计算机动画设计及制作中的特效技术

任 群

（亳州师范高等专科学校理化系，安徽亳州 236800）

0 引 言

随着计算机应用技术的日益推广及应用，其动画设计也发生了翻天覆地的变化。尤其是三维技术在计算机中的应用，使得计算机动画设计进入到一个崭新时代，即CG动画时代［1］。CG时代几乎囊括了当前电脑中所有视觉艺术的创作，最为典型的应用如：多媒体技术、影视特效及三维动画等。此外，动画形式已由原来的二维手绘变为三维动画，在此过程中计算机便成为动画设计师的强有力工具。尽管三维动画的设计发展较为不错，但是各个环节的制作绝不是那么简单。特别在影视动画的后期制作中，其技术仍是一大难题。鉴于此种情况，如何恰当地将特效技术应用到动画设计中是当前研究的重点课题。

1 计算机动画设计分类及特效技术阐述

计算机动画主要分为两大类：一类是二维动画，另一类是三维动画。其中二维动画也称之为2D动画，是一种借助于计算机2D位图或者矢量图形而创建的动画［2］。当前，在电脑上制作的二维动画是对手工传统动画的一个改进，通过输入及编辑关键帧，计算和生成中间帧，产生某些特效效果，实现画面及声音的同步。二维动画的主要特点为：可将事先手工制作的原动画逐帧输入到计算机中，然后由计算机帮助完成绘线上色的工作，最后由计算机来完成相关记录工作。三维动画也称之为3D动画，是随着计算机硬软件技术而发展的新兴技术。三维动画的完成首先需要在计算机中建立一个虚拟的世界，在虚拟的三维世界中应按照需要表现的对象的形状及场景，根据特定要求设定模型运动轨迹及其它参数，最后在模型上赋予特定的材质，打上光，最终生成最后的三维动画画面［3］。

特效技术是一种基于全局光照技术的渲染技术。随着动画技术的不断发展，世界上的动画影视已由最初简单的动画体裁逐渐演变为影视三维动画，一个全新的三维电影世界展现在人们眼前。简而言之，动画特效艺术是通过利用人的视觉性给予人的一种假象，这种假象可突破空间性、时间性及地域性，在视觉上弥补传统动画的不足，进而增加影视三维动画的艺术效果［4－5］。当然，对于特效技术的应用最为重要的一点就是确保电脑拍摄画面的真实性。如较为出名的《阿凡达》电影，就是利用计算机三维动画技术将较为简单的动画题材转变为影视三维动画题材，将一个全新的三维世界展现在人们的面前，如图1所示。

图1 电影《阿凡达》

2 特效技术与计算机动画设计的融合

尽管计算机动画分为二维动画和三维动画，但到目前为止，研究最为广泛的还属三维动画。三维动画的设计是在计算机数字技术为核心的基础上，利用计算机强大的运算能力进而对现实进行模拟，基本角色技术的流程是建模、运动、材质、灯光及渲染，进而完成整个计算机动画的设计。通常情况下，计算机动画设计可分为前期角色制作、中期动画绑定及后期特效动画，这3个阶段的动画部分都是相互作用及相互关联的，而每一动画部分都是通过绚丽的视觉效果所完成的［6］。

世界最为出名的三维动画《冰河世纪》如图2所示。

图2 电影《冰河世纪》

该动画设计的完成都是通过制作人员根据原先的画面，以点、线及面逐步完善，在此基础之上创建各种各样的生活信息，进而完成建模；建模完成之后就是运动，通过骨骼绑定及运动捕捉等方法进而完成各种动物的运动；在接下来的渲染中，添加虚拟的灯光，采用虚拟摄像机来模拟影像，其纹理及声像就显得十分清晰，再通过三维灯光的计算，设计出相关的键帧设置。这样一来，各种各样表情丰富的动物才能够活灵活现。

