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国内三维动画制作有哪些关键技术

2015-09-12 09:53:20 

一、几何建模技术

三维动画制作首要的步骤就是对客观物体进行计算机三维模型重建,而客观物体形态万千,

因此利用计算机进行几何建模的方法也各不相同。目前广泛采用的几何建模包括以下五种。

l、利用基本元素(如平面多边形、正方形、圆柱形、圆锥体、球体、曲面片)进行

拼接组合来制作几何模型。

2、通过两个造型之间进行布尔运算(交、并、差等)来产生新的几何模型。

3、通过Swe即造型工具来制作客观物体模型。这种方法是目前应川最广泛的造型

方法之一。它首先通过数字化仪或鼠标在二维平面上描绘出客观物体的各种特线

(一般又为轮廓线或横断面截线),后通过Swe即方法将这些曲线转变成三维模型。

简单的Sweep法包括平移扫描及旋转扫描法。平移扫描是将一ZD曲线沿一路径

平移后,再与原曲线连接而成三维模型,较好的平移扫描还包括bevel(斜角)处理。

产生棱角效果。

4、利用三维变换产生新的造型。将三维模型进行线性或非线性变换,从而产生

新造型。常川的变换包括旋转(rotate)、缩放(seale)、弯曲(bend)、扭曲(twist)

