3D渲染技術制作2D動畫效果的研究

[摘 要] 很多3D動畫過分追求真實感，往往失去了動畫片的畫面感及表現力。3D電腦動畫制作技術制作的2D動畫效果的實現可以通過MAYA軟件中的卡通渲染方式結合建模方式、卡通著色器、輪廓線著色三種制作技法，能夠得出理想2D的渲染效果。

[關 鍵 詞] 3D渲染；2D動畫效果；卡通渲染

[中圖分類號] G718 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）10-0106-02

動畫片發展至今已有一百多年的歷史了，早期的動畫片制作一直以手繪為主，從20世紀90年代開始3D電腦動畫出現并快速發展并以其畫面更加真實細膩、制作周期較短、成本較低等優點逐漸占據了主流動畫片市場。很多3D動畫過分追求渲染出現實世界的真實感，以至于丟失了動畫片在藝術方面夸張與想象的畫面感以及單純的2D繪畫帶來的視覺表現力。

其實從3D電腦動畫制作技術發展初期，就有很多人嘗試把3D電腦動畫制作技術應用到2D動畫制作過程中以縮短制作周期以及表現一些用手繪難以制作的特殊鏡頭動作，于是用3D電腦動畫制作技術制作的2D動畫效果應運而生，并逐漸發展為新型的2D電腦動畫制作流程中的一個重要組成部分。從最早的日本動畫片《GOLGO13》最先使用了這一技術之后，到后來的《美女與野獸》《鋼鐵巨人》《幽靈公主》等，都使用了這一技術并逐漸發展成熟，但是一直到現在都無法跟手繪的畫面相媲美。

一、2D動畫與3D動畫

（一）概念

2D動畫是依靠場景和人物的平面繪制，做成一幅一幅的圖片然后連續起來成為動畫，3D動畫則是使用3D設計軟件進行人物場景的建模，再進行連續的動作形成動畫。

（二）2D與3D動畫的區別

2D動畫和3D動畫從制作過程來看最主要的區別是視角是否可以任意旋轉，主流的2D動畫（不包括平面材料動畫）和3D動畫（不包括立體材料動畫）還有以下幾點主要區別：

1.制作效率：一部高品質的2D動畫電影制作周期一般為四年，而3D動畫電影制作周期則一般為兩年。

2.效果：2D動畫由于是逐幀繪制的，制作碰撞、布料、吃食物、切割、大幅度夸張變形等動畫效果有較大優勢；3D動畫由于計算機自動生成，所以制作透視變化效果、光影變化、群組動畫、爆炸效果、云霧、毛發等有動畫效果較大優勢。

3.場景和角色的處理方式：由于2D動畫手繪透視變化效果時很難應用在場景上，通過以角色的透視變化來豐富畫面，因此場景繪制的色彩層次豐富，角色相對色彩層次較少；3D動畫由于使用計算機技術的可以自動計算出發生透視變化的效果，因此場景和角色的色彩層次都可以很豐富。

4.對質感的表現：2D動畫很難表現出真實的質感但是畫面藝術感很強；3D動畫可以表現出所有能夠想象出來的質感，真實感很強但是缺乏藝術性。

5.經費支出：2D動畫制作經費在人員、拍攝費用上支出較高；3D動畫制作經費在計算機應用方面支出較高。

不難發現如果能用3D動畫制作實現2D動畫效果，既能縮短制作周期，任意旋轉視角，增添2D動畫角色的色彩層次，又能彌補3D動畫在藝術性上的不足，還可以節省制作經費，一舉多得。

二、軟件及渲染方式

（一）3D電腦動畫制作軟件

3D動畫制作中最基本的能呈現2D渲染效果的技術是一種名為非真實性渲染（Non Photorealistic Rendering）的渲染技術。能夠制作這種效果的3D動畫制作軟件主要有MAYA，3DS MAX， Softimage 3D ，LIGHTWAVE 3D 等軟件。其中Softimage 3D軟件的優點主要是mental ray超級渲染器和優秀的動作控制，3DS MAX以豐富的建模和動畫能力和出色的材質編輯系統著稱，LIGHTWAVE 3D主要用來制作以假亂真的場景，MAYA是擁有全新構架的全能型動畫制作軟件。由于3DS MAX、Softimage 3D、LIGHTWAVE 3D三款軟件更適合用來制作真實感較強的動畫，所以選擇適合制作2D渲染效果的軟件MAYA來進行研究。