三维动画是表现的艺术，主要是通过视听语言来讲解感人故事，通过利用表现角色的情感来感染观者。尤其特效技术的应用，使得这种艺术表现力越来越明显。很多设计师通过3D粒子特效进而建立一种全新的动画语言风格。特效艺术为创作者提供了一种更为广泛及全新的三维动画语言。另一方面，特效艺术也为创作者提供了较为广泛的想象空间，从单纯技术的束缚中真正解放出来［7］。通过数字特效技术，动画设计师就能够创作出较为绚丽的场景，较好地感染观众，根据动画剧情的需要及时地调整周围运动轨迹及特技。换句话说，动画设计实现的主要手段是三维软件的制作。不仅需要实现三维动画中最为基础的动机型，而且还应实现动画的神，将这几方面有效结合起来，才能够带给人视觉上的冲击力及感染力。

3 计算机动画设计中特效技术的应用步骤

三维动画的制作与二维动画制作相比具有独特性，其设计主要不受客观条件的限制，其变化可随心所欲进行转换，并且三维动画的设计可通过多材质及灯光的设置，进而使得画面更加具有质感。三维动画的制作不仅需要完成动画、绘图及着色等阶段，而且还需要完成其它阶段。对于三维动画的造型则是三维建模，通过绘图能够达到所预想的视觉效果，并且将若干个片段连续整合在一起，形成较为完整的动画及视频。特效技术在计算机动画设计中的步骤可分为前期准备、片段制作及后期合成3个阶段。

3.1 前期准备

三维动画的前期工作主要是指在计算机创作之前所进行的规划设计，如剧本的分镜头脚本标记、场景设计等。前期准备阶段主要是将动画中所需要展示的效果利用文字进行表述，让人们通过文字来感受画面。将剧本进行分镜头，以便于更好地对剧本及画面进行掌握。在动画设计时期，设计师根据动画中的主人公及其他角色，对人物所呈现的性格特征及服饰特点进行充分准备，以便后期更好地对角色进行设置。此外，动画场景的设计也是动画设计的重点内容，其设计不仅包括色彩搭配、环境灯光，而且还包括不同场景的建模等。对这些前期工作进行充分准备，能够为后期的特效技术奠定良好基础。

3.2 片段制作

当完成动画设计的前期准备工作，就需要按照计划完成接下来的片段制作。对片段制作过程则需要使用一些三维制作软件。尤其伴随着PC市场的迅速发展，计算机的软硬件发展速度较快，不断更新，导致软件的开发也不断扩大。近年来，涌现一批较为先进的三维制作软件，如MAX，Paint3D等软件［8］，其中应用最为广泛的要数Maya及MAX，不仅具有快捷、灵活及准确的特点，而且还具有可调性及可扩展性，进而受到广大动画设计师的青睐。通过应用这些设计软件，使得动画作品的真实程度生动形象地展现出来。此外，建筑模型都是在三维制作软件中进行，对场景的灯光及材质有着较高要求，不仅需要扎实的美术功底，而且还需要扎实的技术能力，最终确保画面的稳定性及流畅性。

3.3 后期合成

所谓后期的合成是指将前期准备及片段制作中的声音及动画片段进行有效整合，利用剪辑生成较为完整的动态画面。这一阶段的设计尤为重要，当前国内影视制作领域，最为高效的合成软件为5D Cyborg，由于具有较先进的工作流程及完备的界面操作模式，能够对不同的解析度及帧速率进行合成，展现不同的特效。尽管计算机动画的设计看似简单，实质是涉及全方位知识。一部较好的三维动画的完成不仅与社会现实相结合，而且还与人们的需求相结合。为此，后期的合成效果至关重要。

4 特效技术在计算机动画设计中的表现力

计算机动画设计中所涉及到的特效技术主要表现在4个方面，分别为镜头转换、特效光影、交互特效及空间动感，下面分别从这4个方面进行详细阐述。

4.1 镜头转换

所谓镜头转换是指动画中的每一个镜头之间的转换都需要特定的艺术表现手法，进而实现动画艺术高度融合的目的。由于动画的整体是由若干个镜头所组成的，要想实现每一个镜头之间的衔接，都必须巧妙地应用特效技术，突出艺术的渲染手法。为此，电影语言在进行拓展的同时，通过利用虚拟摄影机及虚拟空间的性质对其进行制作，进而实现摄像机不易实现的拍摄效果。动画设计过程中，通过利用三维技术能够实现高难度的镜头效果，这样一来，能够在很大程度上降低拍摄成本，让观众获得前所未有的视觉体验。尤其在镜头的表现力上，能够实现较大的突破，最终实现三维影视动画镜头的完美衔接。

