三维动画中的科学与艺术

轩丹阳 郑州城市职业学院

三维动画中的科学与艺术

轩丹阳 郑州城市职业学院

从个人计算机的出现开始，三维动画就出现在历史舞台上。在传统的二维动画的艺术表现形式上，加上计算机的科技表现，三维动画是一种新的艺术科学化的表现手法。计算机在三维动画方面包含了硬件、软件、基础科学等领域。大规模的集成电路计算机的问世宣告了个人计算机的时代来临，面向对象的编程模式将复杂的工序模块化，基础科学的研究为计算机图形打下了坚实的基础。而这所有这一切的结合奠定三维动画的来临。

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1 三维动画发展史

由于三维动画源自于电影CG特效，所以需要从电影行业开始说起。20世纪七十年代，随着个人计算机的普及，计算机开始与电影行业产生交集。1975年，当时的电影行业还没有电脑特效，卢卡斯为了拍摄第一部《星球大战》，组建了ILM（工业光魔）。在拍摄中使用了动作控制摄影机，利用电脑系统精确控制摄像机拍摄，并记录摄像机运动数据的技术，且使用了电脑同步和蓝幕拍摄技术。在1977年，《星球大战》取得了前所未有的成功。虽然这部片子里没有使用任何数字元素，但是表明了电影开始走上数字之路。1982年，工业光魔发明了一种名为源序列的电脑处理方法，并应用于科幻电影《星际迷航：可汗之怒》上，这是电影史上第一个完全使用电脑制作的场景。1985年，工业光魔在《年轻的福尔摩斯》中，制作了第一个电脑生成的角色：彩色玻璃人。1989年，工业光魔为《深渊》制作了第一个三维角色。

在20世纪80年代，电影与计算机交织的过程中，迪斯尼作为动画行业的领导者，率先在1982年的《电子世界争霸赛》中运用了CG特效，但是却没有后续深入发展。而卢卡斯曾经在工业光魔内部成立了一个计算机部门，专门研究计算机特效。但是于1986年，他卖掉了这个计算机部门。正好被当时董事局逼着离开自己亲手创办的电脑公司的董事长——乔布斯接手，并成立了如今的皮克斯动画工作室。经历了很长一段时间内的亏损，皮克斯动画工作室完成了第一部三维动画短片《跳跳灯》。这时，三维动画在经历各种波折后才正式登临世界，并伴随着科技的进步快速的发展。

2 三维动画中的科学

三维动画的技术源自计算机科学、基础科学等，从技术类别上，我们可以将目前三维动画中的技术分成三类：基础科学、计算机科学、机械。

2.1 基础科学

基础科学是指数学、物理等基础性学科，其中数学是关键因素，在三维动画中，主要应用范围有：流体模拟，如水，烟，火；动力学模拟，如毛发，破碎等；图形处理，如滤镜，渲染等。

在三维的特效制作中，通过对大自然现象的研究，用数学公式模拟出各种自然现象。水的流动，烟的丝滑，火的跳动，均是通过各种表象为不同参数的数学公式来实现。而在破碎、毛发等自然运动方面，则是对自然中的运动规律进行了数学量化，使用数学公式对物体的运动进行了模拟。

在三维渲染成二维图像中，数学又充当了图像绘制的工具，将三维模型采样，并通过着色模型，计算成二维的图像，如简单的Lambert材质的数学模型：I_diffuse=k_d I_l cosθ其中I_diffuse为反射光的光强，k_d为漫反射洗漱，cosθ为入射光与反射点上的表面法向量的夹角余弦。

2.2 计算机科学

由于三维动画的制作载体是计算机，所以计算机科学对于三维动画的影响是至关重要的，我们可以将其分为：硬件和软件。

硬件即我们的计算机，在三维动画中，主要应用于制作、存储、渲染、传输等方面。制作方面主要是指制作用的计算机，主要指标是计算性能，性能越好，在单位时间里的制作速度就越快。存储方面主要是指存储数据用的服务器，主要指标是存储承载能力，稳定性，安全性，保密性和可扩展性。三维动画的所有资产均保存在存储上，用于所有制作人员协同制作。数据的存储量每时每刻都在增加，存储在写入和读取时的稳定性影响了协作的持续性。存储的安全性则可以保证在存储出现故障时，数据的可还原性。在协同合作中，保密性保证了三维动画在上映前不被外流等权限问题。而可扩展性影响了存储对于各类规模资产的支持性。

软件方面主要是指各类制作、流程管理用的软件，主要指标是交互性，稳定性，可扩展性等，如Maya，3dsMax，Houdini，ReadFlow等。三维动画软件的发展过程中，综合性大型软件慢慢分化成更加专业的各个工序的制作软件，如现今流行的ZBrush——专业的模型雕刻软件，Mari——专业的三维贴图绘制软件，Katana——专业的灯光软件。它的专业细化，直接表现了现代三维动画对于质量的提升需求。

2.3 机械

三维动画中的机械方面主要是指各类的动作捕捉、表情捕捉的机械工具。在三维动画的发展历程中，为了追求更加自然的动画效果（夸张的表现手法也是基于自然），艺术家们从生物力学研究领域引进了动作捕捉工具，并发展出了表情捕捉的机械工具，如早期的《最终幻想》中尤娜的舞蹈采用的是机械式动捕，再到2012年的《阿凡达》全程采用的光学动捕设备。

