数字动画技术探秘

第四节　数字动画技术探秘

传统动画的制作过程非常复杂而且费时费力，计算机技术在动画领域中的应用不仅简化了传统动画的制作过程，提高了动画质量，而且发展出数字动画这一新的动画形式。

数字动画是指采用图形与图像的处理技术，借助于编程或动画制作软件生成一系列的景物画面，其中当前帧是前一帧的部分修改。与传统动画一样，数字动画也是通过连续播放静止图像产生物体运动的效果。数字动画可分为二维数字动画和三维数字动画两种。前者以Animo动画、Flash动画和GIF动画为代表，无论画面的立体感多强，终究是二维空间上模拟真实三维空间的效果；后者则是根据数据在计算机内部生成的，画中的景物有正面、侧面和反面，调整三维空间的视点，能够看到不同的内容。

●案例

　　迪士尼公司的动画大片《花木兰》中，匈奴大军厮杀的那场戏仅用了5张手绘士兵的图，其余三四千个不同表情士兵作战的模样全部由电脑生成。该片人物设计总监表示：如果用传统的手绘方式来完成，以动画制片小组的人力，完成整部影片的时间可能会由5年延长至20年；而且要拍摄出片中千军万马奔腾厮杀的场面，基本上是不可能的。

图4-41　选自影片《花木兰》

图4-42　选自影片《虫虫特工队》

●案例

　　在继电脑动画电影《玩具总动员》之后，导演约翰·拉萨特又带领着他的金奖团队创造出了《虫虫特工队》中令人惊奇的昆虫世界。《玩具总动员》积累的宝贵经验，以及动画师们对于电影技术和电脑媒体的纯熟度已趋完美。不但动画的解析度高达当年的4倍，鲜明生动的色彩与光线运用，也是其他电影所无法比拟的。导演在这部影片中更加注重人物性格的刻画，赋予了他们各自独特的风格与动作表情。

一、软件与硬件

数字动画的关键技术体现在制作软件及硬件上，不同的动画效果，取决于不同软件、硬件的功能。目前的制作软件很多，虽然制作的复杂程度不同，但动画的基本原理是一致的。而硬件方面，除必备的扫描仪、数码相机、数码摄像机等图像输入设备外，Wacom数字绘图板已经成为越来越多的插画家和动画师进行数字艺术创作的工具。三维动画对电脑性能要求非常高，SGI超级图形工作站可算是最好的三维与视觉特技的硬件平台，它提供给创作人员异常强大的图形工作能力。Softimage 3D、MAYA、Flint等软件在SGI平台上可以发挥最好的性能。

●案例

　　为完成《魔比斯环》这部全三维数字电影，环球数码建立了500套专业图形工作站，动用400多名三维动画师，耗资1.3亿美元，整整制作了5年时间。影片共制作角色模型176套、场景模型461套、道具模型242套、106场戏、1602个镜头，制作文件的总数量超过11万个。

●二维数字动画软件

在二维数字动画中，计算机的作用包括输入和编辑关键帧，计算和生成中间帧，定义和显示运动路径，实现交互功能，给画面上色，产生特技效果，实现画面与声音同步，控制运动序列的记录，等等。常用二维动画制作软件中，使用最广泛的是Animo、USanimation、AXA和Toonz。近几年，其他一些类型的动画软件也相继出现，一类是矢量动画软件如Flash、Director、Toonboom，另一类是制作Gif动画的软件，如Ulead Gif Animator、Easytoon等。这两类格式的动画因为制作简单、文件体积小而在网络上广为流传。

Animo：英国Cambridge Animation公司开发的运行于SGI工作站和Windows NT平台上的二维卡通动画制作系统，众所周知的动画片《小倩》、《空中大灌篮》、《埃及王子》等都是应用Animo的成功典例。它具有面向动画师的工作界面，扫描画稿能够保持原始线条，快速上色工具具有自动上色和自动线条封闭功能，并与颜色模型编辑器集成在一起提供了不受数目限制的颜色和调色板；它具有灯光、阴影、照相机镜头的推拉、背景虚化、水波等多种特效处理，并可与二维、三维和实拍镜头进行合成；它所提供的可视化场景图可使动画师只用几个简单的步骤就完成复杂的操作，大大提高了工作效率和速度。

