淺談三維動畫電影中模型資產的籌建

劉德新

中影動畫產業有限公司，北京 101400

在實拍電影中，為了保障正式拍攝的順利進行，影片的概念設計、美術設計、分鏡設計、服裝和道具制作、場景選址、內外場景搭建、攝影器材籌備等不同層面的準備工作都需要花費相當多的時間和精力。動畫電影作為現代電影體系中一個非常特別的分支，自然地繼承了實拍電影的大部分特質。與實拍電影不同的是，三維動畫電影的制作完全依托于計算機技術和完整的動畫工業體系，其工作流程分工復雜、環環相扣、相互制約。類比實拍電影，可以粗略地將其工作內容分類成資產籌備、動畫鏡頭制作、燈光合成。對于資產籌備來說，可以理解成為滿足三維動畫鏡頭拍攝所準備的一切工作。更為詳細地講，資產籌備包括美術設計、模型制作、UV 拆分、貼圖、材質質感以及綁定。正是因為三維動畫電影的資產籌建是一項復雜而縝密的工作，免不了會發生各種各樣的小插曲。無論哪里發生了疏忽，都有可能在動畫鏡頭制作或燈光合成階段造成不必要的麻煩，導致制作周期加長和成本增加。

三維動畫電影中動畫資產的籌備屬于制片管理的范疇。參與者通過分析、梳理劇本和分鏡中的信息來確定有多少場次和鏡頭需要拍攝，以及鏡頭中出現了哪些動畫資產需要制作，如角色、道具、內景、外景等。首先，制片管理部門需要對這些整理出的信息進行分類，因為動畫場次的制作并不一定是始終如一的，而是根據場次的制作難度和人力配置力求合理安排。動畫資產的制作需要做好提前量，分批次制作以滿足拍攝的需要。其次，資產制作的特點是，優先制作出鏡率高的資產。從技術層面而言，動畫資產既有其內部的邏輯關系，也對鏡頭拍攝產生影響。模型資產制作可以說是三維動畫制作的技術基礎，對其他所有技術環節都產生影響。筆者僅以模型資產為例，通過分析美術設計與模型資產之間，模型資產與動畫制作的不同技術部門之間，以及模型資產與動畫鏡頭制作之間，相互影響又相互制約的微妙關系，從不同角度和維度，闡述在制作三維動畫電影時如何更加完善地籌建模型資產，以及完善的模型資產在動畫電影制作中發揮的積極作用（圖1）。

圖1 三維動畫制作中模型制作的分類示意

1 從美術設計到模型資產

1.1 美術設計的基本內容

美術設計工作的主要內容包括故事板繪制、資產設計等。其中資產設計的內容包括角色、場景、環境、道具的美術設計。角色設計又可以看作是演員、服飾、妝飾、發型發式、配飾等設計的集合體。

資產設計為三維資產的制作提供了明確的藝術方向，每一個資產的設計工作大致流程都會經歷概念設計、線稿、色稿和材質指定。概念設計主要呈現個體造型或整體氛圍，線稿表現最終造型和造型中細節的刻畫，色稿展現個體或整體的色彩搭配，材質指定是使用不同的參考照片來講解設計中每個部件具體的物理質感，它將成為資產在制作貼圖和材質時的主要參考。理想狀態下，動畫資產部門根據美術設計發來的設計資料就可以開展正常的工作，雙方的工作需求看似單純，但在實際工作中藝術家們需要齊心協力處理各種各樣的小麻煩。

1.2 美術設計與模型資產的互為影響

比例問題應該是最常遇到的問題之一，包括角色本身的比例、不同角色間的比例、角色與道具間的比例、角色與場景間的比例、場景與環境間的比例問題等。美術設計階段的比例大多是藝術家憑空設想出來的，在鏡頭拍攝階段發生一些意料之外的問題也是在所難免。角色間比例差異較大不僅更加考驗鏡頭拍攝時的構圖能力，還會發生同一個道具或場景與不同角色比例失調的情況。如臺階的高度或長短對某些角色合適，但對其他角色來說太高或太矮；同一塊地磚的花紋因為不同的角色顯得太大或太小，從而導致貼圖精度不夠或紋理過密影響美觀。這種看起來微不足道的小問題，會在動畫表演和最終渲染時不斷制造小麻煩。角色和場景間的比例失調經常會影響到鏡頭的構圖，角色、場景、環境間的比例失調會使拍攝出的畫面產生視覺上的違和感，造成觀影不適。另外，制作環境時的資產數據一般是非常龐大的，隨意縮放會導致計算機算力不足而宕機。比例問題是一個系統性的問題，不要因為是動畫片就認為可以隨便對資產進行縮放。如果在進入鏡頭制作階段后才發現比例問題,會牽扯非常多的鏡頭。