（二）渲染方式

渲染是一種把2D平面視角下的看到的物體通過添加陰影高光以及色彩變化等因素后從而體現物體的立體感和真實感的一種電腦3D軟件運算過程。其中代表性的渲染方式有線框襯著渲染（Wireframe Rendering）、光線跟蹤渲染（Ray Tracing Rendering）、光線投射渲染（Ray casting rendering）、全局照明渲染（Global illumination rendering）、非真實性渲染NPR（Non Photorealistic Rendering）五種。

其中，非真實性渲染就是不追求物體的真實感，而是追求達到人們手繪繪畫感覺的一種渲染方式，按照手繪用的工具以及風格的不同，分為線條、鋼筆墨水筆、卡通、繪畫、水墨畫、水彩畫、圖像馬賽克、插畫等。

動畫制作中常用制作方式就是3D建模后進行非真實性渲染中的卡通渲染來制作較為復雜的場景及動作鏡頭，來達到手繪難以做到的鏡頭效果。卡通渲染是把線條很硬的給人感覺冰冷的3D電腦軟件模型通過特殊的渲染方式變成線條柔軟的有像漫畫一樣的感覺的2D繪畫的一種技法。卡通渲染核心理論是把最亮和最暗的部分分成幾個層次用不同亮度的顏色來表現的渲染方式與輪廓線用深色描繪的2D動畫制作方式類似的渲染技法結合后表現出2D平面動畫的畫面感。

由于當下主流的2D自動化制作風格主要以單線平涂再加上陰影高光的寫實類為主，非真實性渲染中的其他渲染方式并不符合這種風格，而大多數動畫制作中所使用的卡通渲染技術并不能滿足當下觀眾對于動畫畫面品質的要求。

三、設計思路及方案

（一）設計思路

卡通渲染的特征就是復雜的立體面的單純色塊化以及帶有深色的輪廓線，為了達成這樣的效果，在3D制作軟件MAYA里面來進行制作的話，通常需要軟件中的漸變著色器（Ramp Shader）， 表面著色器（Surface Shader）和矢量渲染（Vector Rendering）方式相結合，從而呈現出卡通渲染效果。在此基礎上，如果將輪廓線單獨提取出來用表面著色器（Surface Shader）將輪廓線的顏色改變或者通過給輪廓線貼圖方式就能有又更多種多樣的表現方式，從而更好地達到2D動畫要表現的效果。

（二）設計方案

1.建模方式

在3D電腦動畫制作軟件MAYA里面有三種主流建模方式，分別是多邊形建模（POLYGON）、曲面建模（NURBS）和細分建模（SUBDIVISION SURFACE），其中為了能使用卡通著色器（Toon Shader），除面部以外都使用邊形建模（POLYGON）來創建模型。由于面部線條較多，又是動畫中著重表現的部分，通過對比，用卡通著色器（Toon Shader）效果并不理想，于是人物面部建模改用曲面建模（NURBS）。

由于面部使用了曲面建模（NURBS），導致了人物表情就無法用傳統的多邊形建模（POLYGON）添加動作控制器的方法來制作，于是人物表情也相應地改用貼圖映射（Texture Mapping）的方式來制作，也只有這種制作方式，才能制作出一些特殊的卡通化的表情。

2.卡通著色器

卡通著色器（Toon Shader）是在漸變著色器（Ramp Shader）、表面著色器（Surface Shader）的基礎上通過MAYA軟件中的超級著色（Hypershader）功能來制作的，除了漸變和表面著色器之外，還需要用到雙面材質（SamplerInfo）、condition節點、clamp節點、Lambert材質等工具。通過各種工具相互連接、相互影響以及參數調整，制作出有卡通渲染效果的卡通著色器（Toon Shader）。

3.輪廓線著色

在新版本MAYA軟件里面，有專門添加顯示輪廓線的命令，而且添加的輪廓線本身的屬性也能夠調整，在此基礎上也能夠添加輪廓線顏色或貼圖，并調整參數以后可得到理想的輪廓線描繪效果。

通過以上三種制作方式混合使用后，能夠達到理想的2D渲染效果。

本論文中研究的方法能夠實現在動畫制作過程中，通過3D電腦建模軟件的2D渲染方式，突破傳統意義上的2D動畫在空間描繪上的限制，使動畫不但有視覺沖擊力很強的大場景任意旋轉視覺效果，而且還有2D平面動畫片的手繪視覺效果，同時降低了制作成本、縮短了制作周期。在2015年上映的劇場版動畫《蒼穹的法芙娜》《亞人》等影片中，大量運用了2D渲染技術，效果都很好，但也存在表情僵硬等缺點，如果運用本文中提到的制作方式，將能夠達到更好的效果。