Toon Boom Studio：为专业级动画制作设计的矢量动画软件之一。界面较为复杂，逻辑性极强，可以自动进行声轨分析，并创造出正确的口型。该软件分为“绘图”和“场景规划”两个独立的部分，完成绘图工作之后，可在“场景规划”模式下把不同动画元素组织在一个可透视的图层里，轻松完成三度空间的动画场景，还可以制作出诸如变焦、移动拍摄等电影拍摄效果。

Flash：一种交互动画制作工具，开发初期主要应用于网络动画及多媒体课件的制作；现在集绘画、动画、音效、合成及脚本语言开发于一身，并以其强大的功能为基础，与其他各种数码硬、软件辅助工具相配合，独树一帜地建立起一种无纸动画模式，不少团队的商业Flash已粗具规模。

4-43　Flash短片Beatles(黄志华等)

Animator Studio：基于Windows系统，集动画制作、图像处理、音乐编辑、音乐合成等多种功能于一体的动画制作软件。

Moho：一款小型电脑二维矢量动画软件，支持Flash格式输出，特有的二维骨架系统可以提高动画制作的效率。

此外，还有日本生产的Retas，法国生产的Pegs等二维动画软件。这些软件都有异曲同工之处，通常与Photoshop、Illustrator、Painter等绘图软件配合使用，大有取代传统动画制作工艺之势。

●三维动画制作软件

在各种动画软件中，三维创作软件所占的比重最大。随着电脑科技的日新月异，各个软件公司不断推出新的版本，使电脑动画技术更加普及。

SoftImage：一款历史悠久、功能强大的应用于工作站的三维动画软件，能够实现许多令人惊异的效果。大量的动画辅助工具使SoftImage制作的作品栩栩如生，代表作之一就是《侏罗纪公园》里的恐龙。近年来Microsoft公司将SoftImage移植到Windows NT上，其影响力进一步扩展。

Lightwave 3D：起初是NewTek公司为Amiga平台设计的一款三维软件，现已适用于Windows平台。该软件能够实现粒子动画以及不同类型的图像映射和图像融合效果。

Renderman：Pixar公司一款可编程的三维创作软件，在三维电影的制作中取得了重大成功，例如《玩具总动员》中的三维造型全部是用Renderman绘制的。

Maya：Alias/Wavefront公司为适应飞速发展的PC电脑而推出的适用于Windows NT工作环境的三维动画软件。该软件功能强大，在建造模型方面提供了完整的NURBS及Polygon制作模型工具、变形工具箱、编织曲面；上色方面以选择式光迹追踪法模拟各种透镜、灯光效果；提供理想的肌肉、皮肤和衣服动画制作工具，同时可生成自然景观；Maya在给三维设计者提供优秀的制作工具来表达非凡创意的同时，还支持复杂的动态互动功能。相信看过《星际战队》的朋友会感受到Maya强大的功能。

3D Studio：Autodesk不仅有享誉全球的Autocad，也产生了著名的三维动画制作工具3D Studio及换代产品3D Studio MAX。3D Studio在DOS时代就非常流行，现在国内仍有很多专业人员用它做建筑效果图。随着视窗操作系统的流行，Autodesk公司推出了3D Studio MAX，由于它是在Windows NT下运行，且性能远超过3D Studio，因而迅速成为国内的主流产品。

●案例

　　《疯狂牧场》中的场景与人物设计在CGI技术的大幅度提升后有了更加广阔的发挥。名为SOFTIMSGE XSI的系统成为生产这部影片的主力军。该系统主要用于各种活跃角色的生成，其独特的无损角色生成工作流程及能达到照片级真实感的制作工具，都给人们以深刻的印象。如影片中动物毛发的效果，逼真之余更能凸显动画电影的独特魅力。

图4-44　选自《疯狂牧场》

二、二维数字动画技术

二维数字动画与传统动画的制作过程非常相似，区别仅在于前者借助人工绘制，后者绝大多数工作借助科技手段的无纸动画工作平台完成。

●ANIMO动画制作流程

ANIMO是使用最广泛的二维动画软件之一，美国、日本的很多动画片都是在这种软件中进行线条处理、填色及画面合成的。在ANIMO中，有两种规划动画制作流程的方法，即基于描线上色的工作流程和基于摄影表的工作流程。

