實時渲染三維引擎技術(shù)應(yīng)用發(fā)展與效果創(chuàng)新思考*

王 勇 陳贊蔚

（廣州美術(shù)學院,廣東廣州 510220）

一、實時渲染技術(shù)在影視動畫行業(yè)的應(yīng)用初期

國外的實時渲染技術(shù)在影視行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)持續(xù)了二十余年，早期只能應(yīng)用于電影拍攝的同步預(yù)覽，導(dǎo)演彼得·杰克遜在1999年《指環(huán)王》系列電影的制作過程中，就曾經(jīng)成功地運用實時渲染技術(shù)觀察數(shù)字內(nèi)容與實拍畫面合成的初步預(yù)覽，用于確定拍攝的鏡頭機位以及輔助電影后期數(shù)字化制作；隨著實時渲染引擎技術(shù)的發(fā)展，在2009年上映并震撼世界的電影《阿凡達》中，導(dǎo)演詹姆斯·卡梅隆可以在監(jiān)視器中實時看到更接近最終效果的數(shù)字CG內(nèi)容并在拍攝的現(xiàn)場實時看到真人演員與這些渲染畫面的互動，并隨時調(diào)配整個現(xiàn)場的相機與演員。制作團隊對于實時渲染技術(shù)的成熟運用極大地提升了攝制的效率，也為電影上映之后的一鳴驚人打下了堅實的基礎(chǔ)。

2014 年Epic Games 公司開發(fā)的實時渲染引擎UnrealEngine4（以下簡稱虛幻4）正式發(fā)布，并于2015年公布其引擎將提供給所有人免費下載使用，因此極大地吸引并推動了實時渲染引擎技術(shù)在各個行業(yè)的應(yīng)用。經(jīng)過多年的版本更新迭代，虛幻引擎已在多個通常被視為視覺效果和數(shù)字動畫的領(lǐng)域進行了結(jié)合與突破：影視、動畫、建筑可視化、工業(yè)產(chǎn)品渲染、實況活動演出等，尤其在動畫短片與動畫劇集的方向頗有建樹。

與此同時，中國的動畫從業(yè)者也早早關(guān)注到實時渲染技術(shù)帶來的革新，早從2017年開始如《武庚紀》《地靈曲》《槍神記》《斗羅大陸》《秦時明月》《全職高手》《凡人修仙傳》等國產(chǎn)動畫劇集都是采用虛幻引擎的實時渲染技術(shù)來制作的。有研究調(diào)查顯示：“根據(jù)網(wǎng)絡(luò)訪談動畫制作公司以及畫面分析得出，使用離線渲染技術(shù)的電視動畫數(shù)量，從2012年開始增長，2016年-2017年達到巔峰，數(shù)量為59部，從2018年開始逐漸下降；而使用實時渲染技術(shù)的電視動畫數(shù)量，從2010年開始在不斷增長，2015年開始保持每年2-3部的增速，直到2020年占全年國產(chǎn)三維電視動畫數(shù)量總量的半成”。這也足以說明使用實時渲染進行制作在動畫行業(yè)已經(jīng)逐漸成為主流。也正是由于近年來，后互聯(lián)網(wǎng)時代流媒體爆發(fā)生長的形式，中國的動畫主要流媒體平臺如騰訊、愛奇藝、bilibili、優(yōu)酷等對動畫內(nèi)容數(shù)量與更新頻率的需求日益提升，也使得越來越多的人選擇實時渲染技術(shù)。

