基于三維圖形引擎的動(dòng)畫創(chuàng)作探究

文/常姣姣 張國龍

1.三維圖形引擎

三維圖形引擎發(fā)展至今超過20年，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)使用最為廣泛的商用引擎。不論是在PC游戲，主機(jī)游戲，移動(dòng)平臺游戲，VR游戲甚至是地產(chǎn)設(shè)計(jì)、工業(yè)仿真模擬，軍事等領(lǐng)域都有著數(shù)量眾多使用三維圖形引擎的作品。也有越來越多的開發(fā)者轉(zhuǎn)入三維圖形引擎的開發(fā)隊(duì)伍中。

2.主流三維圖形引擎

目前，大批的游戲特效和影視特效公司開始著重于三維圖形引擎的研究，自主開發(fā)了一批應(yīng)用軟件。5款主流虛擬引擎分別是ORGE引擎、虛幻引擎Unreal Engine4、Unity 引擎、Gamebryo引擎以及Bigworld引擎。其中，ORGE引擎屬于免費(fèi)的開源引擎，其余 4款引擎屬于收費(fèi)的商業(yè)引擎。

從基本功能上對比:OGRE引擎為固定渲染通道、渲染紋理、字體、圖形用戶界面；光源系統(tǒng)屬于著頂點(diǎn)、著像素、光照映射；場景管理是普通方式、BSP、遮擋剔除、LOD、Octree；紋理系統(tǒng)屬于基本紋理、多重紋理、凹凸紋理、投影紋理、體紋理；物理系統(tǒng)是碰撞檢測和缸體；虛幻引擎Unreal Engine4為固定渲染通道、渲染紋理、字體、圖形用戶界面；光源系統(tǒng)屬于著頂點(diǎn)、著像素、光照映射；場景管理是普通方式、BSP、基于入口的可見性判別、遮擋剔除、PVS、LOD；紋理系統(tǒng)為基本紋理、多重紋理、投影紋理；物理系統(tǒng)為碰撞檢測、剛體和車輛物理學(xué)；Unity引擎為固定渲染通道、渲染紋理、字體、圖形用戶界面；光源系統(tǒng)為高度完善的光影渲染系統(tǒng)；場景管理為普通方式、BSP、遮擋剔除、LOD、PVS；紋理系統(tǒng)屬于基本紋理、多重紋理；物理系統(tǒng)為內(nèi)置PhysX物理引擎；Gamebryo 引擎為固定渲染通道、渲染紋理、字體、圖形用戶界面；光源系統(tǒng)為著頂點(diǎn)、著像素；場景管理為多線程管理系統(tǒng)、PVS；紋理系統(tǒng)屬于基本紋理、動(dòng)態(tài)紋理；物理系統(tǒng)為整合PhysX系統(tǒng)到Gamebryo中；Bigworld 引擎為固定渲染通道、渲染紋理、字體、圖形用戶界面；光源系統(tǒng)為著頂點(diǎn)、著像素；場景管理為四叉樹、支持室內(nèi)室外環(huán)境的無縫銜接；紋理系統(tǒng)屬于基本紋理、多重紋理；物理系統(tǒng)為簡單的物理系統(tǒng)；

動(dòng)畫交互功能對比:OGRE引擎動(dòng)畫系統(tǒng)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)、骨骼動(dòng)畫、Skeletal-Ani、運(yùn)動(dòng)混合、Blending；人工智能系統(tǒng)不支持；虛幻引擎Unreal Engine4動(dòng)畫系統(tǒng)支持關(guān)鍵幀動(dòng)畫、骨骼動(dòng)畫、動(dòng)畫混合；人工智能系統(tǒng)支持尋徑、決策、有限狀態(tài)機(jī)、腳本；Unity動(dòng)畫系統(tǒng)支持DCC等工具導(dǎo)出生成的動(dòng)畫、腳本控制動(dòng)畫播放；人工智能系統(tǒng)不支持，需要編寫腳本AI；Gamebryo引擎支持骨骼動(dòng)畫、面部動(dòng)畫、層級動(dòng)畫、動(dòng)畫序列、動(dòng)畫與物理模擬結(jié)果的混合、動(dòng)畫序列之間的混合；支持人工智能系統(tǒng)，利用XaitmentAI中間件提供人工智能；Bigworld引擎支持四骨以上的復(fù)雜骨骼動(dòng)畫；支持人工智能；