基于描线上色的工作流程，简单说要经过以下几个步骤：

扫描动画。在Scan level模块中扫描动画，并在Imageprocessor模块中处理为适合线条处理和填色的格式。

上色：在Ink and Paint模块中上色，存储为.crm(color models)格式。

扫描背景：在Scan Background模块中扫描背景或前景层图像，也可以用数位板直接在Painter软件中绘制。

合成与输出：在Director模块中合成动画与背景，渲染后输出为图像序列或动画文件(.tiff、.tga、.vig、.pict、.avi、.mov)。

基于摄影表的工作流程是指在动画制作之初就先设置好摄制表，根据摄制表的规定进行扫描和上色。这种方法适合于大型动画电影的制作，需要极其完备的前期准备。

图4-45　《独角王》片头制作(徐长雨)

●Flash动画

Flash动画制作流程完全可以参考传统动画技术一节，这里我们重点讲述Flash动画的特点与应用。Flash技术与动画结合，可以融入多媒体和互动两种特性，其主要特点表现在：

第一，受网络资源的制约，Flash动画一般比较短小。

第二，具有交互性优势，更好地满足了受众的需要，能够让欣赏者的动作成为其中的一部分，通过点击、选择等动作决定动画的进程甚至结果。

第三，Flash动画是矢量动画，文件小，传输速度快，可以利用独有的优势在网上广泛传播。

第四，Flash动画制作成本低，人力、物力资源的消耗少，制作时间大大缩短。

第五，用Flash制作的动画可以同时在网络和电视台播出，实现一片两播。

图4-46　韩国Flash作品《流氓兔》

这些特性预示了Flash动画的三个发展方向：一是纯动画短片的制作；二是交互式的商业应用；三是既有动画短片，又有交互内容的综合应用。Flash技术自面世后不断推陈出新，并逐渐从网络走向电影、电视、卡通、声乐等领域，推动了传统媒体与互联网的融合，网页设计者开始利用网络技术为商业、音乐电视和电视节目工作。

在网络电影领域，Flash技术自1997年由MACROMEDIA推出后，逐渐受到好莱坞制片公司的青睐，增加了微型电影和基于网络的电影制作。宝马汽车推出的网络电影系列就是靠Flash主战，其中包括李安导演的《卧虎藏龙》。

图4-47　Flash短片《闲云孤鹤》(黄志华李蒙等)

在电视广告领域，NETZERO公司运用Flash软件制作在黄金时段播出的电视广告宣传片，这种方式只花费了正常制作成本的2%，从而使广告制作成本与广告播出费用之间的比例更为合理。

在电视卡通剧领域，NELVANA的第一项新产品WHEN QUADS WON'T LEAVE是世界上第一部完全用Flash软件制作的电视系列剧，可以同时在网络与电视台播出，一片两播，能产生更好的经济效益。

在音乐领域，Flash MV更好地提供了在唱片宣传上既能保证质量又能降低成本的有效途径，并且能成功地把传统的唱片宣传推广带到电脑网络的更大空间。

图4-48　Flash MV《侃调》(徐长雨)

在游戏领域，索尼公司也宣布将把这项技术用于制作Playstation 2的片头。此外，由于它能够减少游戏软件中的电影片段所占数据容量，因此预计将为DVD游戏软件节省更多的空间。

图4-49　英国Flash小游戏

●GIF动画

GIF是Graphics Interchange Format的缩写，即图形交换格式，可以形容为在互联网上看到的翻页动画。GIF动画的好处是使用任何网页浏览器都可以播放，无需另外的外挂插件。

GIF适合制作简单动画，其原理与传统动画一样，事先的规划非常重要。但在制作过程中必须牢记一点：文件的大小决定着它在互联网上的传输速度，每增加一帧画面都会增加文件的数量，相应地在网络上打开这个文件所花的时间就越长。

由于人的眼睛和想像力会填补播放中的视差，在GIF动画中，只要抓住动作的关键瞬间，加上合理的时间控制，每秒钟只需要5帧画面就够了，而非传统动画的每秒25帧。

图4-50　GIF动画单帧画面

三、三维动画技术

制作三维动画是一个涉及范围很广的话题，至少要经过建模、材质、布景、照明、动画等几个环节。从某种角度讲，三维动画的创作有点类似于雕塑、摄影、布景设计及舞台灯光的使用，设计师可以在三维环境中控制各种组合。

