浅谈三维动画电影中模型资产的筹建

刘德新

中影动画产业有限公司，北京 101400

在实拍电影中，为了保障正式拍摄的顺利进行，影片的概念设计、美术设计、分镜设计、服装和道具制作、场景选址、内外场景搭建、摄影器材筹备等不同层面的准备工作都需要花费相当多的时间和精力。动画电影作为现代电影体系中一个非常特别的分支，自然地继承了实拍电影的大部分特质。与实拍电影不同的是，三维动画电影的制作完全依托于计算机技术和完整的动画工业体系，其工作流程分工复杂、环环相扣、相互制约。类比实拍电影，可以粗略地将其工作内容分类成资产筹备、动画镜头制作、灯光合成。对于资产筹备来说，可以理解成为满足三维动画镜头拍摄所准备的一切工作。更为详细地讲，资产筹备包括美术设计、模型制作、UV 拆分、贴图、材质质感以及绑定。正是因为三维动画电影的资产筹建是一项复杂而缜密的工作，免不了会发生各种各样的小插曲。无论哪里发生了疏忽，都有可能在动画镜头制作或灯光合成阶段造成不必要的麻烦，导致制作周期加长和成本增加。

三维动画电影中动画资产的筹备属于制片管理的范畴。参与者通过分析、梳理剧本和分镜中的信息来确定有多少场次和镜头需要拍摄，以及镜头中出现了哪些动画资产需要制作，如角色、道具、内景、外景等。首先，制片管理部门需要对这些整理出的信息进行分类，因为动画场次的制作并不一定是始终如一的，而是根据场次的制作难度和人力配置力求合理安排。动画资产的制作需要做好提前量，分批次制作以满足拍摄的需要。其次，资产制作的特点是，优先制作出镜率高的资产。从技术层面而言，动画资产既有其内部的逻辑关系，也对镜头拍摄产生影响。模型资产制作可以说是三维动画制作的技术基础，对其他所有技术环节都产生影响。笔者仅以模型资产为例，通过分析美术设计与模型资产之间，模型资产与动画制作的不同技术部门之间，以及模型资产与动画镜头制作之间，相互影响又相互制约的微妙关系，从不同角度和维度，阐述在制作三维动画电影时如何更加完善地筹建模型资产，以及完善的模型资产在动画电影制作中发挥的积极作用（图1）。

图1 三维动画制作中模型制作的分类示意

1 从美术设计到模型资产

1.1 美术设计的基本内容

美术设计工作的主要内容包括故事板绘制、资产设计等。其中资产设计的内容包括角色、场景、环境、道具的美术设计。角色设计又可以看作是演员、服饰、妆饰、发型发式、配饰等设计的集合体。

资产设计为三维资产的制作提供了明确的艺术方向，每一个资产的设计工作大致流程都会经历概念设计、线稿、色稿和材质指定。概念设计主要呈现个体造型或整体氛围，线稿表现最终造型和造型中细节的刻画，色稿展现个体或整体的色彩搭配，材质指定是使用不同的参考照片来讲解设计中每个部件具体的物理质感，它将成为资产在制作贴图和材质时的主要参考。理想状态下，动画资产部门根据美术设计发来的设计资料就可以开展正常的工作，双方的工作需求看似单纯，但在实际工作中艺术家们需要齐心协力处理各种各样的小麻烦。

1.2 美术设计与模型资产的互为影响

比例问题应该是最常遇到的问题之一，包括角色本身的比例、不同角色间的比例、角色与道具间的比例、角色与场景间的比例、场景与环境间的比例问题等。美术设计阶段的比例大多是艺术家凭空设想出来的，在镜头拍摄阶段发生一些意料之外的问题也是在所难免。角色间比例差异较大不仅更加考验镜头拍摄时的构图能力，还会发生同一个道具或场景与不同角色比例失调的情况。如台阶的高度或长短对某些角色合适，但对其他角色来说太高或太矮；同一块地砖的花纹因为不同的角色显得太大或太小，从而导致贴图精度不够或纹理过密影响美观。这种看起来微不足道的小问题，会在动画表演和最终渲染时不断制造小麻烦。角色和场景间的比例失调经常会影响到镜头的构图，角色、场景、环境间的比例失调会使拍摄出的画面产生视觉上的违和感，造成观影不适。另外，制作环境时的资产数据一般是非常庞大的，随意缩放会导致计算机算力不足而宕机。比例问题是一个系统性的问题，不要因为是动画片就认为可以随便对资产进行缩放。如果在进入镜头制作阶段后才发现比例问题,会牵扯非常多的镜头。