、倾斜(Skew)、锥形变型(taper)等。

5、利川粒子模拟几何造型。通过一系列的粒子(particle)来定义物体,每个粒子都

有出生,生命期,死亡过程。在粒子的生命期,粒子属性如色彩、透明度、大小、

运动速度、加速度、运动方向等可随时间变化,从而产生某些自然现象如云、雾、

雪、雨、火、瀑布等物体模型。

6、三维扫描技术

三维扫描技术是目前技术最为先进的三维建模方式。通常平面扫描仪能将二维平

面的信息,如图纸、照片上的信息输入计算机,数字摄像机和图像采集卡能将物体

的一个侧面的图像存为二维数字化图片,这些都是计算机动画师常见的装备。但

仅有二维的信息师远远不能满足三维动画的需要的,为解决三维信息数字化的问

题,三维扫描仪应运而生。

三维扫描仪,又称为数字化仪能迅速地获得物体表面地立体坐标和色彩信息,并将

其转化为计算机能够直接处理地三维彩色数字化模型。它与传统地平面扫描仪

和数字摄像机相比,又很大的不同。首先,它的扫描对象,不再是图纸、照片等平

面图案,而是立体的实物。其次,它可以迅速获得物体表面每个采样点的三维空

间坐标和色彩,三维扫描仪记录的是被扫描对象全方位的三维空间和色彩信息,

得到的是物体的三维彩色数字模型,而摄像机只能够拍摄物体某一侧面,而且在

将物体拍摄成平面图片的过程中会丢失大量深度信息。再次,三维扫描仪输出的

不是普通的二维图像,而是包含了物体表面每个采样点空间三维坐标和色彩的

三维彩色数字模型文件。

三维扫描仪克服了传统技术的局限性,实现了对立体实物的三维扫描,解决了将

立体色彩世界的信息数字化并输入计算机这一瓶颈问题,作为一种全新的数字

化输入设备,它对计算机三维动画制作有重要的意义。要在计算机上对一个对

象进行三维动画特技处理,获得其三维彩色数字模型是所有工作的基础。对于

一些简单规则的,或者是完全想象虚构的物体,可以由电脑特技师利用三维建

模软件构造,如:3DSMAX、做AY等,都可以实现。但在许多情况下,需要对真实

的演员形象进行三维特技处理,需要制作一个真实、复杂物体,例如人的头部、

艺术品等是很难用构形制做出其三维模型。虽然现在的高级三维建模软件提

供了自由曲线造型功能,但如何要完全利用建模软件制作出一个汤姆汉克斯的

三维彩色模型,或者千手如来的塑像,恐怕再熟练的电脑特技师都会感到头痛。

有了三维彩色扫描仪,这些难题就可以迎刃而解。它能迅速方便地将演员、

道具、模型等的表面空间和颜色数据扫描入计算机中,构成了与真实物体完

全一致的三维彩色模型,般可以给出物体的多边形、NURBS曲面、点、

SPLINE曲线方式描述,支持DFx、IGES、OBJ、ASC11、v明L、D3s、TsL等格

式,可以直接为常见的三维动画软件使用。有了这些数字化模型,就可以用计

算机三维动画软件对它们进行进步的特技处理,进行旋转、压缩、拉伸、扭

曲等各种变化,完成切割、裁剪、拼接、运动等等各种特技处理,或融入特定

的场景中,实现种种高难度的特技效果。并且三维彩色扫描还可以得到物体

的表面色彩纹理贴图,这不仅有利于特技处理,还可以将个物体的色彩纹理图

贴在另一个物体上,达到一些特殊效果。我们近年看到的一些影片如

《侏儒纪公园》、《终结者H》、《玩具总动员》、《泰坦尼克号》等,

那些令人震撼、叹为观止的三维特技效果,在制作中都借助了三维彩色扫描

技术。比如在《侏儒纪公园》中,特技人员先雕刻好一个恐龙模型,然后用

三维扫描仪对其进行扫描,得到恐龙的三维彩色数字模型,再用三维动画软件

使其做出各种动作,并完成一与人物、背景的合成,最后才形成我们看到的几

乎可以以假乱真的画面。


发达国家对三维扫描仪的开发非常重视,口前商业化的产品可以分为两类:接

触式和非接触式。接触式三维扫描仪以Faro、Iunllersion和Ronnller的产品为

代表。非接触式三维扫描仪一般基于光学、计算机视觉原理,具有扫描速度

快,不接触被扫描

物体等特点,是当前的主流产品。美国的Cyberware公司八一1年代就生产出可

用于人头部扫描的非接触式三维扫描仪,并为迪斯尼等多家动画、特技公司所

采用,在许多影片的计算机三维特技制作中扮演了重要的角色。日前国外已有

几十家生产三维扫描仪的厂商,国内也开始研制生产自己的三维扫描产品。

7、其他

除上述介绍的六种建模技术外,为满足不同的造型需要,还有很多其它的造型

方法。如为生成树及植物的模型,可用合适的文法规则定义;为产生山及地层

表面,可用fracatl法;为产生海水波浪,可用基于付里叶变换的频域函数等。

二、材质调整研究

在三维动画中,为模拟自然界中各种物体表现出来的千差万别的材料质感,主

要从三个方面定义模型的色彩特征,即色彩、纹理模型及属性。除定义几何

物体的色彩外,还需定义光的色彩及类型。

1、色彩分析

在真实自然界环境中,物体与光线之问的作用是相当复杂的。在计算机图形

学中,一般从三个方面考虑物体所受的光线:

(l)环境光引起的漫反射
(2)入射光引起的漫反射
(3)入射光引起的镜面反射

因此在计算机三维动画中对物体的色彩定义包括Amb1ent一oclor,

oiffuseco10r及Spec一ulareolor三个部分。其中Ambienteolor为环境光引

起的漫反射分量,主要控制物体阴暗部分的颜色。Diffuseoclor为入射光引

起的漫反射分量,用于控制物体较亮部分颜色。SpeCular一color为入射光

引起的镜面反射分量,用于控制物体高亮部分颜色。

2、纹理贴图式样分析

除色彩设定外,计算机三维动画还需通过各种纹理贴图来表现出实际物体表

面的各种纹理贴图,而且正是由于纹理贴图技术,才使得计算机能逼真的

模拟出客观世界。

下面是几种主要贴图式样:

(1)Texture贴图:是将一幅预先准备好的纹理图像按一定的映射方式

(如平面、圆柱、球形映射)映射在几何模型表面上。例如:为制作出室内

瓷砖地板效果,将一瓷砖地板纹理图像贴在一个二维平面上即可。

(2)Paciyt贴图:在这种贴图方式中,纹理图像中全黑部分为全透明,全白

部分为不透明,灰色部分为半透明,这种贴图可以更好的表现出物体的

透明特征。

(3)Reflection贴图:这种贴图方式将纹理图像反射到物体表面上,以便

达到更真实的效果。它用纹理映射的方式来达到反射的效果,从而避免

了复杂的几何造型设计及光照模型的运算复杂度。如室内瓷砖地板需要

反射屋顶及四周,如果不采川reflection贴图,则必需造出屋顶及四周的

几何模型,并通过复杂的光线跟踪才能真实的表现出地板的反射特性。

而采用反射贴图,则仅仅需要一张真实的室内环境照片即可。

(4)Decal贴图:这种贴图类似于将标签贴在某物体上,实现印花的效果。

(5)Bump贴图:Bump贴图通过纹理图像的象素值改变物体的表面法线,

产生隆起或表面粗糙的效果。这种纹理适合于制作沙漠、地表等物体。

(6)Proceudarl贴图:这种贴图又称三维贴图,它不需要预先准备纹理图

象,而是在着色计算时通过程序来产生三维花纹。口前主要的三维纹理

有:大理石花纹、木材花纹及噪声等。

3、物体属性分类
为表现物体的各种质感,还为物体设定了各种属性。主要包括以下四种:
(1)透明性:(2)射性;(3)特性;(4)发光特性;