4.2 特效光影

从当前的三维动画来看，其中最具有影响力及最具代表性的技术属特效光影。长期以来，传统的动画设计的光影处理都是按照动画原画中的明暗关系做出的简单的光处理，这种处理手段显得较为落后，不仅使得光影缺乏一定的生动性，同时还浪费大量的人力及物力。而随着计算机技术的不断发展，动画光影的设计采用现有的特效技术，通过特效光影就能够将角色人物的内心情感及场景充分地展现出来，通过专业的二维动画软件的关键帧技术实现光影的处理，实现场景与角色互动光影的粒子变换［9］。此外，通过利用特效技术，能够对虚拟灯光的各项参数技术进行调节，最终实现光与影的互动，并通过各个光影时间帧图层的叠加及暗明度的调节来展现强烈的艺术表现力，如图3所示。

图3 光影叠加效果图

4.3 交互特效

一般情况下，三维动画的制作都是通过对特效的交互行为来实现对角色的描写，这种特效制作则是通过对设计元素的定义及建立三维模型的方式。通过利用上述技术来完成设计元素的各种运动路径，进而创造出具有模拟现实的真实环境，通过对角色的定义及环境来实现整个画面的互动，从而使周围的环境根据角色的动作发生变化。另外，在进行角色设计时，应与观众产生相应的互动效果。通过模拟技术实现动画中独特的视觉效果，这种交互特效也是今后动画设计的发展趋势。

4.4 空间动感

采用特效技术不仅能够较好地对动画角色进行烘托，而且还能够使三维空间呈现动感特效，来符合相关动画角色的设计及动画场景的有效融合。在传统的动画设计过程中，动画场景与绘制角色是分开的，并且是通过元件形式进而单独存在的。在传统的动画空间设计中，角色的设计往往与背景缺乏相应的互动，而采用三维空间则可使动画角色以任何的方式及任意的角度来实现其运动，此外，还能够与其它的动作捕捉及绑定系统来实现更为真实的模拟配合环境。将这些元素综合起来形成更为真实及逼真的立体动画。

5 结 语

总而言之，伴随着我国动画产业的不断发展，对其技术要求也在不断提高。尽管动画设计技术在日渐完善，仍存在一些问题。特效技术不仅仅作为一种完善的创作手段，而且还是一种增强动画设计表现力的工具，能够展现动画设计的艺术魅力，将三维动画作为技术与艺术的有效结合，具有广阔的发展前景。文中阐述了特效技术在计算机动画设计中的步骤，然后重点探讨了特效技术在动画设计中的表现力，以望对后期的动画设计工作起到抛砖引玉的作用。

［1］ 王科.后期数字特效在CG动画制作中的应用［D］：［硕士学位论文］.南京：东南大学，2010.

［2］ 龙江.电脑动画设计在电影特效中的应用研究［J］.现代商贸工业，2010，22（6）：302-302.

［3］ 倪叶.动画设计中的互动性设计与实现［D］：［硕士学位论文］.上海：上海交通大学，2010.

［4］ 张准.MAYA在三维动画方面的优势［J］.艺术科技，2013，26（3）：15-16.

［5］ 胡元佳.电脑动画的发展历程及其前景［J］.美术大观，2007（8）：150-151.

［6］ 刘圣军.基于几何的水和云彩动画特效模拟［D］：［硕士学位论文］.杭州：浙江大学计算机科学与技术学院，2007.

［7］ 纪晓燕.三维特效数字模拟与资源平衡研究［J］.内蒙古科技大学学报，2013，32（1）：74-77.

［8］ 贾乐宾，王俊涛.特效艺术在影视三维动画设计中的应用［J］.美与时代（上），2012（6）：105-107.

［9］ 孟欣洁.三维动画特效研究［D］：［硕士学位论文］.上海：上海交通大学，2009.