三維動漫制作與虛擬現(xiàn)實結(jié)合技術(shù)研究

楊世恩

(西南科技大學 網(wǎng)絡信息中心，四川 綿陽 621010)

目前，中國教育行業(yè)中，中小動漫的制作技術(shù)還比較落后，與教育需求還有很大差距。而中小動漫企業(yè)的動漫作品制作效率低、制作費用高也使得動漫普及教學受到嚴重影響。對三維動漫制作與虛擬現(xiàn)實結(jié)合技術(shù)的研究，是探索適合中小動漫教學3D動漫制作的一種新方法。對3D動漫三維體驗環(huán)境的建設，是培養(yǎng)學生3D動漫專業(yè)技術(shù)素質(zhì)，充分促進國家“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”有效實施的有力保障。

首先，對前沿虛擬現(xiàn)實VR(Virtual Reality)系列裝備與傳統(tǒng)的3D動漫技術(shù)進行研究，動漫中的3D技術(shù)主要是通過電腦進行前期創(chuàng)意和后期制作。傳統(tǒng)的方法需要大量信息技術(shù)領(lǐng)域的中高級計算機圖形技術(shù)CG(Computer Graphics)專業(yè)人員，經(jīng)專業(yè)人員的角色建模、美工、材質(zhì)與燈光、動畫及電影特效等純軟件制作，制作過程效率較低、投入大，且對于一些與實際相結(jié)合的動漫作品的逼真度也較低，觀賞性難以引起觀眾的共鳴。而新的動漫制作方法主要是在建模和動畫兩個階段引入VR的三維掃描儀和運動捕捉等硬件系統(tǒng)，通過這些硬件設備的靈活運用，可大大提高3D動漫部分場景的逼真度，可使制作的效率大大提高，為3D動漫制作提供一種非常實用的制作方法。

其次，為了方便高校動漫專業(yè)實踐教學需要，建立一個動漫環(huán)境或動漫實驗室。制作動漫時，將現(xiàn)實環(huán)境融入到動漫制作過程中，實現(xiàn)“在動漫中學動漫”，充分體現(xiàn)了三維動漫與現(xiàn)實相結(jié)合的概念。該實驗環(huán)境具備先進的動漫制作技術(shù)理念，結(jié)合VR技術(shù)合理地組織資源，運用運動捕捉展示技術(shù)和人機交互技術(shù)，建成一個科學內(nèi)涵豐富、體驗形式多樣、體驗層次清晰、真實地與動漫人物互動的體驗環(huán)境。

1 3D動漫制作技術(shù)現(xiàn)狀

三維動漫制作技術(shù)綜合了計算機圖形學，特別是真實感圖形生成技術(shù)、圖像處理技術(shù)、運動控制原理、視頻顯示技術(shù)，甚至包括了視覺生理學、生物學等領(lǐng)域的內(nèi)容，還涉及到機器人學、人工智能、物理學和藝術(shù)等領(lǐng)域的理論和方法[1]。如張藝謀的《十面埋伏》、夢工廠的《怪物史萊克》、以及《哈利·波特》等電影，幾乎都可以看到三維動漫制作的華麗痕跡。

1.1 國外三維動漫制作技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

對于三維動漫制作技術(shù)的運用，最先進和最成熟超前的是歐美等國家。近些年，日本和韓國的三維動漫制作技術(shù)水平也提高很快。在動畫的制作上，三維動漫制作技術(shù)實現(xiàn)的要求要遠低于一部大電影制作的投入，從而應用也變得十分廣泛[2]。