二、人工智能時代實時渲染引擎的進步

有關(guān)于三維動畫的各種技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)誕生了相當多樣化的形式類型的軟件與插件可以幫助動畫創(chuàng)作者制作動畫，特別由于計算機行業(yè)的高速發(fā)展使得三維動畫制作中可以借助各種程序來輔助三維動畫的制作：例如三維場景的植被與地形的生成、建筑群的布局、批量人群的生成等等。然而這些智能技術(shù)在實時渲染的動畫制作中應(yīng)用的同時也帶來了一些問題：這些由程序自動化輔助生成的數(shù)字內(nèi)容本身具有批量化特征，并且由于定制化的實現(xiàn)成本較高，往往這些程序生成的數(shù)字資產(chǎn)會大量調(diào)用現(xiàn)有素材，從而導(dǎo)致了觀眾可以明顯地看出各種內(nèi)容的重復(fù)與素材的痕跡，而這些視覺元素的重復(fù)往往會帶給觀眾們極快的審美疲勞。

但是隨著人工智能時代的降臨，AI智能可以做到數(shù)據(jù)分析并深度學習，過往的程序化制作已經(jīng)開始逐漸往更加智能的方向靠攏：數(shù)字人技術(shù)、語音經(jīng)過AI的計算轉(zhuǎn)化表情、動作生成、圖形分析并生成對應(yīng)模型等等，相信在人工智能更加成熟的將來，實時渲染與AI技術(shù)可以更好地幫助藝術(shù)家創(chuàng)作并真正的解放生產(chǎn)力。

三、實時渲染引擎技術(shù)在動畫領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸

隨著實時渲染技術(shù)在中國動畫行業(yè)內(nèi)應(yīng)用場景與使用頻率的提升，其動畫產(chǎn)出的數(shù)量與效率確是有所提高，但是隨之出現(xiàn)的一些制作方面的問題也逐漸顯現(xiàn)，如特效與材質(zhì)粗糙簡單、場景不夠精致充滿風格不協(xié)調(diào)的模型、素材堆砌等問題也常受觀眾詬病，導(dǎo)致這類作品常常在初次亮相時滿堂喝彩，而到了后期同質(zhì)化作品泛濫時則乏力，導(dǎo)致評價和口碑不佳。

由于實時渲染技術(shù)的最初使用目的是針對游戲的開發(fā)，導(dǎo)致在引擎中數(shù)字資產(chǎn)的模型、材質(zhì)、燈光等方面都是針對可以讓內(nèi)容能流暢運行并盡量節(jié)省資源并優(yōu)化計算機性能，但帶來的后果就是所制作的數(shù)字內(nèi)容不夠精細；雖然隨著虛幻引擎的版本更新，已經(jīng)加入了“高質(zhì)量影片輸出渲染”“路徑追蹤器”等渲染方式，但由于底層邏輯的原因，使得使用虛幻引擎制作動畫仍然很難達到傳統(tǒng)離線渲染方式的效果。此外，實時渲染引擎誕生之初是為了滿足游戲開發(fā)的需求，因此其制作手段許多都是為了提升真實感或模擬真實物理效果而設(shè)計，因此又導(dǎo)致使用虛幻引擎制作的影視動畫片風格過于單一或接近的問題。

無論是實時渲染抑或離線渲染，目前對渲染效果的技術(shù)追求一直是“真實感”，這是由于當前渲染技術(shù)的核心算法是基于PBR（Physicallly-Based Rendering）物理規(guī)律模擬的一種渲染技術(shù)，它模擬的是三維模型的材質(zhì)物理特性以及光是如何與材質(zhì)交互的。但是隨之而來對于動畫行業(yè)的問題也逐漸顯現(xiàn)：隨著技術(shù)水平進步和動畫作品迭代與層出，觀眾們對畫面效果的“真實感”要求也越來越高，如此技術(shù)導(dǎo)向與大眾審美的交叉也導(dǎo)致了動畫創(chuàng)作者在學習和使用技術(shù)的同時，不可避免地追逐“真實感”。如此局面導(dǎo)致實時渲染在動畫領(lǐng)域應(yīng)用似乎也遇到了難題，“迪士尼模式再次成為一種全球化、寡淡無味的文化象征，技術(shù)濫用與美學貧瘠的問題浮出水面。從某種角度看，當今的動畫技術(shù)，仿佛退回到了詭盤時代，也就是聚焦于原始的“視覺蒙騙術(shù)”的年代”。而目前的動畫制作手段與工具的PBR渲染核心理念也帶來了從制作理念開始的失衡。

