基于三維圖形引擎的動畫創(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，主機游戲，移動平臺游戲，VR游戲甚至是地產(chǎn)設(shè)計、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引擎屬于免費的開源引擎，其余 4款引擎屬于收費的商業(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、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、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；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、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、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)；

動畫交互功能對比:OGRE引擎動畫系統(tǒng)逆向運動學、骨骼動畫、Skeletal-Ani、運動混合、Blending；人工智能系統(tǒng)不支持；虛幻引擎Unreal Engine4動畫系統(tǒng)支持關(guān)鍵幀動畫、骨骼動畫、動畫混合；人工智能系統(tǒng)支持尋徑、決策、有限狀態(tài)機、腳本；Unity動畫系統(tǒng)支持DCC等工具導出生成的動畫、腳本控制動畫播放；人工智能系統(tǒng)不支持，需要編寫腳本AI；Gamebryo引擎支持骨骼動畫、面部動畫、層級動畫、動畫序列、動畫與物理模擬結(jié)果的混合、動畫序列之間的混合；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雜骨骼動畫；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)、運動模糊、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；支持實時三維圖形混合音頻流、視頻流；從單人游戲到實時多人游戲網(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。

各個三維圖形引擎都有各自的優(yōu)點和缺點，很難用統(tǒng)一標準來衡量性能的好壞。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)三維動畫制作方式

傳統(tǒng)的動畫制作技術(shù)的進步已經(jīng)從單機渲染技術(shù)推進到網(wǎng)絡(luò)渲染，并且各個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?，F(xiàn)今，三維圖形引擎制作動畫能夠更加快速地對修改的模型場景燈光進行判斷，三維圖形引擎具有即時渲染技術(shù)，方便實時地對光影效果，材質(zhì)質(zhì)感、特效效果進行修改，節(jié)約大量的渲染時間成本，從而提高了對光影材質(zhì)判斷修改的時間，更容易得到優(yōu)秀的作品。傳統(tǒng)的3D動畫制作流程是以Maya為制作平臺搭配其他DCC和渲染器輔助的流程，這個流程被大多數(shù)動畫公司采用。這個流程簡要來說是模型、綁定、動畫、材質(zhì)、燈光、渲染一系列順序流程，以Maya為主，其他DCC輔助是一個線性非破損流程。這個流程下的好處是工藝成熟，可控性高，人才儲備豐富，在現(xiàn)有人才結(jié)構(gòu)下運轉(zhuǎn)良好，團隊磨合好，戰(zhàn)斗力很強。缺點就是技術(shù)決定了團隊環(huán)節(jié)多，規(guī)模大，渲染后的修改需要之前流程重復運轉(zhuǎn)一次，修改成本大，團隊的磨合成本高?，F(xiàn)今，三維圖形引擎制作動畫能夠更加快速地對修改的模型燈光進行判斷，三維圖形引擎具有即時渲染技術(shù)，方便實時地對光影效果、材質(zhì)質(zhì)感、特效效果進行修改，節(jié)約大量的渲染時間成本，從而提高對光影材質(zhì)判斷修改的時間，容易得到優(yōu)秀的作品。

4.基于虛幻引擎Unreal Engine4的動畫制作

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。用游戲引擎制作動畫稱之為引擎動畫。結(jié)合游戲引擎的實時渲染和修改能力來制作動畫，是解決三維動畫生產(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作為一個新的制作動畫平臺，相應(yīng)規(guī)范的流程和人才儲備還不夠完善。虛幻4在整個流程里和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作捕捉系統(tǒng)，創(chuàng)建相應(yīng)的骨骼動畫，進而導入到虛幻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，然后輸出這樣一個流程。

相比Maya的線性流程，虛幻流程是一個非線性流程，在虛幻4這個流程中每個節(jié)點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修改，隨時輸出。借助引擎中的燈光系統(tǒng)，給場景賦予燈光，使整個建筑環(huán)境更加鮮活。虛幻4的光源類型可以調(diào)整燈光的顏色、強度、位置、大小、方向等模擬動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)光源與動態(tài)光源，讓每種類型的陰影利用其優(yōu)勢彌補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)點所組成的網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建。由材質(zhì)可視腳本節(jié)點、網(wǎng)格、顏色、 紋理貼圖、材質(zhì)屬性以及材質(zhì)輸入五個部分組成的可視化編輯器。每一個節(jié)點都包含HLSL代碼片段，以實現(xiàn)美術(shù)人員所需表達的視覺效果。將模型導入引擎后，逐個賦予材質(zhì)，調(diào)整材質(zhì)參數(shù)，如高光、反光、折射、反射、凹凸紋理等，以達到最接近現(xiàn)實的物體外觀效果。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)作團隊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演可以縱觀全局。

