探析虛幻引擎在三維影視動畫創作中的應用

摘要：隨著虛幻引擎的快速發展，其功能更加全面，虛幻引擎憑借在實時渲染方面的優勢，能夠實時渲染出高質量的畫面效果。現在虛幻引擎已經應用在三維動畫制作領域，使用虛幻引擎制作三維動畫可以進行實時渲染，多工作任務并行，方便實時修改，極大地提高了制作效率。本文對傳統三維動畫制作流程和使用虛幻引擎制作三維動畫流程進行分析比較，闡述使用虛幻引擎制作三維動畫的優勢、現狀和未來的發展趨勢。

關鍵詞：虛幻引擎;三維動畫;實時渲染;影視動畫

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）15-00-02

虛幻引擎是一款為開發游戲而推出的開發工具，它集成了游戲開發所需要的核心功能，用戶使用它可以快速地開發出游戲作品。如今有很多大眾熟悉的游戲都是使用虛幻引擎開發的，如《戰爭機器》《堡壘之夜》等。虛幻引擎不斷發展，現在它已經不只是單一的游戲開發工具，而是應用于動畫、建筑、影視、虛擬現實、增強現實等領域的實時三維創作工具。虛幻引擎憑借實時渲染功能，在三維動畫制作方面的優勢不斷凸顯。

1 虛幻引擎

虛幻引擎是在1998年推出的一款游戲開發工具，它集成了游戲開發所需要的渲染、物理系統、碰撞檢測、音效、動畫、人工智能、腳本編輯等核心功能，用戶可以直接在虛幻引擎中使用這些功能，開發游戲作品。從1998年推出虛幻引擎1至今，虛幻引擎歷經了多次迭代，2014發布了虛幻引擎4，目前已發布的最新正式版本是虛幻引擎4.26，2021年5月26日發布了虛幻引擎5搶先體驗版。經過二十多年的發展，虛幻引擎的各項技術得到了較大的提升，功能也越來越完善，渲染效果也更加真實。虛幻引擎4支持實時光線追蹤、動態光源等功能，在渲染方面實現了進一步的提升，用戶可以使用虛幻引擎4輕松地制作出逼真的畫面效果。在虛幻引擎4這個版本中還推出了藍圖可視化編程工具，用戶可以使用藍圖中的可視化節點進行編程，沒有編程語言基礎的用戶也能使用虛幻引擎開發游戲或交互類產品，大大降低了虛幻引擎的學習門檻，吸引了更多用戶加入虛幻引擎開發者隊伍。隨著近幾年手機、虛擬現實、增強現實等設備的發展，虛幻引擎獲得了多個平臺的支持，使用虛幻引擎開發的內容，一次開發可以部署到移動平臺、主機、虛擬現實、增強現實等多平臺設備上，提高了開發效率，降低了開發成本。2021年5月推出了虛幻引擎5搶先體驗版，這個版本較上一個版本有較大的革新，它新增了一些跨時代的功能，比較受行業關注的是虛擬化微多邊形幾何體系統和全動態全局光照解決方案。有了虛擬化微多邊形幾何體系統功能后，用戶不再需要將高模烘焙到低模，可以直接將超高面數的模型導入虛幻引擎中流暢使用，可以獲得精度更高的畫面效果，優化了以往的制作流程，減少了手動降低高模等煩瑣的工作。用戶可以使用全動態全局光照解決方案制作動態、真實的畫面效果，場景中的間接光照可以隨著環境的光照發生實時改變，讓場景中的光照效果更加生動真實，用戶可以不用再制作光照貼圖紋理坐標，不用再烘焙光照貼圖，只需要把燈光放置到場景中，就能實時獲得最終的光照效果[1]。虛幻引擎具備完善的功能，可實時渲染照片級的畫面效果，受到了眾多游戲開發者和公司的歡迎，在游戲引擎領域占據了較大的市場比例。現在虛幻引擎已經廣泛應用于游戲開發、動畫制作、影視制作、虛擬現實、增強現實等領域。