各引擎特效功能對比:OGRE引擎特效功能支持環(huán)境映射、鏡頭光斑、布告板、粒子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)模糊、天空盒、水霧特效；不支持音效；不支持網(wǎng)絡(luò)；虛幻引擎Unreal Engine4支持鏡頭光斑、布告板、粒子系統(tǒng)、天空盒、水、爆炸效果、貼花、霧、鏡頭特效；支持2D、3D音效；網(wǎng)絡(luò)支持CS模式；Unity引擎特效粒子系統(tǒng)、曲面Fessellation技術(shù)、凹凸紋理貼圖、多邊形曲面光照效果、環(huán)境光效果、水特效；支持實(shí)時(shí)三維圖形混合音頻流、視頻流；從單人游戲到實(shí)時(shí)多人游戲網(wǎng)絡(luò)；Gamebryo引擎支持粒子系統(tǒng)、HDR、DOF、常見特效；使用Audiiokinetic開發(fā)的Wwise音頻中間件；模塊化、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)庫；Bigworld引擎支持大量景深局部對比、增益、爆炸、煙霧特效；基于多普勒效應(yīng)的音頻處理；網(wǎng)絡(luò)支持CS模式、服務(wù)器使用RedHat版的Linux。

各個(gè)三維圖形引擎都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，很難用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來衡量性能的好壞。經(jīng)過多年的發(fā)展，利用三維引擎技術(shù)制作出了很多成功的案例。

3.傳統(tǒng)三維動(dòng)畫制作方式

傳統(tǒng)的動(dòng)畫制作技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)從單機(jī)渲染技術(shù)推進(jìn)到網(wǎng)絡(luò)渲染，并且各個(gè)城市也建立了自己軟件園區(qū)的渲染農(nóng)場供企業(yè)使用。現(xiàn)今，三維圖形引擎制作動(dòng)畫能夠更加快速地對修改的模型場景燈光進(jìn)行判斷，三維圖形引擎具有即時(shí)渲染技術(shù)，方便實(shí)時(shí)地對光影效果，材質(zhì)質(zhì)感、特效效果進(jìn)行修改，節(jié)約大量的渲染時(shí)間成本，從而提高了對光影材質(zhì)判斷修改的時(shí)間，更容易得到優(yōu)秀的作品。傳統(tǒng)的3D動(dòng)畫制作流程是以Maya為制作平臺搭配其他DCC和渲染器輔助的流程，這個(gè)流程被大多數(shù)動(dòng)畫公司采用。這個(gè)流程簡要來說是模型、綁定、動(dòng)畫、材質(zhì)、燈光、渲染一系列順序流程，以Maya為主，其他DCC輔助是一個(gè)線性非破損流程。這個(gè)流程下的好處是工藝成熟，可控性高，人才儲(chǔ)備豐富，在現(xiàn)有人才結(jié)構(gòu)下運(yùn)轉(zhuǎn)良好，團(tuán)隊(duì)磨合好，戰(zhàn)斗力很強(qiáng)。缺點(diǎn)就是技術(shù)決定了團(tuán)隊(duì)環(huán)節(jié)多，規(guī)模大，渲染后的修改需要之前流程重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)一次，修改成本大，團(tuán)隊(duì)的磨合成本高。現(xiàn)今，三維圖形引擎制作動(dòng)畫能夠更加快速地對修改的模型燈光進(jìn)行判斷，三維圖形引擎具有即時(shí)渲染技術(shù)，方便實(shí)時(shí)地對光影效果、材質(zhì)質(zhì)感、特效效果進(jìn)行修改，節(jié)約大量的渲染時(shí)間成本，從而提高對光影材質(zhì)判斷修改的時(shí)間，容易得到優(yōu)秀的作品。

