數(shù)字動畫創(chuàng)作中虛擬圖像技術的實現(xiàn)與應用

張勃漢，趙文婷

（1. 國防大學軍事文化學院，北京 100081；2. 海南師范大學 美術學院，海南 海口 571158）

近年來，計算機和數(shù)字化技術的進步推動動畫行業(yè)的發(fā)展，VR/AR硬件設備以及虛擬圖像技術促進新型圖像技術的飛躍，其中以虛擬圖像技術呈現(xiàn)的數(shù)字動畫成為業(yè)內熱點，也是時代下數(shù)字動畫發(fā)展最為重要的趨勢之一。數(shù)字化技術作為動畫設計的新載體，其制作技術和傳統(tǒng)手繪動畫設計有機結合，是影視動畫領域的深化與延伸[1]。虛擬圖像技術是一種融合的數(shù)字化技術并延伸到動畫領域，為數(shù)字動畫創(chuàng)作提供非常大的便利，如降低制作成本、提高工作效率，以及各類仿真、模擬展示等。目前，虛擬圖像技術更多地應用在醫(yī)療救護模擬、武器裝備模擬、器械訓練模擬、駕駛模擬等方面，當然也應用在影院、游戲中實現(xiàn)天馬行空的想象。數(shù)字動畫隨著科學技術飛速發(fā)展，不斷突破現(xiàn)實生活常態(tài)，逐步進入世界虛擬化、數(shù)字化的元宇宙時代。

一、數(shù)字動畫的創(chuàng)作構思

動畫創(chuàng)作特征風格多樣，它可以塑造豐富的藝術形象，也可以在題材選擇多樣、風格各異的特點上更好地展示民族的審美取向，實現(xiàn)綜合性、直觀性、全面性的文化展示，從而滿足人們對動畫時代性與當代性藝術的需求，更好地體現(xiàn)動畫作品的財富意義與價值[2]。動畫創(chuàng)作在總體構思過程中主要有敲定創(chuàng)意主題、明確審美定位、論證實現(xiàn)技法、完善思想表達四個方面。進入新媒體時代，在動畫創(chuàng)作中引入數(shù)字媒體等先進的科學技術，因而在形式上多以數(shù)字合成的形式出現(xiàn)，這使得動畫創(chuàng)作愈加方便快捷[3]。通過虛擬圖像技術模擬真實事物的特點，主要使用三維軟件模擬制作，廣泛應用在各行各業(yè)，因其具備將一些抽象的、不易理解的、無法實際觀測的事物與其工作原理，利用三維軟件結合虛擬圖像技術來模擬出具體的事物圖像，或將其工作原理形象化的模擬反映出來，如衛(wèi)星航天、電磁雷達信號模擬等，使復雜的理論變得淺顯通俗易懂。數(shù)字動畫創(chuàng)作可以選擇制作戰(zhàn)爭題材，明確創(chuàng)意點，利用不同的動態(tài)片段、景別畫面、鏡頭語言等，應用虛擬圖像技術的數(shù)字動畫創(chuàng)作開掘新題材、新領域、新視角，加之影視動畫專業(yè)的視聽語言技術理論，開拓摸索數(shù)字動畫創(chuàng)作的新嘗試。

二、數(shù)字動畫的虛擬圖像技術實現(xiàn)

電腦動畫也稱為數(shù)字動畫，屬于數(shù)字藝術范疇，是指采用圖形與圖像的處理技術，借助于編程或動畫制作軟件生成一系列的景物畫面，其中當前幀是前一幀的部分修改，是采用連續(xù)播放靜止圖像的方法產生物體運動的效果[4]。隨著圖像處理技術日新月異的發(fā)展，虛擬圖像技術已廣泛應用在數(shù)字動畫創(chuàng)作的全部環(huán)節(jié)，利用計算機生產的虛擬圖像參與動畫創(chuàng)作已成為常態(tài)。

1.合理選擇三維動畫軟件與插件

數(shù)字動畫的表現(xiàn)形式多樣，在創(chuàng)作構思中具體要考慮的包含人物、場景、裝備等模型體量。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)階段有3ds Max、Maya、Cinema 4D、Blender等三維動畫軟件，其在動畫制作方面各有優(yōu)勢。結合制作流程以及所用硬件設備的實際情況，可選擇3ds MAX建模渲染和動畫制作軟件，該軟件是Autodesk公司旗下產品，能夠在模塊化、組件化、工程化、規(guī)范化的虛擬圖像技術支持下完成優(yōu)質的數(shù)字動畫作品。主要原因有三點：其一，該軟件在動畫行業(yè)應用廣泛，插件相對成熟，模型制作相對簡單，建模、紋理和效果、環(huán)境資源庫較多，易于資源整合；其二，可聯(lián)機渲染并與Arnold、V-Ray、Mental Ray等主要渲染器搭配使用，其中以V-Ray渲染器的速度見長，可以縮短渲染時間，加快整體進程，具有不錯的視覺效果，且呈現(xiàn)較為真實；其三，它對硬件系統(tǒng)的要求相對來說較低，其自帶的海上浪花、戰(zhàn)場煙塵等粒子系統(tǒng)模擬可以直接使用。3ds MAX場景渲染插件主要應用MultiScatter，能快速創(chuàng)建各種森林、草地、植物等較大的地形場景。