1.2 我國三維動漫制作技術(shù)的現(xiàn)狀

隨著數(shù)字動畫設計成為新的朝陽產(chǎn)業(yè)，中國的數(shù)字媒體也跟上了發(fā)展的步伐，現(xiàn)在己經(jīng)進入“讀圖時代”。目前三維動漫行業(yè)在我國的發(fā)展很快，許多電視廣告、游戲和動畫片中，甚至一些電影中都能看到三維動漫制作設計的元素[2]。國內(nèi)首部大型武俠三維動畫連續(xù)劇《秦時明月》備受業(yè)界和眾多動漫迷們矚目，其中第一部20集《百步飛劍》投資超過1 000萬人民幣，全系列共八部總投資預計超過5 000萬元人民幣。無論是在技術(shù)攻關(guān)還是成本控制上，《秦時明月》都克服了很多極具挑戰(zhàn)的難題。與以往歐美或日韓的作法不同的是，《秦時明月》一改以往此類題材作品以二維技術(shù)為主的局面，其中的人物、場景、特效全部采用三維CG影像和卡通渲染技術(shù)。此種三維影像表現(xiàn)方式，充分結(jié)合了三維與二維的優(yōu)點，一改形象單一的三維人物臉譜以及過于寫實的動畫風格，兼具手繪動畫的精美細膩與三維動畫的強烈動態(tài)演出效果，帶給觀眾新鮮完美的觀影體驗，符合充滿幻想的《秦時明月》以武俠與奇幻為主題的唯美奇幻風格。同時由于采用全三維技術(shù)進行制作開發(fā)，人物、場景等元素一經(jīng)完成便可重復用來調(diào)節(jié)動畫，素材利用率高，量產(chǎn)時大量節(jié)省了制作時間和人力成本。在武打表現(xiàn)上，《秦時明月》也采用了目前最先進、主流的高新動態(tài)捕捉(Motion Capture)技術(shù)來捕捉演員的動作場面，是國內(nèi)首部以動作捕捉技術(shù)制作的全三維動畫片。而在以往的計算機動畫制作中，都使用三維動畫制作軟件來制作三維角色的形象并調(diào)制角色動作。整個角色動作都是由操作人員逐幀調(diào)整的，使得動作的制作工作變得十分煩瑣、復雜，且極易出現(xiàn)誤差，效率很低。而以Motion Capture為基礎的動畫制作系統(tǒng)將物體的實際動作數(shù)據(jù)記錄下來輸入計算機，經(jīng)處理后由計算機在虛擬鏡頭中恢復，同時控制材質(zhì)。由于該制作系統(tǒng)記錄的是物體的實際運動，所以動作精確、效率極高?？梢?，中國的動漫技術(shù)已經(jīng)打開劃時代的新局面。

2 VR技術(shù)與3D動漫結(jié)合方法

隨著CG的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實VR和3D動漫技術(shù)都得到了很大發(fā)展，國內(nèi)外行業(yè)的軟、硬件提供商分別開發(fā)了功能強大、性能優(yōu)良的大量新產(chǎn)品。在研究它們各自的特點之后，探討了運動捕捉系統(tǒng)和三維掃描儀等VR設備與3D動漫制作相結(jié)合的技術(shù)。三維動漫虛擬系統(tǒng)設計如圖1所示。

圖1 三維動漫虛擬系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)將三維建模快速制作系統(tǒng)、動漫技術(shù)、VR設備和網(wǎng)絡技術(shù)進行有機整合，實現(xiàn)一個可交互的動漫虛擬環(huán)境。系統(tǒng)主要由運動捕捉系統(tǒng)、立體投射系統(tǒng)、交互輸入設備及分布式網(wǎng)絡虛擬平臺等組成。

在實施具體教學過程中，學生不僅能觀看到動漫場景，還可以融入動漫中，運用輸入設備讓自己在動漫中遨游。整個系統(tǒng)具備操作性強、參與感佳、隨機性好及實時效果優(yōu)等特點。

2.1 三維建模系統(tǒng)

