通過藝術的方式將某個故事通過視覺傳遞給觀眾。故事闡述我們可以細化為畫面的美感和節奏。畫面即繪畫，對美感的研究已經非常成熟，所以這里著重介紹節奏。

現今的三維動畫中，很多人往往追求更美的畫面感，卻忽略了節奏。在畫面達到基本的美感要求后，節奏將起到重要的作用。在三維動畫中，節奏從微觀的角度具象表現為對象（人，動物，特效等）的動作，鏡頭的運動等；宏觀上來說，表現為劇情的跌宕起伏，畫面的冷暖、明暗變化等。好的鏡頭運動、自然的人物動作對于三維動畫的加分往往比畫面的美感更直接，因為快速播放的畫面里動作比畫面更具感官性，而劇情的跌宕起伏（很多影片劇情簡單，但是劇情的節奏把控非常好）直接影響了觀眾對于整個片子的融入深度。畫面的冷暖、明暗變化引導觀眾在觀看時的情緒，為整個劇情的氣氛烘托起了至關重要的作用。

3.2 產品介紹

產品介紹主要應用于工業、軍事等行業，它的藝術性主要體現在對某一對象（產品、事件等）的介紹。在達到基本的藝術效果后，將重點放在對象的本身，如外觀，功能，事件指引、描述等視覺引導和講解的作用。所以真實和準確是它的藝術著重點。

3.3 視覺吸引

視覺吸引是一種速效的藝術表現形式，沒有產品介紹的具體對象，也沒有故事闡述的劇情內容。它的主要作用在于吸引觀眾的眼球，表明自己的立場，如三維廣告有快速絢麗的視覺效果，在同樣服務對象的情況下，最短的時間里吸引更多的觀眾是它的意義。所以視覺吸引的藝術一般表現為絢麗的畫面和強烈的節奏。

4 科學與藝術的結合

藝術的發展源自于科學的分析法，如繪畫中的透視法就是經過科學的分析，將數學幾何透視應用于繪畫藝術表現。所以藝術的發展離不開科學的進步。或許有些人可以從盧梭的《論科學與藝術》中提出各種歷史案例來反駁，但是從歷史的宏觀角度來說，藝術發展的過程中，每一次的巨大變革都離不開科學的分析法。

十五世紀的文藝復興，藝術家們在復興古希臘藝術模仿自然的學說同時，也開始研究幾何學、透視學、解剖學。借以解決用繪畫來模仿自然事物、三維空間和人物形象的逼真問題。畫家對再現自然的科學探討，表明了文藝復興的科學理性精神在繪畫中所起到的重要作用。

而現今的三維動畫，正是科學與藝術發展到一定階段的產物。通過科學的工具，以更豐富，更快，更精確的方式呈現藝術。三維動畫技術，讓藝術家從繁重的工具和繪畫技巧中解放，將更多的精力拖入到藝術創作。

5 小結

在寫這篇論文的時候，經朋友的推薦，特地去看了盧梭的《論科學與藝術》，卻發現里面闡述的觀點和著重點并非合乎我的本意，所以只好重新整理自己的觀點。藝術家可以借助科學的工具更加深入對藝術的研究，而非專業人事也可以借助科學的工具將自己對藝術的理解展示出來。科學將藝術從工具和技法中解脫。

[1]盧梭.論科學與藝術.上海人民出版社,2007

[2]孫立軍.動畫藝術辭典.中國國際廣播出版社,2003

[3]艾薩克·克勞.三維動畫與特效技術完全教程.上海人民美術出版社,2010

[4]張順燕.數學·科學與藝術.北京大學出版社,2014

[5]布林克曼.數字合成的科學與藝術.清華大學出版社,2011