綜上所述，在選擇創(chuàng)作中使用的軟件與插件要結合創(chuàng)作思路，思考可能遇見的技術問題以及相應難點，理清相應制作軟件、插件的優(yōu)劣和使用難度，將軟硬件的實際情況綜合分析，巧妙選擇應用制作軟件與插件。

2.按需優(yōu)化模型體量，制作編輯動畫

根據(jù)分鏡所需場景，統(tǒng)計所需的模型、動畫及鏡頭，逐步展開解決模型與紋理貼圖問題—虛擬場景搭建—動畫綁定和鏡頭運動模擬的創(chuàng)作過程。首先，在模型制作環(huán)節(jié)展開模型分析，利用現(xiàn)有模型數(shù)據(jù)資源庫進行人物與裝備等物體模型抓取，各分組同步實施完善紋理貼圖制作，人物紋理貼圖主要使用The Foundry Mari 3D紋理繪畫軟件。需要注意的是，由于戰(zhàn)場場景體量廣闊、景別較大，用以往的紋理貼圖重復就會出現(xiàn)較為明顯的接縫。這里就需要使用無縫紋理制作軟件PixPlant，利用現(xiàn)有的材質紋理圖片生成無縫的紋理貼圖，并提取置換貼圖、法線貼圖、漫反射貼圖、高光反射貼圖和環(huán)境光遮擋（Ambient Occlusion，簡稱AO）貼圖等，使虛擬場景更加真實。其次，優(yōu)化場景模型量，場景中包含地形、人物、武器裝備、樹木植被等大量模型，像樹木、灌木、雜草等各類植被的單體模型量達幾萬甚至上百萬面。如果大面積應用，則不僅會影響制作軟件穩(wěn)定以及操作問題，還會對后期渲染埋下各種隱患。結合現(xiàn)有的硬件設備情況，選擇應用插件MultiScatter v1.618，主要用以模擬戰(zhàn)場環(huán)境的樹木、植被等，5個3ds max場景基本包含平地/坡地/凹凸地，可應對常規(guī)地形需求的各種植被，不僅降低場景文件模型體量，還減輕硬件設備壓力，有效地提高制作效率。最后，在動畫制作中注意人物、載具等需要運動的物體。人物需要分組綁定骨骼，調節(jié)好運動動畫，保留Biped骨骼與BIP動作文件以便修改，最終以點緩存地導入場景中。載具裝備運動用虛擬體綁定，旋轉和上下角度均由虛擬體控制，可自定義動畫。輪子、履帶吸附地表行走，調節(jié)完成后將輪子、履帶的動畫全部塌陷成關鍵幀。優(yōu)點是后期在其他創(chuàng)作中可利用這些動畫文件更換其他型號，只需把載具裝備主體替換綁定在有顛簸搖晃的虛擬體上，履帶模型亦可更改，其動畫和地形固定，無需重新制作。

在數(shù)字動畫創(chuàng)作中應用虛擬圖像技術可以有效節(jié)約制作時間，提高模型制作、動畫編輯的便捷性，采用虛擬圖像技術手段創(chuàng)設一個虛擬環(huán)境，為數(shù)字動畫用戶的互動創(chuàng)造便利條件。在制作過程中，模型構建是十分重要的基礎內容，同時要重視虛擬圖像技術和三維動畫制作技術靈活配合，呈現(xiàn)所需的虛擬畫面。

3.應用光子渲染模式，提高輸出效率

動畫渲染，注重在基本圖像的輸出以及在虛擬背景、模擬環(huán)境的基礎制作中實現(xiàn)虛擬圖像輸出的改進，從而滿足提高數(shù)字動畫作品的沉浸性和交互性效果。為了提高效率，在渲染調試過程中需要做以下兩點：一是在渲染之前要做好鏡頭文件處理，因制作不同的角度鏡頭等需求，最終完成的模型動畫文件會多達數(shù)十個場景，其中最大的場景模型量達幾千萬面，還包含動畫點緩存文件等眾多數(shù)據(jù)文件，文件大小合計幾十個GB。因此，為了渲染順利，需要將一個場景中不同鏡頭有序分離成多個場景文件，將不同文件以攝像機鏡頭編號，并將文件中攝像機畫面外的模型量進行刪除處理，使每一個鏡頭文件的模型體量有效順利地在現(xiàn)有硬件設備上渲染輸出。二是大部分場景文件使用V-Ray的光子渲染模式，根據(jù)不同的場景文件選擇不同的光子渲染模式，如特寫鏡頭的場景文件中，只有在攝像機鏡頭平穩(wěn)運動、主體模型無運動的情況下，為了提高速度特地抽幀渲染光子圖，可調整渲染光子模式、渲染光子動畫序列。另外，如攝像機與主體模型甚至光源都有運動的情況，就需要以動畫形式將它生成一個光子貼圖序列，渲染光子序列完成后再選擇動畫渲染。

