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导 读：三维动画技术已广泛地在教育、文化、经济等领域运用,为现代创意社会提供了极为重要的视觉传播媒介.通过对个性化动作的制作方法和个性化动作设置中模型、骨骼和蒙皮的处理方法两大块内容的理论研究,通过图例直观介绍角色个性化动作设置方法的实现,在项目实际操作中运用理论研究完善动画作品,有助于总结一套提高三维角色动画个性化设定质量及效率的本土化方法策略,并借以有效提高高职教育虚拟模型动画的制作效率,减少工程时间和返工次数.
随着数字媒体技术的发展,三维动画技术的研究和应用已深入到了社会发展的每一个角落,它对世界的改变不但表现于物质层面,同时也在精神层面产生了深刻的影响,如三维动画带来的数据信息内容传递方式的变化,商业运作形式的变化以及人们对影视、游戏、动画需求的更多关注,“慕课”在线授课平台的研究与开发,等等.毫无疑问,三维动画技术已广泛地在教育、文化、经济等领域运用,为现代创意社会提供了极为重要的视觉传播媒介.特别是高职教育领域,三维动画技术已成为虚拟教学场景的课件开发资源,成为论文范文专业问题与难点的动态数字资源.因此,适应数字化时代的三维角色动画是传统动画与数字媒体技术结合应用的新媒体艺术形式,其制作方式属于动画设计但又不完全等同于传统动画制作概念,它所涉及的工种更多,工序更复杂,而三维角色个性化动作又是吸引人的一大特点.
一、三维动画基本理论研究
(一)三维动画制作的基本流程
三维动画的制作是一个系统性工程.涉及到多个工种、多工种间的配合程度,对于动画制作来说是非常重要的,各环节的制作手段决定了动画制作效率.一般情况下整个三维动画的制作可分为前期筹划、中期制作、后期特效制作三大部分.其中前期主要分为脚本、设计、分镜头脚本等环节；中期制作包括模型及贴图,材质灯光及渲染、骨骼、表情设定和关键帧动画等环节；后期则主要为渲染、剪辑、特效、配音、音乐、音效等.
工作流程的复杂、合理程度管控制作效率、返工次数,因此优化流程中衔接的的部分可对目前状况进行有效的改善,使得动画制作更高效.
(二)关键帧动画
关键帧的概念来源于传统的卡通片制作.在早期迪斯尼的制作室,动画师设计卡通片中的关键画面,也即所谓的关键帧,然后在关键帧之间设计中间帧.[1]在三维动画中,中间帧的生成由计算机来完成,插值代替了设计中间帧的制作.所有影响画面图像的参数都可成为关键帧的参数,如位置、旋转角、纹理的参数等.关键帧技术是计算机动画中最基本并且运用最广泛的方法.
关键帧中包含了角色的运动信息,如图1所示,将角色所有骨骼在同一时间点上的关键帧信息组成起来便是一个关键姿势.两个关键帧之间的过度便是动画,所以关键帧质量的好坏会影响动画的质量.关键帧另一个重要性主要体现在把握角色关键动作出现的时间上,两个关键帧之间的时间差便是节奏,简单地说就是在时间轴上确定关键帧的位置.如果能快速地定位关键帧在时间轴上的位置也就可以调高动作制作的效率,省去过度的测试及修改.关键帧的质量及定位有助于减少关键帧动画制作时的返工次数.
(三)三维模型动画的分类和原理
三维模型动画的基本原理是让模型中各顶点的位置随时间变化而移动.主要种类有顶点动画、关节动画和骨骼蒙皮动画.从动画数据的角度来说,三者一般都采用关键帧技术,即只给出关键帧的数据,其他帧的数据通过使用插值得到.由于这三种技术的不同,关键帧的数据是不一样的.
1.顶点动画
顶点动画是直接指定动画每一帧的顶点位置的变化,其动画关键帧中存储的是模型中所有顶点在关键帧对应时刻的位置.[2]通过对模型顶点的位移来造成模型的形状变化,再将变成的新模型中所有顶点在空间坐标上的位置记录在关键帧中.如图2所示,在给A模型在第0帧的位置设置关键帧时,关键帧记录了A模型的顶点位置.将时间轴放置在第25帧并且通过移动模型顶点来改变模型形状得出B模型,并且将其顶点的位置信息设置在关键帧中.中间2至4帧模型顶点的位移信息由计算机自动生成,这样顶点动画就完成了.在实际的动画制作中,人们主要使用顶点动画来制作角色的表情变化.
