探析虛幻引擎在三維影視動(dòng)畫創(chuàng)作中的應(yīng)用

摘要：隨著虛幻引擎的快速發(fā)展，其功能更加全面，虛幻引擎憑借在實(shí)時(shí)渲染方面的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崟r(shí)渲染出高質(zhì)量的畫面效果。現(xiàn)在虛幻引擎已經(jīng)應(yīng)用在三維動(dòng)畫制作領(lǐng)域，使用虛幻引擎制作三維動(dòng)畫可以進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，多工作任務(wù)并行，方便實(shí)時(shí)修改，極大地提高了制作效率。本文對(duì)傳統(tǒng)三維動(dòng)畫制作流程和使用虛幻引擎制作三維動(dòng)畫流程進(jìn)行分析比較，闡述使用虛幻引擎制作三維動(dòng)畫的優(yōu)勢(shì)、現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：虛幻引擎;三維動(dòng)畫;實(shí)時(shí)渲染;影視動(dòng)畫

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2021）15-00-02

虛幻引擎是一款為開發(fā)游戲而推出的開發(fā)工具，它集成了游戲開發(fā)所需要的核心功能，用戶使用它可以快速地開發(fā)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(fā)的，如《戰(zhàn)爭(zhēng)機(jī)器》《堡壘之夜》等。虛幻引擎不斷發(fā)展，現(xiàn)在它已經(jīng)不只是單一的游戲開發(fā)工具，而是應(yīng)用于動(dòng)畫、建筑、影視、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)三維創(chuàng)作工具。虛幻引擎憑借實(shí)時(shí)渲染功能，在三維動(dòng)畫制作方面的優(yōu)勢(shì)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(fā)工具，它集成了游戲開發(fā)所需要的渲染、物理系統(tǒng)、碰撞檢測(cè)、音效、動(dòng)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(fā)游戲作品。從1998年推出虛幻引擎1至今，虛幻引擎歷經(jīng)了多次迭代，2014發(fā)布了虛幻引擎4，目前已發(fā)布的最新正式版本是虛幻引擎4.26，2021年5月26日發(fā)布了虛幻引擎5搶先體驗(yàn)版。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，虛幻引擎的各項(xiàng)技術(shù)得到了較大的提升，功能也越來(lái)越完善，渲染效果也更加真實(shí)。虛幻引擎4支持實(shí)時(shí)光線追蹤、動(dòng)態(tài)光源等功能，在渲染方面實(shí)現(xiàn)了進(jìn)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(gè)版本中還推出了藍(lán)圖可視化編程工具，用戶可以使用藍(lán)圖中的可視化節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程，沒有編程語(yǔ)言基礎(chǔ)的用戶也能使用虛幻引擎開發(fā)游戲或交互類產(chǎn)品，大大降低了虛幻引擎的學(xué)習(xí)門檻，吸引了更多用戶加入虛幻引擎開發(fā)者隊(duì)伍。隨著近幾年手機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等設(shè)備的發(fā)展，虛幻引擎獲得了多個(gè)平臺(tái)的支持，使用虛幻引擎開發(fā)的內(nèi)容，一次開發(fā)可以部署到移動(dòng)平臺(tái)、主機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等多平臺(tái)設(shè)備上，提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本。2021年5月推出了虛幻引擎5搶先體驗(yàn)版，這個(gè)版本較上一個(gè)版本有較大的革新，它新增了一些跨時(shí)代的功能，比較受行業(yè)關(guān)注的是虛擬化微多邊形幾何體系統(tǒng)和全動(dòng)態(tài)全局光照解決方案。有了虛擬化微多邊形幾何體系統(tǒng)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(shù)的模型導(dǎo)入虛幻引擎中流暢使用，可以獲得精度更高的畫面效果，優(yōu)化了以往的制作流程，減少了手動(dòng)降低高模等煩瑣的工作。用戶可以使用全動(dòng)態(tài)全局光照解決方案制作動(dòng)態(tài)、真實(shí)的畫面效果，場(chǎng)景中的間接光照可以隨著環(huán)境的光照發(fā)生實(shí)時(shí)改變，讓場(chǎng)景中的光照效果更加生動(dòng)真實(shí)，用戶可以不用再制作光照貼圖紋理坐標(biāo)，不用再烘焙光照貼圖，只需要把燈光放置到場(chǎng)景中，就能實(shí)時(shí)獲得最終的光照效果[1]。虛幻引擎具備完善的功能，可實(shí)時(shí)渲染照片級(jí)的畫面效果，受到了眾多游戲開發(fā)者和公司的歡迎，在游戲引擎領(lǐng)域占據(jù)了較大的市場(chǎng)比例?，F(xiàn)在虛幻引擎已經(jīng)廣泛應(yīng)用于游戲開發(fā)、動(dòng)畫制作、影視制作、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。