4.基于虛幻引擎Unreal Engine4的動(dòng)畫制作

虛幻引擎Unreal Engine4是全球頂級游戲EPIC公司虛幻引擎的最新版本，是一個(gè)游戲開發(fā)平臺，提供了游戲開發(fā)者需要的大量核心技術(shù)、數(shù)據(jù)生成工具和基礎(chǔ)支持。眾所周知，虛幻引擎 4 常被用來制作游戲。由于其出色的畫面表現(xiàn)逐漸開始被應(yīng)用到影視，廣告等眾多領(lǐng)域。用游戲引擎制作動(dòng)畫稱之為引擎動(dòng)畫。結(jié)合游戲引擎的實(shí)時(shí)渲染和修改能力來制作動(dòng)畫，是解決三維動(dòng)畫生產(chǎn)效率的有效途徑之一。眾所周知，虛幻引擎 4 常被用來制作游戲。由于其出色的畫面表現(xiàn)逐漸開始被應(yīng)用到影視、廣告等眾多領(lǐng)域。

虛幻4作為一個(gè)新的制作動(dòng)畫平臺，相應(yīng)規(guī)范的流程和人才儲(chǔ)備還不夠完善。虛幻4在整個(gè)流程里和Maya流程還是有很大區(qū)別。首先在DCC里創(chuàng)建完資產(chǎn)（模型、紋理、綁定、動(dòng)畫、模擬等），也可以通過數(shù)字雕刻技術(shù)（Zbrush）得到相應(yīng)的角色模型、對人物賦予材質(zhì)并且貼圖，給角色模型綁定一定骨骼或采用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，創(chuàng)建相應(yīng)的骨骼動(dòng)畫，進(jìn)而導(dǎo)入到虛幻4里，在虛幻4里搭建場景，編寫材質(zhì)，燈光，建立sequence，編輯素材，然后輸出這樣一個(gè)流程。

相比Maya的線性流程，虛幻流程是一個(gè)非線性流程，在虛幻4這個(gè)流程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以在制作中修改，可編輯性非常高，對其他環(huán)節(jié)影響小，最顯見的就是燈光可以隨時(shí)修改，隨時(shí)輸出。借助引擎中的燈光系統(tǒng)，給場景賦予燈光，使整個(gè)建筑環(huán)境更加鮮活。虛幻4的光源類型可以調(diào)整燈光的顏色、強(qiáng)度、位置、大小、方向等模擬動(dòng)畫場景中的光源及效果。并且結(jié)合場景物體設(shè)置靜態(tài)光源與動(dòng)態(tài)光源，讓每種類型的陰影利用其優(yōu)勢彌補(bǔ)另一種類型陰影的劣勢，從而可以快速地渲染出令人印象深刻的栩栩如生的視覺藝術(shù)。

此外，虛幻4的材質(zhì)系統(tǒng)也極易修改，通過可視腳本節(jié)點(diǎn)所組成的網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建。由材質(zhì)可視腳本節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格、顏色、 紋理貼圖、材質(zhì)屬性以及材質(zhì)輸入五個(gè)部分組成的可視化編輯器。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含HLSL代碼片段，以實(shí)現(xiàn)美術(shù)人員所需表達(dá)的視覺效果。將模型導(dǎo)入引擎后，逐個(gè)賦予材質(zhì)，調(diào)整材質(zhì)參數(shù)，如高光、反光、折射、反射、凹凸紋理等，以達(dá)到最接近現(xiàn)實(shí)的物體外觀效果。這樣的環(huán)節(jié)對于創(chuàng)作人員可以說是釋放了巨大的潛力，傳統(tǒng)流程中創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)幾乎要到后期才能看到成品的模樣，而虛幻4的流程完全沒有這些限制，官方給出的定義是以導(dǎo)演可以縱觀全局。

世界上第一個(gè)用虛幻4制作的動(dòng)畫片《Zafari》。《Zafari》是由David Dozoretz指導(dǎo)的一部動(dòng)畫片，制作公司為Digital Dimension。動(dòng)畫制作中的鏡頭數(shù)量特別多，前期制作組擔(dān)心渲染時(shí)間不夠，在制作前半部分時(shí)依然按照傳統(tǒng)的流程。比如，角色和動(dòng)畫是在Maya中創(chuàng)建，而燈光、特效和渲染是在UE4中完成。后期技術(shù)組推薦了UE4實(shí)時(shí)制作的想法。從流程角度來看，他們所采用的整個(gè)照明和渲染流程，在逐步前移和縮短時(shí)間。在布局和布景階段燈光會(huì)同時(shí)開發(fā)，一旦動(dòng)畫得到確認(rèn)，那么一個(gè)小時(shí)之后就會(huì)看到完整版的一段了。