2.关节动画
关节动画的模型不是一个整体的模型,而是分成多个模型,通过一个父子层次结构将这些分散的模型组织在一起,父级模型带动其子级模型的运动,各模型中的顶点坐标定义在自己的坐标系中,这样各个模型是作为一个整体参与运动的.动画帧中设置各子级模型相对于其父级模型的变换,通过子到父,一级级的变换累加得到该模型在整个动画模型所在的坐标空间中的变换,从而确定每个模型在时间坐标系中的位置和方向.关节动画的问题是,各部分模型中的顶点是固定在其模型坐标系中的,是不会发生位移的,这样在两个模型结合处就会产生裂缝,[3]影响动画效果,需要反复优化,以获得交互控制的运动画面.
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3.骨骼蒙皮动画
骨骼蒙皮动画是具有骨架结构的动画模拟.[4]一般来说就是将模型绑定在骨架上使之相应部位随骨骼的运动而运动.
骨骼蒙皮动画包含两部分信息：一是层次化骨架,如图3所示；二是蒙在骨架上的皮肤即三维软件中的模型,如图3所示.用骨骼承载运动,用皮肤模型表达角色,再利用骨骼控制模型变形就达到了角色动画模拟的目的.这样做成的动画就是骨骼蒙皮动画.
骨骼蒙皮动画和顶点动画相比, 优点是内存消耗小,具备交互性,并且控制层次高,便于修改动画数据.
二、三维角色个性化动作设置的方法设计
(一)角色模型分区理论
角色的模型分区, 更多的是为将来蒙皮和骨骼匹配做前期准备.角色模型的分区处理,其实就是将模型划分出大致的两大区域——活动区和非活动区,这都是在制作三维角色模型前需要考虑的因素.活动区与非活动区是交替存在的,即活动区的上下左右区域是非活动区,反之也是一样,不存在活动区接活动区,只存在区域的大小问题.而区域的大小问题就是可以区别动画风格的关键因素.
在角色建模中角色分为两种：一种为人形角色,另一种则是非人形角色.不管是哪一种角色类型的模型,在建模时候都必须考虑到模型的区域划分,如图4所示.模型的分区处理会直接影响骨骼模型的匹配.对于骨骼系统的安置来说,模型没有明确的区域划分会造成麻烦.这样的话,关节的位置及各个骨骼的长短都无法确定,从而导致工作量的增加甚至骨骼系统的安置失败,进而影响蒙皮的质量.
(二)分区理论中模型结构布线
骨骼模型动画的基本原理可概括为：将模型的顶点约束（蒙皮）在其规定骨骼范围上.然后在骨骼控制下,通过顶点混合动态计算蒙皮网格的顶点,并靠顶点的移动驱使模型发生变化.[5]顶点是模型结构线的组成部分,骨骼的匹配及蒙皮又需要模型的分区处理,而模型的结构线决定着模型的分区处理,所以,在制作模型时,不仅需要考虑形体上的布线,也需要将模型分区理论灌输其中,在两者中寻求一个平衡.
如图5所示,模型的活动区中需要布置更多的结构线,这样在制作动画的时候就能有足够的线来做运动,有利于保持模型结构不变形.结构线越多变形越圆滑,反之模型便会发生变形.在处理非人形角色的模型布线结构时,运用的原理其实是一致的.模型师必须根据角色设定的要求,在不影响模型形体准确度的情况下,在其假定的关节处布上足够的结构线.
(三)定点蒙皮法
蒙皮的概念就是将模型绑定在骨骼上,除了之前提到的几个蒙皮对模型的处理方法外,在这里还将延伸出另一个对蒙皮工作有帮助的观点,在文中称之为定点蒙皮法.现在知道,蒙皮是将模型每一部位分别绑定在各个骨骼上.这样就会发现一个问题,那就是如何决定在模型中两个区域交接处的顶点归属哪段骨骼、由哪段骨骼来控制,或者是此点各受每段骨骼多少程度的权重值.在长期的动画制作过程中发现,如果将那些顶点在绑定前就计划好的话,便可以大大提高工作效率.
如图6所示,注意灰色框选区域中的顶点,这些点处于两段骨骼的控制区之间,也就是活动区内,这里称其为定点.这些点的分配在制作蒙皮前就应该考虑好它们分别受谁的影响,所以模型区域划分就起到了很大的作用.在模型区域划分的前提下,我们可以清楚地知道哪些点会同时受到两段骨骼的共同影响.这样,制作者只需要对这些同时受两段或者多段骨骼控制的点进行权重分配.在制作中选中这些点,然后分别输入每段骨骼对其控制的权重值便可.完成这些步骤后,基本就可以得出一个初步完成的蒙皮模型,不用再一遍一遍地调试查看效果,只需调整几次做一些细小的调整,中间可以省去很大的调试比对的时间,有效提高了蒙皮工作效率,也使蒙皮工作变得相对容易.
