数字动画创作中虚拟图像技术的实现与应用

张勃汉，赵文婷

（1. 国防大学军事文化学院，北京 100081；2. 海南师范大学 美术学院，海南 海口 571158）

近年来，计算机和数字化技术的进步推动动画行业的发展，VR/AR硬件设备以及虚拟图像技术促进新型图像技术的飞跃，其中以虚拟图像技术呈现的数字动画成为业内热点，也是时代下数字动画发展最为重要的趋势之一。数字化技术作为动画设计的新载体，其制作技术和传统手绘动画设计有机结合，是影视动画领域的深化与延伸[1]。虚拟图像技术是一种融合的数字化技术并延伸到动画领域，为数字动画创作提供非常大的便利，如降低制作成本、提高工作效率，以及各类仿真、模拟展示等。目前，虚拟图像技术更多地应用在医疗救护模拟、武器装备模拟、器械训练模拟、驾驶模拟等方面，当然也应用在影院、游戏中实现天马行空的想象。数字动画随着科学技术飞速发展，不断突破现实生活常态，逐步进入世界虚拟化、数字化的元宇宙时代。

一、数字动画的创作构思

动画创作特征风格多样，它可以塑造丰富的艺术形象，也可以在题材选择多样、风格各异的特点上更好地展示民族的审美取向，实现综合性、直观性、全面性的文化展示，从而满足人们对动画时代性与当代性艺术的需求，更好地体现动画作品的财富意义与价值[2]。动画创作在总体构思过程中主要有敲定创意主题、明确审美定位、论证实现技法、完善思想表达四个方面。进入新媒体时代，在动画创作中引入数字媒体等先进的科学技术，因而在形式上多以数字合成的形式出现，这使得动画创作愈加方便快捷[3]。通过虚拟图像技术模拟真实事物的特点，主要使用三维软件模拟制作，广泛应用在各行各业，因其具备将一些抽象的、不易理解的、无法实际观测的事物与其工作原理，利用三维软件结合虚拟图像技术来模拟出具体的事物图像，或将其工作原理形象化的模拟反映出来，如卫星航天、电磁雷达信号模拟等，使复杂的理论变得浅显通俗易懂。数字动画创作可以选择制作战争题材，明确创意点，利用不同的动态片段、景别画面、镜头语言等，应用虚拟图像技术的数字动画创作开掘新题材、新领域、新视角，加之影视动画专业的视听语言技术理论，开拓摸索数字动画创作的新尝试。

二、数字动画的虚拟图像技术实现

电脑动画也称为数字动画，属于数字艺术范畴，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，是采用连续播放静止图像的方法产生物体运动的效果[4]。随着图像处理技术日新月异的发展，虚拟图像技术已广泛应用在数字动画创作的全部环节，利用计算机生产的虚拟图像参与动画创作已成为常态。

1.合理选择三维动画软件与插件

数字动画的表现形式多样，在创作构思中具体要考虑的包含人物、场景、装备等模型体量。随着科技的发展，现阶段有3ds Max、Maya、Cinema 4D、Blender等三维动画软件，其在动画制作方面各有优势。结合制作流程以及所用硬件设备的实际情况，可选择3ds MAX建模渲染和动画制作软件，该软件是Autodesk公司旗下产品，能够在模块化、组件化、工程化、规范化的虚拟图像技术支持下完成优质的数字动画作品。主要原因有三点：其一，该软件在动画行业应用广泛，插件相对成熟，模型制作相对简单，建模、纹理和效果、环境资源库较多，易于资源整合；其二，可联机渲染并与Arnold、V-Ray、Mental Ray等主要渲染器搭配使用，其中以V-Ray渲染器的速度见长，可以缩短渲染时间，加快整体进程，具有不错的视觉效果，且呈现较为真实；其三，它对硬件系统的要求相对来说较低，其自带的海上浪花、战场烟尘等粒子系统模拟可以直接使用。3ds MAX场景渲染插件主要应用MultiScatter，能快速创建各种森林、草地、植物等较大的地形场景。