Zafari項(xiàng)目是第一個(gè)完全在虛擬游戲引擎中呈現(xiàn)的動(dòng)畫片，導(dǎo)演一開始是有諸多疑慮的，它需要滿足一定的制作質(zhì)量，這需要渲染出次表面散射、環(huán)境光遮蔽（AO）、基于矢量的動(dòng)態(tài)模糊，并且還做出外觀真實(shí)的水，而制作組使用虛幻4已經(jīng)加速了所有這些問題。像《Zafari》這樣大的項(xiàng)目，有10000個(gè)鏡頭，需要達(dá)到一周一集的投放速率和最小失誤，渲染一直都是最大的壓力。傳統(tǒng)流程制作時(shí)能夠在一天內(nèi)測試渲染，使用UE4能在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成20次。每一集大概需要20個(gè)節(jié)點(diǎn)，而傳統(tǒng)的流程可能會(huì)達(dá)到120多個(gè)，這就像剛剛完成了動(dòng)作，十分鐘后就看到渲染完的鏡頭了。在虛幻4中做所有的工作，特效幾乎是實(shí)時(shí)的，燈光、特效乃至渲染與合成都是在引擎里完成的，可以實(shí)時(shí)地看到最后的效果，基本上為工作室推展了許多優(yōu)勢。在傳統(tǒng)工作流程上完成這樣的項(xiàng)目，通常一個(gè)燈光部門大概有三至八個(gè)人。現(xiàn)在，在燈光和渲染團(tuán)隊(duì)的規(guī)模上，已經(jīng)從傳統(tǒng)的流程上減少了大約75%，在給定的藝術(shù)家效率和生產(chǎn)效率上提高了數(shù)百倍。這樣能真正激勵(lì)設(shè)計(jì)師實(shí)時(shí)的工作。另一方面，成本在下降，同時(shí)質(zhì)量也在提高。

上述的這些優(yōu)勢使得虛幻引擎 4 很適合制作系列動(dòng)畫片。國產(chǎn)動(dòng)畫——《地靈曲》，由深圳灼華互娛使用虛幻引擎 4 開發(fā)，采用了劇游聯(lián)動(dòng)的形式，堪比院線電影品質(zhì)，使這部動(dòng)畫受到越來越多的關(guān)注。值得一提的是，融合了華夏文化的《地靈曲》畫面非常精美，無論是背景、光影、人物形象、色調(diào)、線條等方面都非常出色，這很大程度上都?xì)w功于《地靈曲》使用了與眾不同的制作方式。

《地靈曲》使用了虛幻4來制作。對于國內(nèi)動(dòng)畫制作而言，這是一個(gè)比較創(chuàng)新大膽的嘗試。在制作動(dòng)畫的時(shí)候，可以通過實(shí)時(shí)運(yùn)算的方式進(jìn)行預(yù)覽。當(dāng)內(nèi)容需要調(diào)整時(shí)，可以直接在引擎中進(jìn)行調(diào)整，不僅擁有非常高的畫面品質(zhì)，而且在節(jié)約時(shí)間成本上有很大的優(yōu)勢。系列動(dòng)畫片為保證好的效果，經(jīng)不起不斷返修的巨大工作量。

使用了虛幻4渲染的國產(chǎn)動(dòng)畫——《地靈曲》在鏡頭運(yùn)用上很有特色。制作人在鏡頭運(yùn)用上十分大膽，推拉搖移一應(yīng)俱全，觀者看得很過癮。傳統(tǒng)動(dòng)畫的每一個(gè)鏡頭都是在分鏡階段設(shè)計(jì)好的，后期如果效果不佳也沒辦法反復(fù)修改。但《地靈曲》有了虛幻4 參與，使得制作效率提高了，可修改性高了，可以玩的花樣也多了。在虛幻4中可以做更多嘗試和調(diào)整，給了創(chuàng)作者更多的表達(dá)空間，也能給觀眾帶來更豐富的體驗(yàn)。