三、角色个性化动作设置方法的实现
下文将结合动画实例,对三维角色个性化动作设置的制作过程中相关理论研究加以验证,并对实际制作中的操作方法进行说明.
(一)实际应用中的角色模型分区处理
之前提到过模型的分区对于角色个性化动作的表现会产生影响,所以在这里以实际动画作品中非人型角色为例来阐述模型分区的使用情况.
在实际操作当中首先考虑模型的结构,要弄清楚角色模型各个部位的大致位置.例如头、胸、臀等等,各部位的结合区便是关节所在位置,也就是活动区.但是对于非人形角色,这些概念就比较模糊.以动画项目《家园》为例,在动画角色设计过程中,便会发现对这些角色的模型分区把捏不是一件简单的事情,因为这些角色基本上是一个蛋形的模型.在分析动画脚本后发现,主要动画并没有角色太多的动作,所以没有将身体划分得这么细,故意做这样的风格设定.缺点在动画中发现角色的躯干部分基本是没有动画的,那是因为活动区的缺乏使得角色无法完成身体弯曲的动作,如图7所示.
在这之后制作角色单独表演动画时,要求角色的动作更为柔软,这时发现原来的角色个性化动作设置已经无法满足动画的实际需求.经过一段时间的思考和对原设计中故事剧情进行了一系列的分析后,决定对模型进行调整,将视其具有一些部位.在制作的时候刻意使用布线方法来将这些部位区分开来,这样可以更多地加入骨骼段数,用以运动来达到设定的效果.这样对于角色来说,身体有了更多的骨骼,自然运动起来就更加地自如,如图8所示.从这个例子中,可以清楚地发现分区法运用对动画制作的重要性.
(二)根据模型分区理论匹配骨骼系统
根据体态来决定骨架中各个骨骼的大小长短,并且根据角色模型的实际情况来配置关节数量及位置.[6]在实际制作当中,动画制作者根据模型的分区来布置关节的位置和骨骼的长短,然后再使骨骼的横截面和模型本身匹配.比如鸽子的身体,虽然鸽子身体看上去只有一整块,但是如果只给它一块骨骼的话,想必对后面的关键帧动画制作是非常困难的.鸽子的很多动作将被限制住,这样不利于表现角色个性.所以这时的模型分区要能为骨骼系统的制作提供参考.分区时先考虑角色在剧中的动作设计,结合动画剧本可以将鸽子的躯干区分为三部分,分别是头、胸、臀,并且制作模型时预留了几根结构线.但是由于动画设定时鸽子的运动属性是相对柔软的,所以在布线上可以尽量地均匀,如图9所示.
在分区完成后,接下来便是决定关节的位置和骨骼的长度.如图9所示,眼睛部分的骨骼为鸽子的头骨,头骨下的骨骼就是被划分出来的胸部.向下类推,中间鼻子部分为两块骨骼的缓冲区.根据模型分区来制作骨骼匹配不仅可以使骨骼精确定位,还可以提高定位效率.
四、角色个性化动作设置方法的实现
(一)情感设计对于关键帧制作的效率分析
动画制作者在制作角色动画时, 往往需要将自己置入角色,从角色的角度审视事物,需要根据其个人的理解来解读脚本,思考角色的心情动作等等,这势必会造成很多人为的偏差、误解和不可控因素,从而影响最后的动画作品.
通过对实际制作过程的优化,将动画制作者对角论文范文感的分析解读和设计上从个人思想转为集体思想,将角色的情感设计在制作动画前以要求的形式指示给动画制作者,省去了个人分析情节的环节,不仅节约了动画制作者制作动画的实际时间,还可以将因为个人理解的失误导致动作偏差的返工率降至最低,如图10所示.虽然情感设计也会有返工,需要重新设计,但是这一环节是在关键帧动画制作前.此时重新设计角论文范文感,无论从时间、精力及用工成本上,都要比因为动作表达偏差造成的关键帧动画返工好,如图11所示.
(二)模型分区对骨骼匹配度的影响
模型分区理论在作品中是首次被应用的,解决了动画制作者在对模型进行考量中的不确定因素,使得动画制作者可以更专注地在技术层面上发挥其优势.