三維角色的設計與三維制作在技術角度講無疑是相互影響最為明顯的。整體上講，就角色設計特別是設計形態偏夸張的角色而言，軀干和四肢的比例會影響其表演動作的合理性、協調性、靈活性、美觀性。在設計角色時應該以滿足其表演需要為前提，為其設計具有代表性的表演方式，以彌補其形態的限制。角色的面部和身體的設計風格其實與三維動畫中使用的角色綁定技術息息相關。為某特定風格的角色開發的綁定技術，會與類似風格的角色兼容度很高。多數主流動畫公司都將自家動畫形象限制在某種特定的美術風格內，使觀眾可以更容易地分辨出來。這樣做更有利于通過綁定系統的兼容性來控制制作成本，從而導致觀眾近幾年看到的動畫角色形象越來越雷同。

除了身體和頭部模型這兩種相對“單純”的資產數據外，不同復雜度的發型發式和服飾都會影響其在三維軟件中的制作難度。在三維動畫的制作中頭發和服飾分為造型和動態解算兩部分。但是通常情況下，美術設計階段都會把注意力過于集中地放在它們的造型上，而忽略它們的動態效果。那么是否有必要在美術設計階段也或多或少考慮一下毛發和布料的動態效果是值得探討的。在這一點上，歐美動畫在動畫形象的提煉方面已經非常成熟，可以發現大部分角色的服飾都控制在相對簡潔的范圍內，這將有助于三維動畫的制作。國風動漫的角色服飾普遍更為復雜，角色頭發的長短、衣服的款式、衣服的件數以及配飾的多少都會影響到動態解算的工作量。因此美術設計在為角色設計發型和服飾時，如果能與解算部門保持積極溝通，在符合藝術風格和角色性格特點的前提下有所取舍，在天馬行空的同時也充分考慮到三維技術、制作周期、制作成本的限制，并在一定范圍內尋找平衡點，無疑會對項目的順利進行起到非常有益的促進作用。

物理運動方式方面的設計是另一個具有代表性的問題。美術設計不僅需要完成靜態設計工作，還需要為一些不常見或具有特殊運動規律的資產做一些運動方式上的設計，如與機械類相關的資產設計。一些復雜的設計和模型測試是交替進行的，設計師需要借助三維模型搭配簡單的動畫演示來確定自己設想的可實現度和美觀度，并以此為依據對設計進行不斷調整，以滿足最后的拍攝需求。場景設計和環境設計在后續的三維制作中將產生巨大的工作量和數據量，包括對表演區和非表演區進行劃分；在環境的邊緣位置使用背景繪制；對場景中出現的資產素材進行整合；盡量控制場景中資產的種類；在不影響視覺效果的前提下適當提高資產的重復使用率。這些都會對三維制作階段的資產數據量產生影響，也會對渲染時間造成影響。

此外，美術設計如果能考慮到產品開發的相關技術需求，為其預留一定的發揮空間就再好不過了。

2 動畫生產線上的模型資產

2.1 模型資產制作的基本要求

三維動畫電影的資產制作是以美術設計為藝術參考，三維模型在造型上首先要達到美術設計認可的藝術水平。其次三維動畫的資產制作要符合動畫工業的技術標準和流程規范，這是三維動畫自動化生產流程的前提條件。資產制作是以三維模型為技術基礎，以滿足動畫拍攝要求為最終目的的一系列工作，因此，資產的審核標準既要符合藝術性又要符合技術性。

三維軟件中三維模型產生的基本原理是：通過連接三維空間中相鄰的三個點即可產生一個平面，每個點擁有屬于自己的序號（ID），造型越復雜產生的面就越多。通過三維掃描技術產生的模型與三維動畫電影使用的模型是不同的，主要區別在于模型上“線”的走向，我們稱之為拓撲。模型上的布線看似繚亂，實則每條線都有明確的作用。有負責造型主體架構的線，有負責鞏固造型的線，有負責提供動畫變形的線。在多數情況下負責UV 拆分的線與負責主造型的線是相同的（圖2）。

圖2 三維模型上不同作用的線

動畫電影中的三維模型在布線方面始終強調要使用四邊面來制作模型，這個硬性技術要求的深層原因是當攝影機距離被拍物體越近，模型邊緣的精度會越低。為了提高模型邊緣的光滑度，需要對模型添加光滑（Smooth）節點，而光滑節點對模型上四邊面的支持遠優于三邊面（在制作三維游戲使用的三維模型時，由于沒有光滑的需求，因此多以三邊面的形式呈現）（圖3）。