2 傳統(tǒng)三維影視動(dòng)畫創(chuàng)作流程

從1995年問(wèn)世的世界第一部全電腦制作的動(dòng)畫《玩具總動(dòng)員》至今，三維影視動(dòng)畫已發(fā)展了二十多年，三維影視動(dòng)畫制作已經(jīng)形成了一套較為成熟的制作流程，制作軟件以數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)建軟件為主，在數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)建軟件中能制作模型、綁定角色、制作動(dòng)畫、燈光渲染等內(nèi)容。三維影視動(dòng)畫片的制作過(guò)程大致可以為分前期、中期、后期三個(gè)部分。前期有動(dòng)畫劇本寫作、創(chuàng)作分鏡頭、設(shè)計(jì)動(dòng)畫角色場(chǎng)景;中期有模型制作、角色綁定、動(dòng)畫制作、材質(zhì)、燈光渲染;后期為合成。整體的流程是設(shè)計(jì)、模型、綁定、動(dòng)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(diǎn)是環(huán)環(huán)相連，需要上一個(gè)環(huán)節(jié)制作完成以后才能進(jìn)行下一個(gè)環(huán)節(jié)。因此制作周期比較長(zhǎng)，如果某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)影響后續(xù)的所有環(huán)節(jié)，修改的成本較高[2]。傳統(tǒng)三維動(dòng)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(xiàng)目時(shí)還需要大型渲染農(nóng)場(chǎng)，渲染成本高，渲染完成后才能看到畫面效果。如果出現(xiàn)問(wèn)題需要返回前面的環(huán)節(jié)進(jìn)行修改，再重復(fù)后續(xù)的操作，則需要多個(gè)環(huán)節(jié)配合修改，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，修改成本很高。目前隨著4K、8K等超高清技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)三維動(dòng)畫的畫面效果要求越來(lái)越高，渲染的運(yùn)算量和成本也不斷提高。對(duì)畫面要求極為嚴(yán)格的三維動(dòng)畫電影，渲染的計(jì)算量更是天文數(shù)字，渲染一部動(dòng)畫電影需要使用數(shù)千臺(tái)計(jì)算機(jī)，不間斷地渲染幾個(gè)月甚至一兩年的時(shí)間[3]。例如，動(dòng)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(shí)動(dòng)用了兩千多臺(tái)計(jì)算機(jī)[4]。