四、多種解決實時渲染瓶頸問題的嘗試

動畫的藝術(shù)是造夢的藝術(shù)，是真實與想象的平衡的，視覺效果的逼真與否不應(yīng)該成為動畫本身所追求的重要維度，并且在三維動畫的領(lǐng)域中，技術(shù)進步與審美進步是存在時間差的，當技術(shù)的越發(fā)成熟而導(dǎo)致被大眾審美接受的時候，恰是新一輪技術(shù)顛覆當前審美的開端。

（一）利用實時渲染引擎呈現(xiàn)其他的藝術(shù)風格

二維動畫的制作手段特質(zhì)決定了其可以毫無界限地追求和拓展人們的想象空間，著名的二維動畫藝術(shù)家西維亞·喬邁在使用三維技術(shù)時，也會故意用二維的效果去“污染”三維軟件本身的透視體系所渲染的畫面，“三維技術(shù)幾乎要使人變成透視法的奴隸，受其牽制，而我偏更喜歡那些奇怪形狀的背景，喜歡給廚房地板安上不對稱的方格。我不愿失去對純粹圖像該有的敏感度”。而當我們面對三維實時渲染的制作手段時，也可以思考如何結(jié)合工具來打破渲染技術(shù)的物理真實特性，來更好地表達創(chuàng)意。

在實時渲染領(lǐng)域也有著許多動畫藝術(shù)家為了打破“真實感”的束縛進行了嘗試，其創(chuàng)作者或有意或無意地會選取了制作過程中的一部分來進行“反真實感”改變，以獲獎與贊譽無數(shù)的動畫短片《愛死亡與機器人E03證人》為例：動畫導(dǎo)演選擇把環(huán)境部分的模型貼圖完全替換成手繪，如此的大膽的嘗試造成的反真實的視覺差異，使得成片最終的效果十分驚艷；英國的動畫工作室Blue Zoo使用虛幻引擎實時渲染技術(shù)創(chuàng)作的動畫《Ada》，講述的是一位女裁縫被困在一個北極小島上，不得不學習在荒野中生存的故事，因為其劇本是基于真實故事，團隊為了展現(xiàn)創(chuàng)意并凸顯影片孤獨的基調(diào)與氛圍，決定使用鉛筆畫風格來實時渲染所有三維材質(zhì)。

上述的各種制作手法都相當于把三維動畫中的某一元素進行“陌生化”處理，讓其展現(xiàn)出來的效果與基于物理渲染的引擎所呈現(xiàn)方式有所不同，“想要在視覺和藝術(shù)上成功地表現(xiàn)某物，就必須背離其基本的視覺形態(tài)，以有別于日常概念的形式出現(xiàn)在人們眼前”。而上文提及的兩部動畫所運用的“陌生化”手段也是動畫藝術(shù)中對呈現(xiàn)的事與物或概括或夸張的表現(xiàn)形式之一，而這些擺脫“真實感”天馬行空的形式與手法也是動畫藝術(shù)吸引人的必要一環(huán)。動畫的創(chuàng)作本質(zhì)也不是把所有細節(jié)都全盤托出，由此，如何借助實時渲染的高效性優(yōu)勢并圍繞如何進行創(chuàng)新的視覺效果來投入資源與人力，來呈現(xiàn)讓人眼前一亮的表現(xiàn)方式必然是日后的突破口。

（二）結(jié)合創(chuàng)作者自身優(yōu)勢以揚長避短

傳統(tǒng)使用離線渲染的動畫團隊制作的周期都很長，在制作后期任何一個環(huán)節(jié)的調(diào)整修改都會導(dǎo)致重新渲染，而實時渲染的出現(xiàn)能夠讓制作者實時看到制作成品的畫面是其最大的優(yōu)勢，制作人員可以協(xié)同創(chuàng)作，每一次調(diào)整都有即時的反饋，這在動畫行業(yè)是翻天覆地的變化，“好的藝術(shù)作品應(yīng)感動時代，其核心要打動觀眾、引領(lǐng)觀眾，而不是迎合市場。更不能重復(fù)復(fù)制，中國動畫電影只有在創(chuàng)作觀念上創(chuàng)新，才能突破目前的局限”。