在實際建模過程中，通常根據(jù)被模擬的現(xiàn)實世界對象的復雜性以及模型逼真期望程度，采用多種方式相結(jié)合形成模型數(shù)據(jù)。建模方法與所要模擬的對象類相關(guān)，也與應用領(lǐng)域密切相關(guān)。針對所要模擬對象的不同方面，可將當前流行的建模方法分為景物外觀建模、基于物理的建模、行為建模和虛實融合建模等[3]。景物外觀建模針對景物的外觀，主要包括基于幾何、圖像和材質(zhì)光照信息的建模方法；物理建模在于體現(xiàn)對象的物理特性，使得動漫作品中的動靜態(tài)景物更加逼真，主要涉及物體的動力學、碰撞、變形等物理過程的模擬；虛實融合建模是一類重要的建模方法，可以使計算機生成的虛擬景物與現(xiàn)實世界的真實環(huán)境自然地融為一體。從而有效地提高VR建模的效率、靈活性和逼真性。

對于動漫中的三維模型建模，可通過三維掃描儀掃描實物，建立表面三維數(shù)據(jù)。這些表面三維數(shù)據(jù)就是實物表面的三維坐標點集，得到的大量坐標點集稱為點云(Point Cloud)。這樣建立三維模型速度快、精度高，且形象逼真。

2.2 運動捕捉系統(tǒng)

在計算機動畫中，手調(diào)動畫制作費時費力。如果大批量生產(chǎn)，需要大量的資金和成批的角色動畫方面的專業(yè)人才，制作周期長，實現(xiàn)手調(diào)動畫實現(xiàn)真實風格比較困難。而使用結(jié)合VR中運動捕捉系統(tǒng)，能在較少資金較短時間內(nèi)快速制作出大量真實風格的動畫。并在動作的真實性、節(jié)約資金、縮短制作周期等方面均優(yōu)于手調(diào)動畫，在近幾年的國內(nèi)外動漫影視中方面應用非常廣泛。

2.3 運動數(shù)據(jù)的可調(diào)性技術(shù)

運動捕捉研究歷史較長，尤其是人體骨骼運動方面的技術(shù)比較成熟，從捕捉、追蹤、識別、骨架轉(zhuǎn)換到骨架調(diào)整，整套流程有比較完善的解決方案，但由于其自身特點的原因，仍存在一些不足。針對這些問題，利用某些軟件(如Film Box)的功能雖可以解決，但由于大多數(shù)動畫師不會使用這些軟件，在不同軟件間相互導入導出也比較麻煩。在角色動畫中，一般用動力學控制和運動學控制兩種技術(shù)來生成人體動畫，尤其是運動學中的反向運動學在三維動畫軟件中應用廣泛。這兩種控制技術(shù)都試圖利用人體運動的物理規(guī)律來生成人體動畫，但是由于人體運動規(guī)律的復雜性很高，特別是人體運動協(xié)調(diào)機制的模擬非常困難，因此生成的動畫并不逼真，而且缺乏實際人體運動中豐富的細節(jié)信息。而運動捕捉系統(tǒng)則克服了以上三種運動控制技術(shù)的缺點，成為人體動畫中最具有前途的技術(shù)之一。運動捕捉技術(shù)綜合運用計算機圖形學、電子、機械、光學、計算機視覺、計算機動畫等技術(shù)，在運動物體的關(guān)鍵部位設置跟蹤器，由捕捉系統(tǒng)捕捉跟蹤器的位置，再經(jīng)過計算機處理后，為用戶提供在動畫制作中使用的數(shù)據(jù)[4]。當數(shù)據(jù)被計算機識別后，動畫師即可以采用數(shù)據(jù)驅(qū)動三維模型生成動畫，可方便地在計算機產(chǎn)生的鏡頭中調(diào)整、控制運動的物體。運動捕捉后的數(shù)據(jù)可以直接調(diào)入三維動畫中驅(qū)動三維模型，也可以通過第三方軟件作為“中間人”進行編輯，將模型和數(shù)據(jù)在軟件中進行匹配。