三维角色的设计与三维制作在技术角度讲无疑是相互影响最为明显的。整体上讲，就角色设计特别是设计形态偏夸张的角色而言，躯干和四肢的比例会影响其表演动作的合理性、协调性、灵活性、美观性。在设计角色时应该以满足其表演需要为前提，为其设计具有代表性的表演方式，以弥补其形态的限制。角色的面部和身体的设计风格其实与三维动画中使用的角色绑定技术息息相关。为某特定风格的角色开发的绑定技术，会与类似风格的角色兼容度很高。多数主流动画公司都将自家动画形象限制在某种特定的美术风格内，使观众可以更容易地分辨出来。这样做更有利于通过绑定系统的兼容性来控制制作成本，从而导致观众近几年看到的动画角色形象越来越雷同。

除了身体和头部模型这两种相对“单纯”的资产数据外，不同复杂度的发型发式和服饰都会影响其在三维软件中的制作难度。在三维动画的制作中头发和服饰分为造型和动态解算两部分。但是通常情况下，美术设计阶段都会把注意力过于集中地放在它们的造型上，而忽略它们的动态效果。那么是否有必要在美术设计阶段也或多或少考虑一下毛发和布料的动态效果是值得探讨的。在这一点上，欧美动画在动画形象的提炼方面已经非常成熟，可以发现大部分角色的服饰都控制在相对简洁的范围内，这将有助于三维动画的制作。国风动漫的角色服饰普遍更为复杂，角色头发的长短、衣服的款式、衣服的件数以及配饰的多少都会影响到动态解算的工作量。因此美术设计在为角色设计发型和服饰时，如果能与解算部门保持积极沟通，在符合艺术风格和角色性格特点的前提下有所取舍，在天马行空的同时也充分考虑到三维技术、制作周期、制作成本的限制，并在一定范围内寻找平衡点，无疑会对项目的顺利进行起到非常有益的促进作用。

物理运动方式方面的设计是另一个具有代表性的问题。美术设计不仅需要完成静态设计工作，还需要为一些不常见或具有特殊运动规律的资产做一些运动方式上的设计，如与机械类相关的资产设计。一些复杂的设计和模型测试是交替进行的，设计师需要借助三维模型搭配简单的动画演示来确定自己设想的可实现度和美观度，并以此为依据对设计进行不断调整，以满足最后的拍摄需求。场景设计和环境设计在后续的三维制作中将产生巨大的工作量和数据量，包括对表演区和非表演区进行划分；在环境的边缘位置使用背景绘制；对场景中出现的资产素材进行整合；尽量控制场景中资产的种类；在不影响视觉效果的前提下适当提高资产的重复使用率。这些都会对三维制作阶段的资产数据量产生影响，也会对渲染时间造成影响。

此外，美术设计如果能考虑到产品开发的相关技术需求，为其预留一定的发挥空间就再好不过了。

2 动画生产线上的模型资产

2.1 模型资产制作的基本要求

三维动画电影的资产制作是以美术设计为艺术参考，三维模型在造型上首先要达到美术设计认可的艺术水平。其次三维动画的资产制作要符合动画工业的技术标准和流程规范，这是三维动画自动化生产流程的前提条件。资产制作是以三维模型为技术基础，以满足动画拍摄要求为最终目的的一系列工作，因此，资产的审核标准既要符合艺术性又要符合技术性。

三维软件中三维模型产生的基本原理是：通过连接三维空间中相邻的三个点即可产生一个平面，每个点拥有属于自己的序号（ID），造型越复杂产生的面就越多。通过三维扫描技术产生的模型与三维动画电影使用的模型是不同的，主要区别在于模型上“线”的走向，我们称之为拓扑。模型上的布线看似缭乱，实则每条线都有明确的作用。有负责造型主体架构的线，有负责巩固造型的线，有负责提供动画变形的线。在多数情况下负责UV 拆分的线与负责主造型的线是相同的（图2）。

图2 三维模型上不同作用的线

动画电影中的三维模型在布线方面始终强调要使用四边面来制作模型，这个硬性技术要求的深层原因是当摄影机距离被拍物体越近，模型边缘的精度会越低。为了提高模型边缘的光滑度，需要对模型添加光滑（Smooth）节点，而光滑节点对模型上四边面的支持远优于三边面（在制作三维游戏使用的三维模型时，由于没有光滑的需求，因此多以三边面的形式呈现）（图3）。

