虚拟现实语境下三维游戏引擎对动画制作技术的应用性探究

段中原，刘馨予

1 游戏引擎简述

游戏引擎通常简单的分为2D 引擎与3D 引擎，通常指为运行某一类游戏的机器设计且能够被机器识别的代码(指令)集合。游戏引擎能够按游戏设计的要求顺序有效地调用包括图像，声音，动画等资源。

经过十数年的发展，当今行业内游戏引擎的数量和分工日趋多样化，现如今的游戏引擎早已经发展成为一套由多个子系统共同构成的复杂系统，从建模、动画、渲染、特效，从物理系统、碰撞检测、文件管理、网络特性，以及专业的编辑工具和插件等，几乎涵盖了开发过程中的所有重要环节，早已不局限于2D、3D 引擎的分类，而其中的Unreal(虛幻引擎)、Unity3D 等游戏引擎以强大的功能和庞大的使用群体在行业中占据一定的主导地位。

2 传统三维动画与“引擎动画”的比较

传统的三维动画制作环节大致可以分为3个阶段，即前期策划、中期设计、后期制作。在前期策划阶段，制作者通过不断完善剧本，以文字和图像的形式确立分镜头并设置时间表以方便确认镜头的位置和叙事流程；而在进入的中期设计阶段后，制作者将对人物、场景、动作、贴图等进行具体设定，此阶段也是引擎进入动画创作的具体阶段，在此过程中制作者通常会使用Maya、3d Max 等三维动画制作软件对人物和场景等元素进行相对低面数的粗模制作，并可根据实际需要进行雕刻以丰富模型细节，然后通过法线贴图的烘焙，得到一个具有凹凸细节的纹理贴图，其次再为模型创建相应的骨骼和动作设定，输出FBX 格式文件给Unity 引擎予以调用，将输出文件导入引擎中进行材质、灯光、特效的调试，最后输出成像；最后再在后期合成软件中完成对图像的合成、剪辑、配音、字幕等后期制作，最终完成3个阶段的制作工作。

在前期策划阶段，通常需要制作者结合故事剧本、人物性格、场景结构和美术风格等进行细致构思，而值得注意的是，这一过程不是一蹴而就的，由于缺乏直观的效果呈现，往往需要不断地调整；如果将引擎的“实时渲染”等功能优势运用到三维动画制作的前期阶段，制作者则无需像以往一样进行局部和关键帧渲染就可以实现镜头效果的可视化，有助于制作者对剧本分镜的修改和其他细节的优化。

在中期设计阶段，引擎起到的颠覆性作用是尤为明显的，对于画面的气氛把握与动作控制有着具体而细致的要求。在以往的通常情况下要消耗大量时间来反复调整材质表现、镜头位置和动作节奏。尤其在复杂的场景渲染环境中，每个人物、场景均需要不断地反复修改并经过计算后查验渲染效果。这一过程往往需要数分钟，对于一个小型工作站(组)而言无疑会严重影响动画制作过程的推进；如果说“实时渲染”能够让制作者高效的把握画面效果，而引擎同样也具备“实时修改”能力，那么制作者可以利用引擎自带的脚本播放功能实现对动画效果的预览，在引擎中，制作者可以查看包括人物行走、对话、运动方向和动作幅度，完成对摄影机位置角度单位确定，完成对动画叙事流程确认，最终可实现对动画剧本的修改。制作者在同一设备设上同时完成动画制作、渲染工作，实现效果的实时可控与修改，显著的缩减了三维动画制作在中期渲染阶段的制作时间。