加強運動捕捉系統(tǒng)取得的數(shù)據(jù)在三維軟件的可調(diào)性技術(shù)應用就是根據(jù)捕捉采集數(shù)據(jù)的特點，使用Maya的編程語言Mel來編寫一個可充當“中間人”的插件來實現(xiàn)。運動數(shù)據(jù)可以通過疊加、插入等不同方式進行修改，在前向動力學和反向動力學算法之間自由轉(zhuǎn)換，并且可以開發(fā)出友好的使用界面。為了方便使用，需要有一個友好的界面“中間件”使操作盡可能簡單，為動畫師提供方便，并節(jié)約制作時間。

當運動捕捉角色需要做大量、復雜的調(diào)節(jié)時，應提供一套能適用于絕大多數(shù)情況的骨骼系統(tǒng)，這套骨骼系統(tǒng)既可以進行前向動力學調(diào)節(jié)，也可以進行反向動力學調(diào)節(jié)，而不用在不同骨骼之間選擇。這樣可以使工作更加規(guī)范，提高工作效率。所以骨骼系統(tǒng)要在功能強化與復雜程度之間取得一個平衡點。最終可設計四套相同的骨骼：運動捕捉數(shù)據(jù)骨骼、反向動力學骨骼、前向動力學骨骼及角色蒙皮骨骼。這幾套骨骼相互關(guān)聯(lián)，共同完成調(diào)節(jié)工作。

3 三維動漫虛擬環(huán)境建設實踐與應用

學校從科研和教學兩個方面考慮，建立了三維動漫虛擬實驗室。實驗室一改傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實實驗室或者動漫實驗室的建設思想，除了建立一個具有一定規(guī)模的傳統(tǒng)CG實驗室外，從三維動漫或網(wǎng)路虛擬實驗等產(chǎn)品開發(fā)和專業(yè)教學實驗的角度，還建立了一個“三維動漫虛擬環(huán)境”實驗室，使科研工作者或?qū)I(yè)學生，實現(xiàn)“在動漫中學動漫”，在“虛擬中做實驗”。其硬件布局如圖2所示。

圖2 三維動漫虛擬環(huán)境示意圖

圖2中，將運動捕捉系統(tǒng)的8個攝像機組相對均勻地分布在房間頂部四周；立體投射系統(tǒng)的投影機安裝在房間的頂部中央，立體投射屏幕靠墻安放；三維掃描儀可安置在房間兩個角落；其他設備例如系統(tǒng)計算機及網(wǎng)絡等設備分布在屏幕對面的墻壁一邊，整個房間的中央就出現(xiàn)了一個空曠的虛擬交互環(huán)境。通過本文系統(tǒng)設計理念，運用運動捕捉展示技術(shù)和人機交互技術(shù)，構(gòu)建一個層次清晰、真實的與動漫人物互動的體驗環(huán)境。通過體驗區(qū)所提供的實踐機制來檢驗自己對動漫科學知識、科學方法的掌握和運用能力，從而綜合提高對動漫及虛擬技術(shù)的快速掌握與普及。

三維動漫在中國市場上有著廣闊的應用前景，而三維動漫的制作是藝術(shù)和技術(shù)緊密結(jié)合的工作。文中通過對三維動漫制作技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，以及對動漫虛擬環(huán)境的建設技術(shù)的分析與實踐，為后期相關(guān)課題的實施奠定了良好的基礎。

[1]簡述電腦三維動畫技術(shù)的最新發(fā)展及其應用現(xiàn)狀.http：//zhidao.baidu.com/question/89343560.html，2009.

[2]周顯杉.淺談三維動漫制作技術(shù)[J].硅谷，2009(24)：45-46.

[3]宋順林，詹永照.三維計算機動畫中人體建模方法的研究[J]，軟件學報，2005，6(5)：311-315.

[4]劉賢梅，李冰，吳瓊.基于運動捕獲數(shù)據(jù)的虛擬人動畫研究[J]，計算機工程與應用，2008(8)：113-115.