制作三维动画的前期工作同传统动画大致相同，如调研、编写剧本、根据文字创意剧本绘制分镜头故事板、进行角色设计，等等，以便给后面三维制作提供参考。

●案例

　　迪士尼公司在拍摄《恐龙》时，先由背景设计师按导演的构思把场景绘制出来，再由实景搜索队去寻找类似的地方，足迹遍及美国的佛罗里达、加州，南美的委内瑞拉，太平洋的西萨摩亚和夏威夷，中东的约旦，以及南半球的澳大利亚。利用收集来的资料制作成三维工作手册，最终把世界各地的美景在电脑中进行合成，创造出一个奇幻的世界。

●基础建模

如同给平面角色绘制多角度造型一样，在建模之前也必须对创作的对象有非常清楚的概念，在纸上绘制好不同角度的草图，甚至用黏土制作出大概的模型，这会使后面的工作变得轻松些。

图4-51　In The Rough中的角色设计

图4-52　In The Rough人物最终效果

●案例

Paul Taylor导演的CG短篇In The Rough依据一些程式化的规律来设计人物，使人物看上去更现实，更具视觉冲击力。导演在决定人物造型时用了很长时间，但一旦主要角色的设计风格定了，其他的设计就变得容易很多。

图4-53　三维建模(狄丞)

建模就是利用三维软件在电脑上创造三维形体。一般来说有三种建模方法：

第一种是先使用“顶点建模器”工具绘出基本的几何形体，通过移动几何体面上的交叉顶点将它们变成需要的形状，然后通过“布尔运算”将这些简单形体组合在一起，从而建立复杂形体。第二种常用的造型技术是先创造出二维轮廓，然后以轮廓的中心点为轴，如同车间的车床一样通过旋盘方式将其拓展到三维空间。第三种建模方法叫做放样技术，先创造出一系列二维轮廓，用来定义形体的骨架，再将几何表面附于其上，从而创造出立体图形。

创造有机体最容易的方法就是使用“变形球建模器”，操作时如同揉捏一块黏土，可以通过增加或是减少形体构建最基本的材料“变形球”塑造出所需要的形体，然后再使用顶尖建模器进行精细加工。

上面提到的只是部分建模方法，每种软件实现这些建模功能的方法有所不同。无论使用什么软件，开始学习时都会有些困难，但只要仔细规划好要做的模型，尽量保持形体的简单，就能很快地构建一个完整的场景。

●材质与肌理

建模完成后，我们要在模型的表面添加材质与肌理，这是三维制作中的重要组成部分，不但能增加作品的真实感，还能节约用于建模和渲染的时间。

材质控制包括模型表面的所有外观，如颜色、凹凸效果，以及对各种光线的反映。每种软件都有不同的方法来处理这些功能，但同建模一样，所有的处理方法基本原理都是相同的。大多数的材质可以通过七个参数进行控制，即颜色、高光、亮度、凹凸度、反射度、透明度、折射度和发光度。这些参数可以独立使用，也可以混合使用，以创造想要的特殊效果。

图4-54　《怪物公司》中角色的肌理效果

图4-55　IRIVER MP3材质效果(狄丞)

多数软件都带有一些现成的可用于一般表面的材质，如金属、玻璃、木头等，一旦掌握了这些材质的参数设置原理，就可以创造自己的材质。除此之外，还可以使用材质贴图嵌入多面形体中，不但渲染的速度更快，也会使模型更为逼真。

●布景与场景

三维动画的合成与创作平面动画一样耗时，尽管不需要制作每一个画帧，但必须制作出每一个在画面上出现的东西。画面效果越逼真，需要创建的东西就越多。在制作场景之前，要进行细致的规划，比如在制作城市街头外景时应事先决定场景中要拍摄哪些东西，以及要从哪个角度进行拍摄。

搭建场景的方法要根据拍摄的方法而定，电影中看不到的东西就不用建造了，如果是大远景的镜头，可以只做一些基本形体后用贴图来制作细部效果。

图4-56　《冰河世纪》中的场景

图4-57　学生作品《长城》(狄丞)

●照明

没有照明就没有影像，照明除了用于给场景带来自然的光照效果之外，还能够赋予物体不同的形状感觉。

在三维动画里，建模时多是灰暗、均匀的照明效果，整个画面呆板而缺少生气。理想的照明是使用两种甚至三种光源：主光源提供强照明；补光用来减弱阴影的反差；第三种就是背光，用比较低调的灯光在背景中突出主要物体。这三种光源装备是制作室内布景的主导，若准备拍摄户外场景则必须处理所有光线的来源——太阳。多数三维软件都有内置的太阳光效果，编辑光源参数就可模拟出不同时段的日光效果。但要作出逼真的照明效果，还要不断试验软件所具有的功能，并仔细观察周围环境的光线变化。