深圳灼華互娛利用虛幻4 ，提高動(dòng)畫制作的效率是國產(chǎn)動(dòng)畫一次成功的嘗試。國內(nèi)動(dòng)畫制作公司在技術(shù)上的創(chuàng)新和進(jìn)步走在了技術(shù)的前端。相信隨著虛幻4的優(yōu)化與提高，今后會(huì)看到越來越多精美的“引擎動(dòng)畫”模式的動(dòng)畫出現(xiàn)在市場之中。

結(jié)語

基于國內(nèi)外三維引擎在三維動(dòng)畫領(lǐng)域中的應(yīng)用，利用引擎技術(shù)優(yōu)化動(dòng)畫的制作流程，優(yōu)勢體現(xiàn)在各流程的方方面面。前期起始階段，就劇本的故事、結(jié)構(gòu)、風(fēng)格、角色場景設(shè)定、背景音樂等方面需要進(jìn)行反復(fù)多次的改動(dòng)，才能更好地細(xì)分各個(gè)分鏡頭。對于前期的修改在傳統(tǒng)動(dòng)畫制作中需要大量的準(zhǔn)備工作與人力消耗。但由于引擎動(dòng)畫的介入，在制作中實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)修改”與“實(shí)時(shí)渲染”，利用所見即所得的優(yōu)勢呈現(xiàn)動(dòng)畫片段與鏡頭組合。進(jìn)入到動(dòng)畫制作中期階段，角色的動(dòng)作、表情與口型、氣氛的渲染、場景轉(zhuǎn)換等工作內(nèi)容量大，需要高效的制作效率。在特別的鏡頭的調(diào)整與修改上，引擎技術(shù)能夠通過執(zhí)行代碼更好地控制畫面內(nèi)容。如鏡頭中出現(xiàn)群集動(dòng)畫——千軍萬馬的戰(zhàn)爭場面，每一個(gè)角色不能簡單地粘貼復(fù)制，戰(zhàn)斗的動(dòng)作不能全部相同。在傳統(tǒng)動(dòng)畫中需要對每個(gè)角色進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。若有500個(gè)角色，每個(gè)角色調(diào)整的時(shí)間為10分鐘，那么需要將近4天時(shí)間。但在引擎中可以通過腳本控制群集動(dòng)畫，如走路、跑步、攻擊、躲避等動(dòng)作通過腳本控件來調(diào)整。幾個(gè)小時(shí)內(nèi)即可完成。在后期制作中需要較多的編輯與特效技術(shù)。在傳統(tǒng)動(dòng)畫制作時(shí)，特效需要專業(yè)人員進(jìn)行反復(fù)修改與磨合來實(shí)現(xiàn)，消耗較多的人力與物力、時(shí)間與創(chuàng)意，成本較高。利用引擎技術(shù)，特效能夠通過粒子系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整進(jìn)行實(shí)時(shí)修改與渲染，完成不同效果的視覺展示。也可利用眾多特效插件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)氛圍，實(shí)現(xiàn)多樣化控制。

今后，在影視動(dòng)畫的制作上進(jìn)一步推廣三維引擎技術(shù)的發(fā)展，力求滿足消費(fèi)者高品質(zhì)的視聽享受，促進(jìn)行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的共同進(jìn)步。介于國內(nèi)現(xiàn)階段情況來看，利用引擎技術(shù)制作動(dòng)畫處于起步發(fā)展階段，技術(shù)人員還需要進(jìn)一步研究引擎的內(nèi)涵結(jié)構(gòu)。就目前來說，利用三維引擎制作動(dòng)畫片是完全可行的，優(yōu)勢也很明顯，但是還沒有到技術(shù)上完全碾壓離線渲染的地步，這也要有一個(gè)長達(dá)幾年或十年的發(fā)展期，給技術(shù)發(fā)展的時(shí)間和人才成長的時(shí)間，實(shí)時(shí)渲染制作動(dòng)畫一定會(huì)成為業(yè)界主流。