综上所述，在选择创作中使用的软件与插件要结合创作思路，思考可能遇见的技术问题以及相应难点，理清相应制作软件、插件的优劣和使用难度，将软硬件的实际情况综合分析，巧妙选择应用制作软件与插件。

2.按需优化模型体量，制作编辑动画

根据分镜所需场景，统计所需的模型、动画及镜头，逐步展开解决模型与纹理贴图问题—虚拟场景搭建—动画绑定和镜头运动模拟的创作过程。首先，在模型制作环节展开模型分析，利用现有模型数据资源库进行人物与装备等物体模型抓取，各分组同步实施完善纹理贴图制作，人物纹理贴图主要使用The Foundry Mari 3D纹理绘画软件。需要注意的是，由于战场场景体量广阔、景别较大，用以往的纹理贴图重复就会出现较为明显的接缝。这里就需要使用无缝纹理制作软件PixPlant，利用现有的材质纹理图片生成无缝的纹理贴图，并提取置换贴图、法线贴图、漫反射贴图、高光反射贴图和环境光遮挡（Ambient Occlusion，简称AO）贴图等，使虚拟场景更加真实。其次，优化场景模型量，场景中包含地形、人物、武器装备、树木植被等大量模型，像树木、灌木、杂草等各类植被的单体模型量达几万甚至上百万面。如果大面积应用，则不仅会影响制作软件稳定以及操作问题，还会对后期渲染埋下各种隐患。结合现有的硬件设备情况，选择应用插件MultiScatter v1.618，主要用以模拟战场环境的树木、植被等，5个3ds max场景基本包含平地/坡地/凹凸地，可应对常规地形需求的各种植被，不仅降低场景文件模型体量，还减轻硬件设备压力，有效地提高制作效率。最后，在动画制作中注意人物、载具等需要运动的物体。人物需要分组绑定骨骼，调节好运动动画，保留Biped骨骼与BIP动作文件以便修改，最终以点缓存地导入场景中。载具装备运动用虚拟体绑定，旋转和上下角度均由虚拟体控制，可自定义动画。轮子、履带吸附地表行走，调节完成后将轮子、履带的动画全部塌陷成关键帧。优点是后期在其他创作中可利用这些动画文件更换其他型号，只需把载具装备主体替换绑定在有颠簸摇晃的虚拟体上，履带模型亦可更改，其动画和地形固定，无需重新制作。

在数字动画创作中应用虚拟图像技术可以有效节约制作时间，提高模型制作、动画编辑的便捷性，采用虚拟图像技术手段创设一个虚拟环境，为数字动画用户的互动创造便利条件。在制作过程中，模型构建是十分重要的基础内容，同时要重视虚拟图像技术和三维动画制作技术灵活配合，呈现所需的虚拟画面。

3.应用光子渲染模式，提高输出效率

动画渲染，注重在基本图像的输出以及在虚拟背景、模拟环境的基础制作中实现虚拟图像输出的改进，从而满足提高数字动画作品的沉浸性和交互性效果。为了提高效率，在渲染调试过程中需要做以下两点：一是在渲染之前要做好镜头文件处理，因制作不同的角度镜头等需求，最终完成的模型动画文件会多达数十个场景，其中最大的场景模型量达几千万面，还包含动画点缓存文件等众多数据文件，文件大小合计几十个GB。因此，为了渲染顺利，需要将一个场景中不同镜头有序分离成多个场景文件，将不同文件以摄像机镜头编号，并将文件中摄像机画面外的模型量进行删除处理，使每一个镜头文件的模型体量有效顺利地在现有硬件设备上渲染输出。二是大部分场景文件使用V-Ray的光子渲染模式，根据不同的场景文件选择不同的光子渲染模式，如特写镜头的场景文件中，只有在摄像机镜头平稳运动、主体模型无运动的情况下，为了提高速度特地抽帧渲染光子图，可调整渲染光子模式、渲染光子动画序列。另外，如摄像机与主体模型甚至光源都有运动的情况，就需要以动画形式将它生成一个光子贴图序列，渲染光子序列完成后再选择动画渲染。