2 傳統三維影視動畫創作流程

從1995年問世的世界第一部全電腦制作的動畫《玩具總動員》至今，三維影視動畫已發展了二十多年，三維影視動畫制作已經形成了一套較為成熟的制作流程，制作軟件以數字內容創建軟件為主，在數字內容創建軟件中能制作模型、綁定角色、制作動畫、燈光渲染等內容。三維影視動畫片的制作過程大致可以為分前期、中期、后期三個部分。前期有動畫劇本寫作、創作分鏡頭、設計動畫角色場景;中期有模型制作、角色綁定、動畫制作、材質、燈光渲染;后期為合成。整體的流程是設計、模型、綁定、動畫、燈光渲染、特效、合成的線性流程。這種線性制作流程顯著的特點是環環相連，需要上一個環節制作完成以后才能進行下一個環節。因此制作周期比較長，如果某一個環節出現問題，就會影響后續的所有環節，修改的成本較高[2]。傳統三維動畫渲染采用的是離線渲染的方式，這種渲染方式速度慢，在制作一些大型項目時還需要大型渲染農場，渲染成本高，渲染完成后才能看到畫面效果。如果出現問題需要返回前面的環節進行修改，再重復后續的操作，則需要多個環節配合修改，費時費力，修改成本很高。目前隨著4K、8K等超高清技術的發展，市場對三維動畫的畫面效果要求越來越高，渲染的運算量和成本也不斷提高。對畫面要求極為嚴格的三維動畫電影，渲染的計算量更是天文數字，渲染一部動畫電影需要使用數千臺計算機，不間斷地渲染幾個月甚至一兩年的時間[3]。例如，動畫電影《小門神》，該片的渲染工作量非常大，在渲染高峰階段同時動用了兩千多臺計算機[4]。

3 虛幻引擎在三維影視動畫創作中的應用

虛幻引擎在早期是一個游戲開發工具，提供了游戲開發所需要的核心功能。經過了二十多年的發展，虛幻引擎的功能更加全面，在實時渲染方面有著較大的優勢，能夠實時渲染高質量的畫面效果。現在的虛幻引擎已不是單一的游戲開發工具，而是應用于電影、建筑、廣告、動畫等眾多行業的實時三維創作工具。虛幻引擎非常重視在動畫行業的應用，陸續推出了角色動畫工具、動畫藍圖、實時連接插件、多軌跡編輯器等動畫工具，讓虛幻引擎在動畫制作方面更加方便快捷。近幾年虛幻引擎不斷通過項目測試，開發出動畫相關的功能。2015年用虛幻引擎4制作的動畫短片《放風箏的小男孩》發布，這個短片展示了虛幻引擎在表現大型場景和真實環境方面的優秀能力。2020年維塔數碼團隊使用虛幻引擎4制作了動畫短片《狐獴》，該片中動物角色的毛發非常細膩真實，展示了虛幻引擎在實時毛發方面的優秀效果。隨著虛幻引擎在動畫制作方面實時渲染等優勢的發展，國內外已經有許多使用虛幻引擎制作的三維動畫陸續推出，如《奇跡谷扎法利》就是第一部使用虛幻引擎4制作完成的動畫片。這部動畫片的場景、燈光、渲染、特效都是利用虛幻引擎4完成的，使用了虛幻引擎的實時渲染，節省了大量的時間，動畫師可以實時獲得最終的畫面效果[5]。

相比傳統的三維動畫制作流程，使用虛幻引擎制作動畫有很大不同，首先需要在數字內容創建軟件中制作角色場景模型，通過貼圖制作工具制作模型貼圖，并在數字內容創建軟件中給角色架設骨骼綁定控制系統，完成角色動畫，然后把模型、貼圖、動畫資源導入虛幻引擎中，在虛幻引擎中完成場景搭建、燈光、渲染、特效、鏡頭等任務。使用虛幻引擎制作三維動畫的流程是非線性的，很多任務是可以并行的，場景、動畫、燈光、特效制作都可以同時進行，并通過實時渲染輸出最終的效果[5]。動畫團隊中各個成員可以實時看到光照、動畫和材質的動畫效果，可以從不同的角度查看動畫場景[6]。在制作過程中可以對某個任務中存在的問題及時進行修改，不會對其他任務的進行造成影響，這種多任務并行的制作流程是一個非常大的優勢，可以節省制作周期[7]。

在制作動畫角色模型和動畫的前期階段會不斷調整修改，在傳統的三維動畫制作流程中，動畫師不能實時看到動畫和場景的最終效果，需要等待較長時間，經過渲染輸出才能看到最終效果。采用虛幻引擎動畫流程，動畫師可以通過虛幻引擎的實時連接插件將動畫數據從數字內容創建軟件流送到虛幻引擎中，在制作動畫的同時，在數字內容創建軟件和虛幻引擎中使用相同場景，在數字內容創建軟件中制作動畫的同時，可以在虛幻引擎中看到實時渲染的動畫效果[6]。