3 三维动画中的艺术

三维动画是一门独特的，极具个性化的艺术表现形式。我们着重对视觉上的艺术进行分析。（注：现在的一些4D、5D短片主要是通过增加一种感官，如触觉，这里只讨论现今的普遍类型，并不包括此类短片。）三维动画视觉艺术继承了传统绘画艺术的所有特点，并在此基础上增加了时间的概念。所以它可以被称之为二维艺术的拓展。由于“维度”的增加，使得三维动画的艺术表现形式产生了质的变化。

三维动画的最终输出是视频。视频是由一系列的图片经过一定的算法压缩后形成，它的原理实际上还是古老的“视觉暂留”，只不过形式由物理的纸片或者胶片转型成计算机内的图像数据。播放器将压缩形成的图像数据按照一定帧速率输出就形成了视频，所以三维动画最终的文件是有一系列的、具有艺术效果的连续图像组成的。

绘画艺术中的线条，色彩，明暗，构图以及形状等艺术表现都适用于三维动画。如单根线条在绘画中的表现手法一般集中在线条的粗细变化以及曲度，而多根线条除了单根的表现效果外，再加上多根线条的疏密以及引导方向可以形成更加丰富的艺术效果，如图：

我们可以看出单条线条和多条线条所能表现的艺术效果。单条线条的美感仅在于线条本身和线条本身所要表现的形状结构，而线条的增加，却在表现内容上产生了质的飞越——空间的表现能力。但是无论是单条还是多条线条，所能表现的内容都是静态的，却无法真正表现出“变化”的魅力，而三维动画的出现，正好弥补了绘画中的缺陷。

三维动画相对于绘画，其核心在于动态的艺术，动态的根本在于时间，最终归结于时间的艺术。时间的形成赋予了绘画能够讲诉过去，现在以及未来的能力，它是一种讲述故事的艺术。所以故事的好坏以及讲述的方式成了三维动画艺术效果的决定因素。我们可以将故事的内容按照应用的领域做一个分类：故事阐述、产品介绍和视觉吸引。

3.1 故事阐述

故事阐述是三维动画最初形成的原因，它的旨意在于通过艺术的方式将某个故事通过视觉传递给观众。故事阐述我们可以细化为画面的美感和节奏。画面即绘画，对美感的研究已经非常成熟，所以这里着重介绍节奏。

现今的三维动画中，很多人往往追求更美的画面感，却忽略了节奏。在画面达到基本的美感要求后，节奏将起到重要的作用。在三维动画中，节奏从微观的角度具象表现为对象（人，动物，特效等）的动作，镜头的运动等；宏观上来说，表现为剧情的跌宕起伏，画面的冷暖、明暗变化等。好的镜头运动、自然的人物动作对于三维动画的加分往往比画面的美感更直接，因为快速播放的画面里动作比画面更具感官性，而剧情的跌宕起伏（很多影片剧情简单，但是剧情的节奏把控非常好）直接影响了观众对于整个片子的融入深度。画面的冷暖、明暗变化引导观众在观看时的情绪，为整个剧情的气氛烘托起了至关重要的作用。

3.2 产品介绍

产品介绍主要应用于工业、军事等行业，它的艺术性主要体现在对某一对象（产品、事件等）的介绍。在达到基本的艺术效果后，将重点放在对象的本身，如外观，功能，事件指引、描述等视觉引导和讲解的作用。所以真实和准确是它的艺术着重点。

3.3 视觉吸引

视觉吸引是一种速效的艺术表现形式，没有产品介绍的具体对象，也没有故事阐述的剧情内容。它的主要作用在于吸引观众的眼球，表明自己的立场，如三维广告有快速绚丽的视觉效果，在同样服务对象的情况下，最短的时间里吸引更多的观众是它的意义。所以视觉吸引的艺术一般表现为绚丽的画面和强烈的节奏。

4 科学与艺术的结合

艺术的发展源自于科学的分析法，如绘画中的透视法就是经过科学的分析，将数学几何透视应用于绘画艺术表现。所以艺术的发展离不开科学的进步。或许有些人可以从卢梭的《论科学与艺术》中提出各种历史案例来反驳，但是从历史的宏观角度来说，艺术发展的过程中，每一次的巨大变革都离不开科学的分析法。

十五世纪的文艺复兴，艺术家们在复兴古希腊艺术模仿自然的学说同时，也开始研究几何学、透视学、解剖学。借以解决用绘画来模仿自然事物、三维空间和人物形象的逼真问题。画家对再现自然的科学探讨，表明了文艺复兴的科学理性精神在绘画中所起到的重要作用。

而现今的三维动画，正是科学与艺术发展到一定阶段的产物。通过科学的工具，以更丰富，更快，更精确的方式呈现艺术。三维动画技术，让艺术家从繁重的工具和绘画技巧中解放，将更多的精力拖入到艺术创作。

5 小结

在写这篇论文的时候，经朋友的推荐，特地去看了卢梭的《论科学与艺术》，却发现里面阐述的观点和着重点并非合乎我的本意，所以只好重新整理自己的观点。艺术家可以借助科学的工具更加深入对艺术的研究，而非专业人事也可以借助科学的工具将自己对艺术的理解展示出来。科学将艺术从工具和技法中解脱。

[1]卢梭.论科学与艺术.上海人民出版社,2007

[2]孙立军.动画艺术辞典.中国国际广播出版社,2003

[3]艾萨克·克劳.三维动画与特效技术完全教程.上海人民美术出版社,2010

[4]张顺燕.数学·科学与艺术.北京大学出版社,2014

[5]布林克曼.数字合成的科学与艺术.清华大学出版社,2011