3 虛幻引擎在三維影視動(dòng)畫創(chuàng)作中的應(yīng)用

虛幻引擎在早期是一個(gè)游戲開發(fā)工具，提供了游戲開發(fā)所需要的核心功能。經(jīng)過(guò)了二十多年的發(fā)展，虛幻引擎的功能更加全面，在實(shí)時(shí)渲染方面有著較大的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崟r(shí)渲染高質(zhì)量的畫面效果。現(xiàn)在的虛幻引擎已不是單一的游戲開發(fā)工具，而是應(yīng)用于電影、建筑、廣告、動(dòng)畫等眾多行業(yè)的實(shí)時(shí)三維創(chuàng)作工具。虛幻引擎非常重視在動(dòng)畫行業(yè)的應(yīng)用，陸續(xù)推出了角色動(dòng)畫工具、動(dòng)畫藍(lán)圖、實(shí)時(shí)連接插件、多軌跡編輯器等動(dòng)畫工具，讓虛幻引擎在動(dòng)畫制作方面更加方便快捷。近幾年虛幻引擎不斷通過(guò)項(xiàng)目測(cè)試，開發(fā)出動(dòng)畫相關(guān)的功能。2015年用虛幻引擎4制作的動(dòng)畫短片《放風(fēng)箏的小男孩》發(fā)布，這個(gè)短片展示了虛幻引擎在表現(xiàn)大型場(chǎng)景和真實(shí)環(huán)境方面的優(yōu)秀能力。2020年維塔數(shù)碼團(tuán)隊(duì)使用虛幻引擎4制作了動(dòng)畫短片《狐獴》，該片中動(dòng)物角色的毛發(fā)非常細(xì)膩真實(shí)，展示了虛幻引擎在實(shí)時(shí)毛發(fā)方面的優(yōu)秀效果。隨著虛幻引擎在動(dòng)畫制作方面實(shí)時(shí)渲染等優(yōu)勢(shì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多使用虛幻引擎制作的三維動(dòng)畫陸續(xù)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(dòng)畫片。這部動(dòng)畫片的場(chǎng)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(shí)時(shí)渲染，節(jié)省了大量的時(shí)間，動(dòng)畫師可以實(shí)時(shí)獲得最終的畫面效果[5]。

相比傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫制作流程，使用虛幻引擎制作動(dòng)畫有很大不同，首先需要在數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)建軟件中制作角色場(chǎng)景模型，通過(guò)貼圖制作工具制作模型貼圖，并在數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)建軟件中給角色架設(shè)骨骼綁定控制系統(tǒng)，完成角色動(dòng)畫，然后把模型、貼圖、動(dòng)畫資源導(dǎo)入虛幻引擎中，在虛幻引擎中完成場(chǎng)景搭建、燈光、渲染、特效、鏡頭等任務(wù)。使用虛幻引擎制作三維動(dòng)畫的流程是非線性的，很多任務(wù)是可以并行的，場(chǎng)景、動(dòng)畫、燈光、特效制作都可以同時(shí)進(jìn)行，并通過(guò)實(shí)時(shí)渲染輸出最終的效果[5]。動(dòng)畫團(tuán)隊(duì)中各個(gè)成員可以實(shí)時(shí)看到光照、動(dòng)畫和材質(zhì)的動(dòng)畫效果，可以從不同的角度查看動(dòng)畫場(chǎng)景[6]。在制作過(guò)程中可以對(duì)某個(gè)任務(wù)中存在的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行修改，不會(huì)對(duì)其他任務(wù)的進(jìn)行造成影響，這種多任務(wù)并行的制作流程是一個(gè)非常大的優(yōu)勢(shì)，可以節(jié)省制作周期[7]。

在制作動(dòng)畫角色模型和動(dòng)畫的前期階段會(huì)不斷調(diào)整修改，在傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫制作流程中，動(dòng)畫師不能實(shí)時(shí)看到動(dòng)畫和場(chǎng)景的最終效果，需要等待較長(zhǎng)時(shí)間，經(jīng)過(guò)渲染輸出才能看到最終效果。采用虛幻引擎動(dòng)畫流程，動(dòng)畫師可以通過(guò)虛幻引擎的實(shí)時(shí)連接插件將動(dòng)畫數(shù)據(jù)從數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)建軟件流送到虛幻引擎中，在制作動(dòng)畫的同時(shí)，在數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)建軟件和虛幻引擎中使用相同場(chǎng)景，在數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)建軟件中制作動(dòng)畫的同時(shí)，可以在虛幻引擎中看到實(shí)時(shí)渲染的動(dòng)畫效果[6]。