圖3 不規則布線和規則布線添加光滑后的不同結果

模型最終還是以完成動畫表演為目的。模型上線的功能主要有兩個，一是完成造型，二是完成動畫時需要的變形。如為了眼睛或嘴巴在閉合時可以嚴絲合縫，需講究上下布線的對稱性；考慮到嘴角在水平方向的運動范圍，需參考現實中口輪匝肌的范圍；如果要在眉頭上揚時出現抬頭紋，需增加角色額頭的布線;無論是手指、手腕，還是肘部、膝蓋，為了在彎曲時制作出肌肉擠壓效果，也需要有足夠的線才能實現。任何為局部效果增加的線都會影響到全身的布線，這也是制作角色模型的技術難點。

2.2 模型資產與不同技術部門的相互影響

模型的制作質量將影響后續所有的制作部門，如生產毛發的模型、布料解算的模型、在綁定中使用的低邊模型、群集動畫使用的低邊模型等。這些模型都脫胎于資產部門提供的原始模型，但又有各自不同的需求。

毛發的制作內容不僅包括角色制作的頭發、眉毛、睫毛和胡須，道具或衣服上的皮毛，根據具體的細節需要，有時候還會制作角色臉上的汗毛或毛絨面料上的絨毛。模型結構越復雜、動畫越多，對毛發產生的影響越大。以常見的頭發制作為例，頭部模型解剖結構的準確性將影響發型發式結構的準確性。如果模型結構不合理，也會影響到毛發造型的美觀程度。頭部模型布線是否正確地劃分出頭皮的范圍，是否可以清楚地判斷出發際線、鬢角，對于毛發制作時頭皮模型提取的準確性有著明顯影響。

布料解算的計算方式要求參與解算的模型布線為均勻分布的單層四邊面。不均勻的布線會使布料模型在解算過程中，由于不同大小的面導致拉伸度和變形曲率的不一致，影響解算結果的美觀度。為了布料能夠順利解算，角色的衣服模型一般都會刻意與身體模型間保持一點點距離。衣服是有厚度的模型，而制作布料解算的模型不需要厚度，是單層的模型，它取自衣服模型內側貼近皮膚的面，兩者間使用包裹產生鏈接關系。布料在解算后會產生多少褶皺的基本因素是模型的面數，面數越多的模型有助于產生更加細膩的褶皺?？梢杂貌剂辖馑愕木唧w效果為依據來安排衣服和布料模型的精細程度。另一個影響褶皺的因素是碰撞體的模型面數，也就是身體的模型面數。布料和碰撞體的精細度應該是盡量相近的，這樣布料解算出的效果會更好。這些布料解算的特性必然對角色身體模型和衣服模型的制作產生反向的影響（圖4）。

圖4 拓撲勻稱的模型和不勻稱的模型進行布料解算的結果對比

低邊模型的用途主要是為了提升動畫制作時的交互速度或渲染速度，其不需要進行光滑處理。制作低邊模型的主要方式是在原始模型上減少布線來完成，一般可以將模型上橫向和縱向排序在偶數的線段去掉，注意不要破壞原始模型的UV，以確保模型上的貼圖也可以正確顯示。如果將低邊模型按面數由高到低排列，面數最高的低邊模型，主要用于卡通風格的道具和角色，它保留了模型的主造型線和變形線，并繼承所有可變形的綁定效果，用以滿足中遠景的動畫表演和渲染。只保留主造型線的低邊道具模型，不繼承綁定變形和參與渲染，用于提高制作布局（Layout）時軟件的交互速度。用于角色綁定的低邊模型，將面數較高、影響動畫制作時交互速度的角色從各關節位置進行拆分，使模型零散化，再把這些零散的模型約束回相應的關節，由于沒有了蒙皮權重的影響，可以在Layout 制作時提供很高的交互速度。群集動畫時使用的低邊模型，無論是角色還是道具都類似于面數最高的低邊模型，而且可以更加簡略。

2.3 模型資產的數據優化

雖然現在的計算機硬件性能已經今非昔比，控制資產數據總量對于項目的順利進行仍然具有現實意義。制作模型資產時需要考慮計算機能夠承載數據量的極限，具體而言，一是軟件使用時交互能力的極限，二是對參與最終渲染的數據總量的承受能力，而模型數據占據著其中主要的數據量。

模型資產的數據量不是一成不變的，在不同的階段有不同變化。參與動畫表演的模型資產在進入綁定階段時發生一次數據量的增加，其原因是計算模型在三維空間內位置變化的方式發生變化，前者通過位移節點來控制整體的位移，后者使用骨骼或者變形器帶動的模型上的點來進行空間位置的變化，所以綁定文件的數據量會翻倍增加，特別是綁定文件中使用了面數較高的模型時，在動畫制作階段影響軟件的交互速度是極其常見的問題。在Alem‐bic 文件格式的渲染流程會去除掉動畫文件中復雜的數據信息，改為動態模型數據。在FBX 文件的渲染流程，會保留骨骼動畫信息和蒙皮模型信息，去掉復雜的綁定控制信息，以減輕文件數據量。因此參與動畫表演的數據無論是角色還是道具，其數據在渲染階段并不會造成過多影響。