图3 不规则布线和规则布线添加光滑后的不同结果

模型最终还是以完成动画表演为目的。模型上线的功能主要有两个，一是完成造型，二是完成动画时需要的变形。如为了眼睛或嘴巴在闭合时可以严丝合缝，需讲究上下布线的对称性；考虑到嘴角在水平方向的运动范围，需参考现实中口轮匝肌的范围；如果要在眉头上扬时出现抬头纹，需增加角色额头的布线;无论是手指、手腕，还是肘部、膝盖，为了在弯曲时制作出肌肉挤压效果，也需要有足够的线才能实现。任何为局部效果增加的线都会影响到全身的布线，这也是制作角色模型的技术难点。

2.2 模型资产与不同技术部门的相互影响

模型的制作质量将影响后续所有的制作部门，如生产毛发的模型、布料解算的模型、在绑定中使用的低边模型、群集动画使用的低边模型等。这些模型都脱胎于资产部门提供的原始模型，但又有各自不同的需求。

毛发的制作内容不仅包括角色制作的头发、眉毛、睫毛和胡须，道具或衣服上的皮毛，根据具体的细节需要，有时候还会制作角色脸上的汗毛或毛绒面料上的绒毛。模型结构越复杂、动画越多，对毛发产生的影响越大。以常见的头发制作为例，头部模型解剖结构的准确性将影响发型发式结构的准确性。如果模型结构不合理，也会影响到毛发造型的美观程度。头部模型布线是否正确地划分出头皮的范围，是否可以清楚地判断出发际线、鬓角，对于毛发制作时头皮模型提取的准确性有着明显影响。

布料解算的计算方式要求参与解算的模型布线为均匀分布的单层四边面。不均匀的布线会使布料模型在解算过程中，由于不同大小的面导致拉伸度和变形曲率的不一致，影响解算结果的美观度。为了布料能够顺利解算，角色的衣服模型一般都会刻意与身体模型间保持一点点距离。衣服是有厚度的模型，而制作布料解算的模型不需要厚度，是单层的模型，它取自衣服模型内侧贴近皮肤的面，两者间使用包裹产生链接关系。布料在解算后会产生多少褶皱的基本因素是模型的面数，面数越多的模型有助于产生更加细腻的褶皱。可以用布料解算的具体效果为依据来安排衣服和布料模型的精细程度。另一个影响褶皱的因素是碰撞体的模型面数，也就是身体的模型面数。布料和碰撞体的精细度应该是尽量相近的，这样布料解算出的效果会更好。这些布料解算的特性必然对角色身体模型和衣服模型的制作产生反向的影响（图4）。

图4 拓扑匀称的模型和不匀称的模型进行布料解算的结果对比

低边模型的用途主要是为了提升动画制作时的交互速度或渲染速度，其不需要进行光滑处理。制作低边模型的主要方式是在原始模型上减少布线来完成，一般可以将模型上横向和纵向排序在偶数的线段去掉，注意不要破坏原始模型的UV，以确保模型上的贴图也可以正确显示。如果将低边模型按面数由高到低排列，面数最高的低边模型，主要用于卡通风格的道具和角色，它保留了模型的主造型线和变形线，并继承所有可变形的绑定效果，用以满足中远景的动画表演和渲染。只保留主造型线的低边道具模型，不继承绑定变形和参与渲染，用于提高制作布局（Layout）时软件的交互速度。用于角色绑定的低边模型，将面数较高、影响动画制作时交互速度的角色从各关节位置进行拆分，使模型零散化，再把这些零散的模型约束回相应的关节，由于没有了蒙皮权重的影响，可以在Layout 制作时提供很高的交互速度。群集动画时使用的低边模型，无论是角色还是道具都类似于面数最高的低边模型，而且可以更加简略。

2.3 模型资产的数据优化

虽然现在的计算机硬件性能已经今非昔比，控制资产数据总量对于项目的顺利进行仍然具有现实意义。制作模型资产时需要考虑计算机能够承载数据量的极限，具体而言，一是软件使用时交互能力的极限，二是对参与最终渲染的数据总量的承受能力，而模型数据占据着其中主要的数据量。

模型资产的数据量不是一成不变的，在不同的阶段有不同变化。参与动画表演的模型资产在进入绑定阶段时发生一次数据量的增加，其原因是计算模型在三维空间内位置变化的方式发生变化，前者通过位移节点来控制整体的位移，后者使用骨骼或者变形器带动的模型上的点来进行空间位置的变化，所以绑定文件的数据量会翻倍增加，特别是绑定文件中使用了面数较高的模型时，在动画制作阶段影响软件的交互速度是极其常见的问题。在Alem‐bic 文件格式的渲染流程会去除掉动画文件中复杂的数据信息，改为动态模型数据。在FBX 文件的渲染流程，会保留骨骼动画信息和蒙皮模型信息，去掉复杂的绑定控制信息，以减轻文件数据量。因此参与动画表演的数据无论是角色还是道具，其数据在渲染阶段并不会造成过多影响。