圖像渲染是數(shù)字動畫創(chuàng)作中的重要環(huán)節(jié)，如何快速、可靠地渲染成為數(shù)字動畫創(chuàng)作者繞不開的問題。在現(xiàn)有技術條件下，尤其是大體量的模型場景難以高幀率渲染的現(xiàn)狀，應分解場景鏡頭，嘗試多種渲染手段并用的“非線性、多段式”渲染結構。結合不同的鏡頭、場景，選擇合理的方式進行渲染優(yōu)化，在不影響渲染效果的基礎上，利用軟件設置結合虛擬圖像技術有效提升渲染效率。針對不同的文件與現(xiàn)實情況需求，使用多臺設備進行局域網絡聯(lián)機共享渲染、云端渲染等，根據(jù)鏡頭內容的渲染復雜程度將同一文件進行分段分設備渲染，用以加快渲染速率。

4.應用后期剪輯技巧，強化視聽沖擊力

在電影《星際穿越》中有一個重復畫面，影片開頭是機翼抖動的特寫畫面，結合一閃而過的背景聲，類似角度一致的鏡頭畫面在后續(xù)的電影中重復幾次出現(xiàn)，用幾次相同角度的機翼特寫鏡頭表現(xiàn)主角飛行員在不同時期對抗引力的駕駛情況。讓一個比較平淡的鏡頭重復幾次，表現(xiàn)出主角有了對決引力的能力，實現(xiàn)自我突破的境地，這種鏡頭很適合表現(xiàn)戰(zhàn)爭場面。受此啟發(fā)，在作品中可利用強調節(jié)奏，總結出一套適合的剪輯理念，就是同一環(huán)境不同景別、同一景別不同主體、同一主體不同角度的三種形式的組合以及分屏剪輯手法來表現(xiàn)緊張、快速的鏡頭沖擊力。如《雷霆出擊》作品最終整體的環(huán)境展現(xiàn)順序為海—空—陸，戰(zhàn)爭場面鏡頭含有艦艇編隊航行、渡海作戰(zhàn)、海空協(xié)同、空降投送、縱深突進、步坦協(xié)同、機動行軍、點位進攻等剪輯合成的畫面。在海上環(huán)境中，針對艦隊行進的畫面采用9種不同景別、主體、角度的混合分屏，展示海上艦隊的全景、中景、近景，接著選取以氣墊登陸艇為主體的多角度特寫，引出航母編隊乘風破浪的鏡頭畫面，最后選用武裝直升機劃過屏幕的視覺引導進行海空場景的分屏切換，短短幾秒就充分營造出緊張的渡海作戰(zhàn)節(jié)奏，展開遞進情緒的渲染，給予觀眾極大的震撼。

剪輯需要一定的技巧，合理的剪輯關系到動畫作品整體的故事風格和情緒感染力等。在實際應用過程中，剪輯形式應選擇鏡頭畫面緊跟節(jié)奏，利用多景別、多主體、多角度分屏的視聽語言，在剪輯技巧的輔助下激發(fā)觀眾的沉浸體驗，最終按預定目標完成連貫流暢、含義明確、主題清晰的數(shù)字動畫作品，使整體作品內容飽含強烈的藝術張力。

三、數(shù)字動畫的創(chuàng)作思考

數(shù)字動畫創(chuàng)作與虛擬圖像技術的結合是當代新型圖像繪制技術驅動下的再一次進階，時代背景下的創(chuàng)作是藝術與技術的結合，創(chuàng)作生產是在新型圖像技術的支撐下實現(xiàn)的，通過數(shù)字模擬與圖像生產的組合運用和技術手段，從而在眾多領域實現(xiàn)數(shù)字動畫創(chuàng)作的實施與廣泛應用。目前，虛擬圖像技術為數(shù)字動畫創(chuàng)作虛擬動畫提供了技術保障，由“現(xiàn)實”跨進“超現(xiàn)實”的維度，構建全新的虛擬仿真動畫的“臻境體驗”。近年來不乏展現(xiàn)文化傳播的《特戰(zhàn)先鋒》《聰明的順溜》《那年那兔那些事兒》《最可愛的人》等優(yōu)秀動漫作品，創(chuàng)造出廣受大眾喜愛的動漫形象。動漫作品的新穎活潑、多元多樣，以巧妙的故事情節(jié)和柔性的文化傳播增強親和力。尤其是《那年那兔那些事兒》以喜聞樂見的虛擬卡通形象，將中國近代的一系列重要事件寓教于樂，吸引眾多網友主動學習，更有網友在評論區(qū)主動參與事件講解，有效強化民族認同感。在當今“融、新、全、自”的媒體背景下，動漫作品對文化傳播的作用漸臻佳境，優(yōu)秀的動漫作品往往能衍生出幾何倍數(shù)增長的傳播成效。這是當代新型圖像技術與視覺文化產品的集成式體現(xiàn)，這一切只有技術才能夠做到完整呈現(xiàn)。也正是從技術的層面，我們才能夠深入地分析所謂視覺文化時代來臨的根本原因、特征、社會影響及其發(fā)展趨勢[5]。