真正造成影響的往往是不參與動畫的模型，比如場景模型和環境模型（圖5）。就像在前文中提到的，美術設計需要對重復度高的物體有限制地進行設計。此原則也一樣適用于模型資產的制作。制作場景或環境模型時應依據景別來判斷模型的制作精度。減少模型數據量最有效的方法是刪除模型結構中隱藏的、不參與渲染的面；其次是將相同類型但又不動的模型進行合并，因為在三維軟件中一萬個單面模型和一個一萬個面的模型，數據量的計算方式是不同的，如屋頂的瓦片。如要選擇合并模型，需先處理好模型的UV，否則計算機有可能處理不了這種合并后數據量過大的UV 數據。

圖5 刪除插入到其他模型內部且不參與渲染的紅色底面以減輕模型數據量

3 從動畫預演場景到最終場景

3.1 動畫預演

三維動畫電影在進入鏡頭拍攝期時，會將拍攝任務拆分成不同的階段逐步完成拍攝。一般的拍攝流程可以分為動畫預演（PreViz）、Layout、動畫制作、燈光渲染（暫且將角色特效和視覺特效歸納到燈光渲染內）四個主要階段。每個階段對于模型的需求都是不同的，我們很難提前準備出滿足所有的場景和環境資產，因此模型的制作也是循序漸進的。

動畫預演是在電影正式開機或制作前對電影拍攝任務用簡單快速的方式預先制作一遍的過程。在此階段正式的美術設計工作可能尚未進行或稍有進展，因此主要的依據是版本較早或終版故事板來進行預演拍攝。通過使用低邊示意模型快速對每個鏡頭內的拍攝信息進行確認，內容包括且不限于人物、場景、道具間的比例關系，角色和攝像機走位，鏡頭拍攝時長，畫面構圖，特效示意等。低邊示意模型可以使用任意形式的模型來演示，只要在鏡頭中可以區分出模型代表的具體含義即可。

3.2 場景的搭建與細化

預演場景的搭建主要參考美術設計和故事板提供的信息，將主表演區以三維空間的坐標原點為中心，在一定的區域內進行簡單的搭建。如果表演區距離坐標原點太遠，有時會對角色綁定文件和毛發布料的解算產生不良影響。

預演場景可以根據每個鏡頭的實際需要在鏡頭中進行模型的位移、旋轉、縮放、添加、刪除等，使用最簡單的方式確定影響鏡頭構圖的要素，如室內的家具、室外中近景的地形變化和植被等。最終將所有預演鏡頭中的低邊模型和攝影機軌跡合并到一個文件內，來考察整個預演模型是否可以滿足所有攝影機的拍攝需要，并根據實景情況進行調整，最終得到一個信息較為準確的場景示意模型。

如果預演動畫中創建出的模型處理得當，將對美術設計和模型的細化產生重要影響。從宏觀角度講，它既可以是美術設計師細化美術設計的三維參考，也可以通過場景中的攝影機位置來劃分主要拍攝區、次要拍攝區以及場景模型和背景繪制的邊界。從微觀角度講，根據景別較近的鏡頭拍攝的范圍，可以為正式的模型制作標定出需要細化的具體位置。

環境制作中植被資產的創建，同樣需要注意模型的美觀性和數據量上的控制。植被模型最終被處理成代理幾何體緩存，用于提升植被分布時的交互速度。值得注意的是，渲染器對植物細節的展現力是有限的，特別是中遠景別中的植被，如果在渲染畫面中樹枝的粗細只占用1 或2 個像素，那么在渲染結果中很有可能無法看出樹枝，而樹葉則飄在空中。因此，渲染器的局限性也成為植被設計和植被模型制作的限制條件之一。

4 結束語

簡而言之，三維模型是通過連接虛擬空間中的點來實現的。僅僅站在三維模型制作的角度會使眼光變得局限。因為三維模型的制作不僅承載了美術設計的藝術性，更承載了三維動畫制作流水線中所有的基礎性技術要求。模型的質量對綁定、動畫、布料解算以及最后的渲染結果都有著直接的影響。模型本身的問題會在后續工作中被不斷放大，處理成本也會隨著項目的進行越來越高。

對于模型資產，科學的規劃以及嚴格的質量管理和數據量管理，一方面將有效提升工作中軟件的交互速度，進而提高動畫師和燈光師的工作效率。另一方面將有效提升渲染速度，并可以避免由于數據量過大導致的內存不足和系統崩潰問題。模型資產籌備的難點在于要站在宏觀角度來考慮問題，這樣將會為影片的制作質量、制作周期、拍攝成本產生積極的影響。