使用虛幻引擎制作動(dòng)畫可以很方便地與動(dòng)作捕捉結(jié)合制作動(dòng)畫，虛幻引擎推出了一些支持動(dòng)作捕捉的工具。在虛幻引擎4中推出的實(shí)時(shí)連接插件可以捕捉真人表演的動(dòng)作數(shù)據(jù)，將其直接傳輸?shù)接螒蛞嬷校賹?dòng)作數(shù)據(jù)傳遞給動(dòng)畫角色，動(dòng)畫團(tuán)隊(duì)可以在有燈光、特效場(chǎng)景的畫面中實(shí)時(shí)看到動(dòng)畫角色。2020年虛幻引擎發(fā)布了面部實(shí)時(shí)連接，這是一款可以捕捉人物面部表情的蘋果手機(jī)應(yīng)用程序，它可以通過(guò)蘋果手機(jī)捕捉人物面部的動(dòng)畫效果，并將動(dòng)畫數(shù)據(jù)傳送至虛幻引擎的虛擬角色。該應(yīng)用的面部識(shí)別功能采用了蘋果公司推出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，再結(jié)合蘋果手機(jī)的三維攝像頭，可以識(shí)別人物面部表情變化，實(shí)時(shí)連接插件可以將識(shí)別到的表情動(dòng)畫數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摶靡?。使用該方案進(jìn)行表情動(dòng)畫捕捉，獲取的動(dòng)畫數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，能應(yīng)用到動(dòng)畫制作中，而且硬件設(shè)備成本較低，是一種簡(jiǎn)單可行的表情動(dòng)畫捕捉方案[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

虛幻引擎具有優(yōu)秀的實(shí)時(shí)渲染效果，是一款成熟的動(dòng)畫制作工具，國(guó)內(nèi)外許多團(tuán)隊(duì)都在嘗試使用虛幻引擎制作動(dòng)畫。相比較傳統(tǒng)三維動(dòng)畫制作流程，虛幻引擎有實(shí)時(shí)渲染、多任務(wù)并行等優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)渲染可以讓動(dòng)畫團(tuán)隊(duì)在制作過(guò)程中及時(shí)看到動(dòng)畫效果，可以在制作中實(shí)時(shí)調(diào)整修改，可以省去傳統(tǒng)三維動(dòng)畫制作長(zhǎng)時(shí)間的渲染等待，多任務(wù)并行的工作方式可以讓動(dòng)畫、場(chǎng)景、燈光、渲染、特效等工作同時(shí)進(jìn)行，可以實(shí)時(shí)看到動(dòng)畫渲染效果。這樣的動(dòng)畫制作方式，極大地提高了效率，節(jié)省了制作的周期和成本。目前虛幻引擎制作動(dòng)畫有許多的優(yōu)勢(shì)，但也存在一些不足。目前國(guó)內(nèi)外使用虛幻引擎制作三維動(dòng)畫還處于起步階段，相關(guān)技術(shù)人才儲(chǔ)備不足，相關(guān)院校的動(dòng)畫專業(yè)教學(xué)還是以傳統(tǒng)的動(dòng)畫制作流程進(jìn)行教學(xué)，傳統(tǒng)三維動(dòng)畫的制作人員轉(zhuǎn)向虛幻引擎制作動(dòng)畫也存在一定的技術(shù)門檻，使用虛幻引擎制作三維動(dòng)畫的團(tuán)隊(duì)和動(dòng)畫作品占比還較少。目前虛幻引擎的實(shí)時(shí)渲染與傳統(tǒng)三維動(dòng)畫中的離線渲染綜合相比還不具備明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)品質(zhì)要求高的三維動(dòng)畫電影主要還是以傳統(tǒng)三維動(dòng)畫制作流程為主。但隨著技術(shù)的不斷更新，使用虛幻引擎制作三維動(dòng)畫的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加凸顯，將解決目前動(dòng)畫制作上的難題，未來(lái)虛幻引擎會(huì)在三維影視動(dòng)畫領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：李何（1989—），男，四川萬(wàn)源人，碩士，講師，研究方向：游戲設(shè)計(jì)與制作。