世界上第一個用虛幻4制作的動畫片《Zafari》?！禯afari》是由David Dozoretz指導的一部動畫片，制作公司為Digital Dimension。動畫制作中的鏡頭數(shù)量特別多，前期制作組擔心渲染時間不夠，在制作前半部分時依然按照傳統(tǒng)的流程。比如，角色和動畫是在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實時制作的想法。從流程角度來看，他們所采用的整個照明和渲染流程，在逐步前移和縮短時間。在布局和布景階段燈光會同時開發(fā)，一旦動畫得到確認，那么一個小時之后就會看到完整版的一段了。

Zafari項目是第一個完全在虛擬游戲引擎中呈現(xiàn)的動畫片，導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）、基于矢量的動態(tài)模糊，并且還做出外觀真實的水，而制作組使用虛幻4已經(jīng)加速了所有這些問題。像《Zafari》這樣大的項目，有10000個鏡頭，需要達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)流程制作時能夠在一天內(nèi)測試渲染，使用UE4能在數(shù)小時內(nèi)完成20次。每一集大概需要20個節(jié)點，而傳統(tǒng)的流程可能會達到120多個，這就像剛剛完成了動作，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，特效幾乎是實時的，燈光、特效乃至渲染與合成都是在引擎里完成的，可以實時地看到最后的效果，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目，通常一個燈光部門大概有三至八個人。現(xiàn)在，在燈光和渲染團隊的規(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。這樣能真正激勵設(shè)計師實時的工作。另一方面，成本在下降，同時質(zhì)量也在提高。

上述的這些優(yōu)勢使得虛幻引擎 4 很適合制作系列動畫片。國產(chǎn)動畫——《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)動的形式，堪比院線電影品質(zhì)，使這部動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，這很大程度上都歸功于《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)動畫制作而言，這是一個比較創(chuàng)新大膽的嘗試。在制作動畫的時候，可以通過實時運算的方式進行預覽。當內(nèi)容需要調(diào)整時，可以直接在引擎中進行調(diào)整，不僅擁有非常高的畫面品質(zhì)，而且在節(jié)約時間成本上有很大的優(yōu)勢。系列動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)動畫——《地靈曲》在鏡頭運用上很有特色。制作人在鏡頭運用上十分大膽，推拉搖移一應(yīng)俱全，觀者看得很過癮。傳統(tǒng)動畫的每一個鏡頭都是在分鏡階段設(shè)計好的，后期如果效果不佳也沒辦法反復修改。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)作者更多的表達空間，也能給觀眾帶來更豐富的體驗。

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

結(jié)語

基于國內(nèi)外三維引擎在三維動畫領(lǐng)域中的應(yīng)用，利用引擎技術(shù)優(yōu)化動畫的制作流程，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)、風格、角色場景設(shè)定、背景音樂等方面需要進行反復多次的改動，才能更好地細分各個分鏡頭。對于前期的修改在傳統(tǒng)動畫制作中需要大量的準備工作與人力消耗。但由于引擎動畫的介入，在制作中實現(xiàn)“實時修改”與“實時渲染”，利用所見即所得的優(yōu)勢呈現(xiàn)動畫片段與鏡頭組合。進入到動畫制作中期階段，角色的動作、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)群集動畫——千軍萬馬的戰(zhàn)爭場面，每一個角色不能簡單地粘貼復制，戰(zhàn)斗的動作不能全部相同。在傳統(tǒng)動畫中需要對每個角色進行單獨調(diào)整。若有500個角色，每個角色調(diào)整的時間為10分鐘，那么需要將近4天時間。但在引擎中可以通過腳本控制群集動畫，如走路、跑步、攻擊、躲避等動作通過腳本控件來調(diào)整。幾個小時內(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)動畫制作時，特效需要專業(yè)人員進行反復修改與磨合來實現(xiàn)，消耗較多的人力與物力、時間與創(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)整進行實時修改與渲染，完成不同效果的視覺展示。也可利用眾多特效插件實現(xiàn)動態(tài)氛圍，實現(xiàn)多樣化控制。

今后，在影視動畫的制作上進一步推廣三維引擎技術(shù)的發(fā)展，力求滿足消費者高品質(zhì)的視聽享受，促進行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的共同進步。介于國內(nèi)現(xiàn)階段情況來看，利用引擎技術(shù)制作動畫處于起步發(fā)展階段，技術(shù)人員還需要進一步研究引擎的內(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，這也要有一個長達幾年或十年的發(fā)展期，給技術(shù)發(fā)展的時間和人才成長的時間，實時渲染制作動畫一定會成為業(yè)界主流。