使用虛幻引擎制作動畫可以很方便地與動作捕捉結合制作動畫，虛幻引擎推出了一些支持動作捕捉的工具。在虛幻引擎4中推出的實時連接插件可以捕捉真人表演的動作數據，將其直接傳輸到游戲引擎中，再將動作數據傳遞給動畫角色，動畫團隊可以在有燈光、特效場景的畫面中實時看到動畫角色。2020年虛幻引擎發布了面部實時連接，這是一款可以捕捉人物面部表情的蘋果手機應用程序，它可以通過蘋果手機捕捉人物面部的動畫效果，并將動畫數據傳送至虛幻引擎的虛擬角色。該應用的面部識別功能采用了蘋果公司推出的增強現實開發工具，再結合蘋果手機的三維攝像頭，可以識別人物面部表情變化，實時連接插件可以將識別到的表情動畫數據傳輸到虛幻引擎。使用該方案進行表情動畫捕捉，獲取的動畫數據質量較高，能應用到動畫制作中，而且硬件設備成本較低，是一種簡單可行的表情動畫捕捉方案[8]。

4 結語

虛幻引擎具有優秀的實時渲染效果，是一款成熟的動畫制作工具，國內外許多團隊都在嘗試使用虛幻引擎制作動畫。相比較傳統三維動畫制作流程，虛幻引擎有實時渲染、多任務并行等優勢，實時渲染可以讓動畫團隊在制作過程中及時看到動畫效果，可以在制作中實時調整修改，可以省去傳統三維動畫制作長時間的渲染等待，多任務并行的工作方式可以讓動畫、場景、燈光、渲染、特效等工作同時進行，可以實時看到動畫渲染效果。這樣的動畫制作方式，極大地提高了效率，節省了制作的周期和成本。目前虛幻引擎制作動畫有許多的優勢，但也存在一些不足。目前國內外使用虛幻引擎制作三維動畫還處于起步階段，相關技術人才儲備不足，相關院校的動畫專業教學還是以傳統的動畫制作流程進行教學，傳統三維動畫的制作人員轉向虛幻引擎制作動畫也存在一定的技術門檻，使用虛幻引擎制作三維動畫的團隊和動畫作品占比還較少。目前虛幻引擎的實時渲染與傳統三維動畫中的離線渲染綜合相比還不具備明顯的優勢，對品質要求高的三維動畫電影主要還是以傳統三維動畫制作流程為主。但隨著技術的不斷更新，使用虛幻引擎制作三維動畫的優勢會更加凸顯，將解決目前動畫制作上的難題，未來虛幻引擎會在三維影視動畫領域得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1] 虛幻引擎.虛幻引擎5現已推出搶先體驗版！[EB/OL].虛幻引擎官網，https：//www.unrealengine.com/zh-CN/blog/

unreal-engine-5-is-now-available-in-early-access，2021-05-26.

[2]趙銳.原力的虛幻引擎之路[EB/OL]. bilibili，https：//www.bilibili.com/video/BV1Yt4y1k7YP？from=search&seid=12470294694739159899，2020-12-19.

[3] 本刊記者.瑞云渲染：中國技術助力世界電影[J].中國電影市場，2014（06）：13-15.

[4] 徐然.“工匠”王微 和他的《小門神》[N]. 21世紀經濟報道，2016-01-01（016）.

[5] 常姣姣，張國龍.基于三維圖形引擎的動畫創作探究[J].中國傳媒科技，2019（04）：78-80.

[6] 麥克·西莫.維塔數碼實時毛發短片《狐獴》幕后揭秘[EB/OL].虛幻引擎官網，https：//www.unrealengine.com/zh-CN/spotlights/behind-the-scenes-on-weta-digital-s-real-time-hair-and-fur-short-meerkat，2020-12-10.

[7] 薛紅杰.虛幻4制作動畫的一點經驗之談[EB/OL].知乎，https：//zhuanlan.zhihu.com/p/30655930，2017-11-22.

[8] 瑞安·馬耶達.全新蘋果移動系統應用面部實時連接閃亮登場[EB/OL].虛幻引擎官網，https：//www.unrealengine.

com/zh-CN/blog/new-live-link-face-ios-app-now-available-for-real-time-facial-capture-with-unreal-engine，2020-07-08.

作者簡介：李何（1989—），男，四川萬源人，碩士，講師，研究方向：游戲設計與制作。