图像渲染是数字动画创作中的重要环节，如何快速、可靠地渲染成为数字动画创作者绕不开的问题。在现有技术条件下，尤其是大体量的模型场景难以高帧率渲染的现状，应分解场景镜头，尝试多种渲染手段并用的“非线性、多段式”渲染结构。结合不同的镜头、场景，选择合理的方式进行渲染优化，在不影响渲染效果的基础上，利用软件设置结合虚拟图像技术有效提升渲染效率。针对不同的文件与现实情况需求，使用多台设备进行局域网络联机共享渲染、云端渲染等，根据镜头内容的渲染复杂程度将同一文件进行分段分设备渲染，用以加快渲染速率。

4.应用后期剪辑技巧，强化视听冲击力

在电影《星际穿越》中有一个重复画面，影片开头是机翼抖动的特写画面，结合一闪而过的背景声，类似角度一致的镜头画面在后续的电影中重复几次出现，用几次相同角度的机翼特写镜头表现主角飞行员在不同时期对抗引力的驾驶情况。让一个比较平淡的镜头重复几次，表现出主角有了对决引力的能力，实现自我突破的境地，这种镜头很适合表现战争场面。受此启发，在作品中可利用强调节奏，总结出一套适合的剪辑理念，就是同一环境不同景别、同一景别不同主体、同一主体不同角度的三种形式的组合以及分屏剪辑手法来表现紧张、快速的镜头冲击力。如《雷霆出击》作品最终整体的环境展现顺序为海—空—陆，战争场面镜头含有舰艇编队航行、渡海作战、海空协同、空降投送、纵深突进、步坦协同、机动行军、点位进攻等剪辑合成的画面。在海上环境中，针对舰队行进的画面采用9种不同景别、主体、角度的混合分屏，展示海上舰队的全景、中景、近景，接着选取以气垫登陆艇为主体的多角度特写，引出航母编队乘风破浪的镜头画面，最后选用武装直升机划过屏幕的视觉引导进行海空场景的分屏切换，短短几秒就充分营造出紧张的渡海作战节奏，展开递进情绪的渲染，给予观众极大的震撼。

剪辑需要一定的技巧，合理的剪辑关系到动画作品整体的故事风格和情绪感染力等。在实际应用过程中，剪辑形式应选择镜头画面紧跟节奏，利用多景别、多主体、多角度分屏的视听语言，在剪辑技巧的辅助下激发观众的沉浸体验，最终按预定目标完成连贯流畅、含义明确、主题清晰的数字动画作品，使整体作品内容饱含强烈的艺术张力。

三、数字动画的创作思考

数字动画创作与虚拟图像技术的结合是当代新型图像绘制技术驱动下的再一次进阶，时代背景下的创作是艺术与技术的结合，创作生产是在新型图像技术的支撑下实现的，通过数字模拟与图像生产的组合运用和技术手段，从而在众多领域实现数字动画创作的实施与广泛应用。目前，虚拟图像技术为数字动画创作虚拟动画提供了技术保障，由“现实”跨进“超现实”的维度，构建全新的虚拟仿真动画的“臻境体验”。近年来不乏展现文化传播的《特战先锋》《聪明的顺溜》《那年那兔那些事儿》《最可爱的人》等优秀动漫作品，创造出广受大众喜爱的动漫形象。动漫作品的新颖活泼、多元多样，以巧妙的故事情节和柔性的文化传播增强亲和力。尤其是《那年那兔那些事儿》以喜闻乐见的虚拟卡通形象，将中国近代的一系列重要事件寓教于乐，吸引众多网友主动学习，更有网友在评论区主动参与事件讲解，有效强化民族认同感。在当今“融、新、全、自”的媒体背景下，动漫作品对文化传播的作用渐臻佳境，优秀的动漫作品往往能衍生出几何倍数增长的传播成效。这是当代新型图像技术与视觉文化产品的集成式体现，这一切只有技术才能够做到完整呈现。也正是从技术的层面，我们才能够深入地分析所谓视觉文化时代来临的根本原因、特征、社会影响及其发展趋势[5]。