在后期制作阶段，制作者主要为三维动画实现部分特效制作与后期剪辑；在以往特效制作的环节，需要制作者提前完成素材的搜集并在三维制作软件中创建特效和调节特效参数，整个过程由于受到贴图类型、光效阴影、特效范围、色彩效果等因素影响，导致制作者必须具备一定的经验且同时消耗大量精力用于反复调整；而目前多数游戏引擎都自带有物理系统、粒子系统和实时光效照明系统，通过实时光效，物体材质的表现与阴影效果的表现更加直观可视，甚至可以通过物理天光、材质球和功能插件模拟虚拟光照模拟和背景环境；而物理系统则能还原一般物理环境下的碰撞及重力表现；粒子系统则是引擎中最为出彩的部分，相较于三维制作软件中的粒子系统，引擎中的粒子系统指令更加集中且直观。可以通过调节粒子的发射速度、角度、大小、数量和物理属性。配合贴图素材来模拟出非常规的效果，例如流水、爆炸、烟尘等，充分实现效果的实时可见，提升特效制作的效率与动画本身的质量。

通过梳理不难发现，引擎在制作三维动画过程中取代了传统三维制作软件的渲染功能。而随着显卡性能的不断提高，GPU 的即时渲染成像质量已经能够达到甚至超出CPU 离线渲染的质量水平，为引擎交互式动画扫清了技术障碍，提高了工作效率。

3 “引擎动画”在虚拟现实技术背景下的应用前景

有别于传统二维动画，三维动画能够为观众带来逼真的视觉效果和全新的动画形式，相较于二维动画、三维动画本身的视觉突破，按现有发展趋势推断，未来一个时期内的动画形式极有可能是包含全景式、沉浸式、可交互的动画形式，而这些是传统三维制作软件所不具备的功能，引擎的使用能够完全意义上实现即时渲染，配合虚拟现实技术则可增强三维动画的感知力与交互性，而全新的格式文件类型也能充分满足手机与自媒体等不同平台的播放需求。

引擎的使用很大程度上降低了行业的门槛以及对从业者的软硬实力要求，过去对于从业者来说需要掌握一定的软件基础、摄影技巧、计算机编程以及力学、光学等方面的知识来满足三维动画制作中的调试、渲染、合成；而引擎所具备的实时渲染、智能光效以及丰富的应用插件使其相较于传统三维制作软件更易上手且容易操作，在视觉效果上比肩传统三维制作软件。

目前，引擎大量的应用培养了一定规模的技术团队与使用者，其中Unity 引擎自2005年至2013年间累计积累了100万用户，2014年则更是实现倍增，达到了200万用户注册使用。这使得“引擎动画”的制作与推广具备了很强的普世性。而普世性的存在能够反哺开发团队与使用者参与产品研发、素材资源建设、产品使用等；目前主流引擎除了专业版本，大多数可以免费提供给从业者使用，同时国内活跃用户数量与对应产品数量不断提高，各类相关资源与素材得到不断强化建设，引擎教程相较于以往的单一与缺失正趋向多元性和专业性，人才市场专业岗位需求量较大，也间接带动了部分高校开设引擎开发与设计类课程以满足人才培养的需要。

4 结论

事物的发展趋势必然紧跟时代的进步节奏，引擎的使用和实时渲染技术为三维动画制作节约了大量的时间成本，为三维动画制作带来了巨大的变革，就国内而言，“引擎动画”尚处于一个新的领域，在发展和应用的过程中难免遇到各种困难，这就需要广大从业者发挥和调动自身主观能动性加以研究应对和解决。

2019年GDC(Game Developers Conference，即游戏开发者大会)上所展示的最新Unity 实时渲染大片《异教徒》，其逼真的CG 人类角色，效果令人惊叹。这已不是第一部使用Unity 引擎制作的CG影视作品，在此之前还有《Windup》《死者之书》等，近期Unity 官方还将发布一部效果十分精致的实时渲染动画短片《Sherman》。

同时由《第九区》导演尼尔·布洛姆坎普的工作室利用Unity 游戏引擎打造的科幻微电影《ADAM》已更新至第三集，好莱坞电影《阿凡达》中也利用了类似引擎的实时呈像系统来帮助制作者通过控制摄影机实时浏览画面效果。由此可见，利用游戏引擎对三维动画进行制作具有巨大的生产潜力，同时对动画制作技术的革新有着重要的意义。三维动画制作必将成为依托多种信息技术完成制作的载体，随着引擎兼容性与视觉效果的广泛提升，相信在不远的将来，“引擎动画”必然成为三维动画制作的又一重要手段。