2019年位于東京的Cyclone Graphics于制作了由烏丸匡創(chuàng)作的日本人氣漫畫《非槍人生》改編的系列動畫，該動畫講述了一個神經(jīng)機械學大行其道的戰(zhàn)后社會，這個以二維動畫為制作核心的團隊決定使用虛幻引擎渲染片中的所有畫面背景，將手繪的動畫角色與實時渲染出的三維CG背景融合到了一起，在不到6個月時間里為4000個成品鏡頭創(chuàng)作了細節(jié)齊全的背景，這使他們在極大提升制作效率的同時忠實地再現(xiàn)了原著中細節(jié)豐富的賽博朋克世界，動畫在全球范圍播出并獲得不俗的反響。如此的制作方式是由于制作公司充分考慮到了自身二維動畫的制作優(yōu)勢，并采取實時渲染技術(shù)來作為制作的一環(huán)來提升動作制作整體的效率。

筆者所在的廣州美術(shù)學院視覺藝術(shù)設(shè)計學院陳贊蔚研究生導(dǎo)師工作室（AzureSkyStudio），也正在進行實時渲染引擎創(chuàng)作8K超高清動畫視頻的研究，同時還實現(xiàn)了個人工作站較快速生成8K分辨率的動畫素材（圖1），這在過去必須有渲染農(nóng)場才能進行的時期是不可想象的。如此利用實時渲染引擎可以快速調(diào)整預(yù)覽最終渲染效果極大提升整個制作效率的同時，還發(fā)現(xiàn)新流程對藝術(shù)設(shè)計提出了新的需求。

圖1 利用UnrealEngine4單機生成的8K超高清動畫測試

中國的動畫創(chuàng)作者或者團隊們，不一定都可以擁有像追光、皮克斯、迪斯尼等大型公司的技術(shù)儲備與人員配置，那么在進行動畫創(chuàng)作過程中，可以更好地借助實時渲染的技術(shù)優(yōu)勢，并思考如何結(jié)合自身制作團隊的優(yōu)勢，轉(zhuǎn)變思維方式通過合理的布局讓每個人可以發(fā)揮自己的長處，讓實時渲染技術(shù)成為制作流程中發(fā)揮優(yōu)勢的一環(huán)，而不僅僅是一個渲染輸出的工具。

五、結(jié)語

三維數(shù)字動畫藝術(shù)發(fā)展至今，每有新的影視動畫技術(shù)誕生或變革，創(chuàng)作者往往容易被新技術(shù)帶來的新效果所迷惑，會因為新效果帶來新體驗而沉醉其中。但是往往技術(shù)可能并不完善而效果并不完美，或是與藝術(shù)性的表達“水土不服”。

因此創(chuàng)作者在一方面學習與利用新技術(shù)的同時，依然需要思考如何借助工具來創(chuàng)造令人驚喜的表現(xiàn)方式，并不斷提高自身的水平與新的技術(shù)相互依存，方能駕馭技術(shù)本身使之真正成為幫助創(chuàng)作的“利器”；另一方面，因為新技術(shù)始終會成為“老”技術(shù)，所以還要繼續(xù)想方設(shè)法，突破現(xiàn)有技術(shù)的局限，尋求更具有創(chuàng)新性的藝術(shù)表現(xiàn)形式而不迷失掉動畫藝術(shù)充滿無邊想象力的本質(zhì)。同樣作為中國的動畫人，我們需要思考的是如何走在技術(shù)的前面，在學習技術(shù)與運用技術(shù)、在尋找不同問題的解決方案的過程中需要轉(zhuǎn)換思維，尋找出因問題帶來的不同答案的可能性。