真正造成影响的往往是不参与动画的模型，比如场景模型和环境模型（图5）。就像在前文中提到的，美术设计需要对重复度高的物体有限制地进行设计。此原则也一样适用于模型资产的制作。制作场景或环境模型时应依据景别来判断模型的制作精度。减少模型数据量最有效的方法是删除模型结构中隐藏的、不参与渲染的面；其次是将相同类型但又不动的模型进行合并，因为在三维软件中一万个单面模型和一个一万个面的模型，数据量的计算方式是不同的，如屋顶的瓦片。如要选择合并模型，需先处理好模型的UV，否则计算机有可能处理不了这种合并后数据量过大的UV 数据。

图5 删除插入到其他模型内部且不参与渲染的红色底面以减轻模型数据量

3 从动画预演场景到最终场景

3.1 动画预演

三维动画电影在进入镜头拍摄期时，会将拍摄任务拆分成不同的阶段逐步完成拍摄。一般的拍摄流程可以分为动画预演（PreViz）、Layout、动画制作、灯光渲染（暂且将角色特效和视觉特效归纳到灯光渲染内）四个主要阶段。每个阶段对于模型的需求都是不同的，我们很难提前准备出满足所有的场景和环境资产，因此模型的制作也是循序渐进的。

动画预演是在电影正式开机或制作前对电影拍摄任务用简单快速的方式预先制作一遍的过程。在此阶段正式的美术设计工作可能尚未进行或稍有进展，因此主要的依据是版本较早或终版故事板来进行预演拍摄。通过使用低边示意模型快速对每个镜头内的拍摄信息进行确认，内容包括且不限于人物、场景、道具间的比例关系，角色和摄像机走位，镜头拍摄时长，画面构图，特效示意等。低边示意模型可以使用任意形式的模型来演示，只要在镜头中可以区分出模型代表的具体含义即可。

3.2 场景的搭建与细化

预演场景的搭建主要参考美术设计和故事板提供的信息，将主表演区以三维空间的坐标原点为中心，在一定的区域内进行简单的搭建。如果表演区距离坐标原点太远，有时会对角色绑定文件和毛发布料的解算产生不良影响。

预演场景可以根据每个镜头的实际需要在镜头中进行模型的位移、旋转、缩放、添加、删除等，使用最简单的方式确定影响镜头构图的要素，如室内的家具、室外中近景的地形变化和植被等。最终将所有预演镜头中的低边模型和摄影机轨迹合并到一个文件内，来考察整个预演模型是否可以满足所有摄影机的拍摄需要，并根据实景情况进行调整，最终得到一个信息较为准确的场景示意模型。

如果预演动画中创建出的模型处理得当，将对美术设计和模型的细化产生重要影响。从宏观角度讲，它既可以是美术设计师细化美术设计的三维参考，也可以通过场景中的摄影机位置来划分主要拍摄区、次要拍摄区以及场景模型和背景绘制的边界。从微观角度讲，根据景别较近的镜头拍摄的范围，可以为正式的模型制作标定出需要细化的具体位置。

环境制作中植被资产的创建，同样需要注意模型的美观性和数据量上的控制。植被模型最终被处理成代理几何体缓存，用于提升植被分布时的交互速度。值得注意的是，渲染器对植物细节的展现力是有限的，特别是中远景别中的植被，如果在渲染画面中树枝的粗细只占用1 或2 个像素，那么在渲染结果中很有可能无法看出树枝，而树叶则飘在空中。因此，渲染器的局限性也成为植被设计和植被模型制作的限制条件之一。

4 结束语

简而言之，三维模型是通过连接虚拟空间中的点来实现的。仅仅站在三维模型制作的角度会使眼光变得局限。因为三维模型的制作不仅承载了美术设计的艺术性，更承载了三维动画制作流水线中所有的基础性技术要求。模型的质量对绑定、动画、布料解算以及最后的渲染结果都有着直接的影响。模型本身的问题会在后续工作中被不断放大，处理成本也会随着项目的进行越来越高。

对于模型资产，科学的规划以及严格的质量管理和数据量管理，一方面将有效提升工作中软件的交互速度，进而提高动画师和灯光师的工作效率。另一方面将有效提升渲染速度，并可以避免由于数据量过大导致的内存不足和系统崩溃问题。模型资产筹备的难点在于要站在宏观角度来考虑问题，这样将会为影片的制作质量、制作周期、拍摄成本产生积极的影响。