在着色运算时,通常根据设定的物体属性来选择适当的光照模型进行着

色处理。

4、光源设定分类

光源的设定主要从三个方面考虑:

(l)光的模式;

(2)光的位置;

(3)光的颜色;光的模式包括点光源,平行光源,聚光灯三种。

三、运动轨迹设定基本方法

运动轨迹是指对物体属性(包括位置、大小、形状、色彩等),随时间

变化的规范描述。在计算机三维动画中对客观物体本身、光源及

虚拟的摄像机均可设置运动轨迹。

目前,设计运动轨迹的方法有以下四种:
1、关键帧法

在某些帧(称为关键帧)预先设定好物体的位置及属性,后在这些关键

帧之间进行样条或线性插值来完成运动轨迹的设定。

2、关节运动法

对一物体设定各种关节点,通过这些关节点之间的相互影响来控制

物体的运动。这类方法特别适合于一些具有关节的物体(如人、

动物、机器等)的运动设计。

3、变形运动法

利川物体与物体之间的关系,进行样条或线性插值,并加入时问因素

来实现物体的变形运动过程。

4、物理量模拟法

即不人为地指定运动过程,而是基于物理性质,按物理规律指出物体

的运动和变化过程。日前考虑的物理过程主要包括重力场、磁力场、

万有引力规律、碰撞、弹跳、旋涡等。这种方式主要是基于粒子

系统,用于制作云、火、雪、瀑布等自然景物。

四、着色计算及平面绘图分析

着色计算是指根据指定的几何模型、物体材料、运动轨迹、选择适

合的光照模型公式来计算生成一连串的静态图像。当这些静态图像

高速播放即产生动画效果。光照模型公式是根据物体的材料属性来

进行选择的。通常物体材料属性越复杂,则光照模型公式越复杂,计

算越费时,物体质感越好,画面质量也就越高。如为表现出水的折射

特性,则必需通过深度在三次以上的光线跟踪来计算完成。

平面绘图在计算机三维动画的前期准备及后期制作中有着重要的作川用。

在制作前期,可通过它绘制出各种纹理图像,在制作后期,可用它对运算后

的图像进行加工,如画闪光效果。平面绘图包括两大部分:绘画及图像处

理。绘画部分提供各种绘画工具,如调色板、线型、线宽、画笔等进行

平面绘图。图像处理部分提供各种图像处理技术修改原图,产生新的图

像,从而提高图像质量。主要采用的图像处理技术包括亮度增强、对比

度调态、图像柔化、锐化、边缘模糊、图像剪裁等。目前,具有平面绘

图功能的软件较多,如wave一Front公司的Personal一Painl,Advaneed一painl、

Adobe公司的Photoshop、Aldus公司的Photostyle。

五、合成与编辑与特殊效果处理

合成编辑指在计算机中完成对图像进行后期编辑合成,它可将多个图像

及声音序列按时间顺序进行编辑合成,从而在计算机中产生完整的影视

作品而不再需要编辑机进行剪接合成。合成编辑部分广泛采JJI的技术

包括抓帧处理(将磁记录信如录像带转变成数字图像,以便计算机进行

处理),图像输出(将数字图像转变为磁记录信号),无限层次图像序列合

成,合成的方式包括over、xor、dad、difference等,两个图像序列之间

进行淡出,淡入等多种剪辑技术。在合成编辑图像同时,可对图像进行

多种动态特殊效果处理。其最基本的出发点是按照设定的曲线路径动

态的添加特殊效果于一个或多个图像序列。特殊效果包括抠像处理、

图像柔化、锐化、亮度调整、Gaunna校正、色彩调整、图像反转、

平移、旋转、扭曲、变形、边缘拾取、马赛克效果等多种技术。

在这类处理中,较好的软件有waveFront公司的Composer、

Autodesk公司的3DS中VideoPost、Adobe公司的Premiere。


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