如图12中显示,模型A是未分区的模型,其布线上看不出有区域的变化,模型B为分区模型,在布线上进行了调整.在模型A的情况下,一切都需要动画制作者自己去把握骨骼安置的位置,这样就有可能会使骨骼在安置上发生偏差,从而直接影响角色个性化动作的制作.
现在引入模型分区理论后,骨骼匹配的准确度可以由模型分区来为其设定标准.有了质量上的标准,制作上的方向便更加明确.在模型分区完成后,骨骼系统的匹配变得相对容易许多.在骨骼系统的匹配过程中,不必再去测试骨骼的长度及关节的位置,只需根据区域来进行放置,使得骨骼的匹配程度更加精准,返工次数的减少为接下来的工作节省了时间,也为更好的蒙皮制作提供了可能.
(三)模型结构对角色蒙皮质量的分析
评定蒙皮质量好坏在于模型运动时其表面的变形程度,变形符合物体的结构便是好的蒙皮,反之就是坏的.
在实际操作中,模型的结构线便是蒙皮的对象.
模型的分区及模型的结构直接影响了蒙皮的质量,质量如果无法保障的话,返工是必须的.在动画制作过程中,处理好模型的结构有助于提高蒙皮质量,同时也使蒙皮返工次数有所下降,如图13.
(四)定点蒙皮法对角色蒙皮效率的分析
常规蒙皮的基本步骤包括：确定各骨骼位置、划定骨骼控制范围、找出关节位置、划定关节控制范围、设定顶点权重、计算关节范围的顶点权重分配、调试各关节的运动状况后进行修改.
定点蒙皮的基础是模型的分区.在活动区中的点便称为定点.其实在实际的操作过程中发现,定点蒙皮法对蒙皮的质量起不了大的作用,但它对顶点权重的设置意义重大,可以快速地使操作者对于那些同时受多段骨骼牵引的顶点进行定位,使其能迅速地找到它们,并得知牵引它们的骨骼数及骨骼名及在找到后就能大致知道各段骨骼对各定点的权重值.由于定点确定剩余顶点值基本都为1,只受其相应骨骼控制,工作效率因此大大提高.定点权重值的算法已在上述中提到,这里不再累赘.由于定点的权重数值已有一个初步的概念,省去了重新计算的时间,并且减少了测试及修改的次数.
在这里以鸽子的蒙皮作前后比较,从图15的时间对比上可以看出,定点蒙皮法优化设置顶点权重时间,提高了动画的制作效率.在这里需说明的是,图中的时间为计算测试及修改的总时间.
五、结 论
目前,三维角色动画在各个领域都有广泛的应用,市场对于三维角色动画的需求越来越大,产品广告、项目演示、虚拟现实、影视特效、教学模拟等无不涉及到三维角色动画.三维角色动画在国内有着广阔的发展空间与前景,受到诸多行业的强烈关注.
在未来的高职教育中,三维动漫创意必将成为构建学生和教师上课时阐述重点、实践中论文范文难点的优质技术资源,并使课堂变得生机勃勃,甚至可以全方位模拟企业实际工作环境.
目前在教育领域国内关于角色个性化动画的专题研究还比较少,本文结合动画项目案例制作,总结了一套提高三维角色动画个性化设定质量及效率的本土化方法策略,希望能够对高职教育或其他行业的动画设计者有所启发和帮助.
参考文献：
[1]徐济仁.3d s m a x创作关键帧动画技术效果[J].电脑知识与技术,2002(5).
[2]刘贤梅,赵丹,赵娅.数据驱动人体动画的关键帧技术研究综述[J].计算机工程与设计,2011(11).
[3]张美香,郝轶鸣.关键帧动画技术综述[J].山西广播电视大学学报,2009(9).
[4]谢飞.3ds Max人体骨骼与蒙皮制作高级应用技法[J].兵器工业,2009(4).
[5]王瑶.3d s M a x角色骨骼动画高级应用技法[M].北京:兵器工业出版社,2009.
[6]高自强.3d s M a x角色表情动画技术精粹[M].北京:机械工业出版社,2011.
■责任编辑：张 炜
总结：主要论述了模型骨骼论文范文相关参考文献文献
人体骨骼3d模型引用文献:
[1] 模型学士学位论文范文 关于3d模型本科论文怎么写5000字
[2] 人体模型毕业论文模板范文 人体模型方面毕业论文怎么写5000字
[3] 模型论文范文 模型类自考开题报告范文2万字