●案例

《史瑞克2》(Shrek2)在拍摄过程中取得的两个值得称道的技术突破都与灯光有关：光线反弹着色器和次表面散射技术。光线反弹着色器的作用是让光线自然地从一个表面弹跳到另一个表面。比如在黑暗的房间里只有一盏小灯，但由于光线在房间里经过多次反射却照亮了很大一片。同理，光线反弹着色器也能计算出一盏灯射出光线的反弹位置。次表面散射技术则是为模仿半透明皮肤而开发的技术，起到了“里应外合”的作用。

图4-58　《史瑞克2》中的光线运用

●动画

动画就是使各种造型运动起来。多数三维动画软件使用的是关键帧和时间轴系统，这意味着制作人员要在动作的起始和终结处把角色或是物体设定好，在时间轴上设定好并准备好下一个动作的开始，然后由软件来完成关键帧之间的过渡动画。要处理一些面部动画及对口型的动画，可以选用专业的三维动画软件包或使用三维软件中的“变形”功能，通过追踪物体顶点之间的变化实现角色的变形，例如把剧中人变成狼人或吸血鬼。另一种方法就是用“骨架”来制作面部模型，通过对骨架中骨头位置的控制来带动顶点的位移，从而实现脸部动画。

●案例

　　法国电脑动画短片AP2000对角色采用了Q版处理，人物形象夸张到搞笑的程度，在为影片增添轻松氛围的同时，也极大地丰富了角色的性格，大侠虫在被授予奖牌的时候，为自己得到同伴们的重视而洋洋自得，一连串夸张、滑稽的动作，瞬间就给观众留下了深刻的印象。

●拍摄

在三维动画软件领域中，所有的东西都被称为物件，包括照明灯光和摄像机。除了建模时系统默认的摄影视角外，还可以加上自己的虚拟摄像机。摄像机的移动是让动画片产生动感、真实感的关键，它能模仿电影摄像机的感觉，还可以模拟在现实拍摄中不可能实现的摄像机效果。

在三维软件中，不同焦距的镜头和可变景深是拍摄时要设定的两个主要参数，了解一些电影拍摄知识会对动画影片拍摄有很大的帮助，如镜头的推拉摇移等，我们将在下一节详细讲述。

●渲染

渲染阶段，要把多边形、材质、照明和效果以及摄像机拍摄好的画面进行合成，这是三维数字动画制作过程中最重要的部分，对电脑的性能要求也非常高。在处理渲染时，计算机要经过成千上万道复杂的数学运算，才能创造出每一帧画面，而一部动画片要由成百上千的画面组成。

渲染时还要考虑动画片的发行方式，若用于录像带和电视发行，就要使用“区域渲染”功能，使生成的画面更清晰、更平滑。渲染尺寸也要根据影片最终输出的格式来确定，用于录像带时尺寸是640×480像素，而用于印刷时则要达到4000×2440像素。

三维动画的后期制作包括配音、特效、剪辑等，与传统动画并无太大差别，读者可以参考本章第二节《传统动画技术解析》的内容。

●案例

　　深圳环球数码公司制作的动画短片《桃花源记》从日本捧回了TBS动画数字作品大赛优秀奖。该片借助电脑三维技术，使角色形体动作更流畅，面部表情更丰富，细节性更强。与以往传统动画片不同的是，《桃花源记》不局限于一种表现形式，工笔、水墨、剪纸、皮影，被巧妙地糅合在一起。大量出现的水流和缤纷飘落的桃花，则运用了电脑三维图像。传统的艺术符号得到新的视觉体现，细节逼真且动感十足。

图4-59　《桃花源记》

给人最好的视觉感受是所有信息传播者共同的追求，未来我们将生活在信息的海洋里，而三维动画将是一道随处可见的风景。随着时间的推移，电脑技术将不断地发展和完善。但是技术手段的革新带来的只是表现形式的变化，而角色性格的塑造和细节的构思，仍旧有赖于动画创作者们敏锐的观察力和无穷的想像力。