摘 要

三维动画发展迅速，模型制作变得十分的复杂，花样百出，而本应是一体的静帧与动画逐渐变得割裂开来。而因为模型的精细度与渲染效率也似乎站在了对立面。本文意在站在国内三维动画制作的大环境下，结合个人的实际操作经验，去权衡质量与效率之间的得失。

关键词：三维动画 高精度角色模型 动力学结算 ziva

目□□录

第1章□绪论

第2章□人物模型制作

2.1流程

2.2贴图：法线与置换

2.3布料：雕刻与解算

2.4毛发：根状与面片

第3章□Ziva动力学解算

3.1肌肉与骨骼

3.2筋膜与脂肪

3.3动作捕捉/表情捕捉

第4章□渲染与输出

5.1vray

5.2UE4实时渲染

第1章 绪论

近几年三维动画的发展迅速，已经成为了近几年动画产业的主流。它以较为低廉的成本，精美的画质，炫酷的特效逐渐获得大众的青睐。近年来，3d动画的发展越发迅速，各类软件技术层出不穷，思路和体系亦是不断更新，应对不同动画风格，我们对于制作模式的选择也会更为丰富，极大地提升了动画成片的质量。同时，动画产业和影视产业也越发的密不可分。动画电影和实拍电影的制作流程也在逐渐靠近，相辅相成。这也为动画产业的发展带来了新的生机。

放眼国内三维动画的发展，从最初的百变机兽，奇奇颗颗历险记，魔幻仙踪，到后来武战道，超兽武装，到如今少年锦衣卫，秦时明月，画江湖，场景越来越精致，在视觉上给人的震撼越发的强。近几年3d动画发展神速，几乎是一年一个样子。技术不断革新速度快到令人应接不暇。最开始让我步入这个大门的是秦时明月放出来的一个宣传片，是一片森林，一草一木皆是风景，树叶能随风而动，花朵会开会谢，有白天有黑夜，也有落日的余辉。江山如画，说的便是如此。我被她深深吸引，这也是我第一次认识到虚幻引擎。如今，虚幻引擎能满足国内动画连续剧大部分镜头的制作质量要求，而动画电影则还是需要传统的渲染器渲染方式。但是，随着前不久UE5的出现，也许这一格局将会被改变，高面数模型渲染摆脱了了传统极简模的限制，同时相比传统引擎，更加进一步完善了对真实世界的模拟，让3d创作者将更多的精力放在了创作上而少了传统流程的局限。而在动画方面，因为场景描述要更为精炼概括，ue5也许可以承担起一定部分的动画制作的重任。

然而，在这样一个制作方式五花八门的时候，我们究竟应该在制作流程上如何的取舍，又应该在质量与效率上如何去衡量呢？尤其是在国内三维动画的制作环境下，似乎质量和效率成为了一个有些矛盾的命题。

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第2章 人物模型制作

随着技术的发展，制作方式变得千变万化，操作流程也是越来越复杂，从最开始的nurbs建模，到一直沿用至今的polygon模式，从最开始的低模材质，到次时代建模，游戏、影视模型层出不穷，已经不限于一个固定的思维或者模式。除了主流的3dsmax，maya，zbrush这类建模软件，贴图软件，渲染软件，服装设计软件，还有各式各样的小功能插件层出不穷，让人眼花缭乱。效果方面也是让人同样惊艳。一个人物能够精细到皮肤微妙的皱褶，看到一根一根的头发，眉毛，睫毛，甚至能看到瞳孔的颜色微妙的变化，能真的看到人眼中的星辰大海。可究其根本，这样的千变万化，终是万变不离其宗。

2.1 流程

流程就像一棵树的主干，有了这个主心骨，我们再通过自己对模型的理解在上面添砖添瓦。建模一共就是三个，模型，材质，渲染。而在这一套流程中，建模部分是变化较少的，而剩下的贴图部分和渲染部分则可以有很多的选择。贴图直接决定模型质量，渲染则是决定效率，因此对于贴图和渲染方式的选择便是质量与效率的权衡。而在玄鸟中，我是用zbrush处理了大部分模型的问题，直接雕刻塑造模型大形，然后再对雕刻的粗模进行拓补，一些公开了的模型也可以用来做人物的练习。然后将拓补完的模型展uv再导入zbrush重新进行模型的分级，烘焙贴图。而在表皮质感方面，日本生物设计师森田悠挥的课程亚洲龙[3]则给我了一个启示。将模型导入zb进行塑形之后，可以用用置换的形式处理大部分纹理细节，再重新导入模型修正，绘制模型材质。十分节省时间，对于生物建模是很好用的。在处理好主体之后，围绕模型创建装备，布料。用xgen制作毛发，用同样的方式细化。最后调整人物姿势，布置灯阵，测试渲染。

2.2 贴图：法线与置换

次时代源于日本语，意思是未来的时代，下一个时代。从广义上来讲是为广泛应用的先进技术，而次世代建模则是广泛应用在游戏与国内部分动画番剧中的的一项技术。改变了最初低模绘制贴图的方法，而是烘焙出高精度模型的法线（nomal）贴图，继而回帖在低模上，让低模具备高模的细节和光线效果。[4]从而在节省资源的情况下达到更好的视觉效果。而这类次世代模型的弊端在于它并非模型表面的起伏变化，而是一种视觉错觉，这种错觉在特定角度下会消失，或者在模型边缘处产生一些错误。这种穿帮在游戏中尚可，但在影视中，暴露在中近景和特写镜头下，则会一览无余，因此这类模型只适合在中景，远景这类对模型精细程度要求不高的场景下使用。而置换（displacement）更适合运用于特写，近景的制作。置换贴图能在模型表面展现真实的凹凸，这些凹凸是真实计算在光线的折射与反射之内的。这也是大多数影视作品更加倾向于置换贴图的原因。在玄鸟中，因为是插画作品，也就属于静帧范畴，因此可以负担得起置换贴图的工作量。因此我没有使用任何法线贴图，从人物皮肤纹理到装备的磨损全部是由置换解决。在这一方面，纹理绘制软件Mari是一个极其趁手的工具。里面可以通过映射xyz的置换贴图来表述人类皮肤的纹理细节，也可以通过一些随机或者个性化的的黑白纹理来绘制粗糙的恐龙或者怪兽的生物表皮，以此来减少复杂生物在造型方面的工作量。

xyz置换贴图：将人类皮肤纹理分为三个层次，第一层次是最粗糙的纹理，第二层次是中等，第三层次是最细腻，将三张贴图分别放入图片的xyz通道中，形成一张彩色的皮肤纹理置换贴图。动画里面通常都只需要第一第二个图层的纹理，因为第三个图层的置换过于细腻，对于皮肤表面细节并没有太大影响，而同时占用的过多资源空间。

2.3 布料：雕刻与解算

布料在人物的制作中应用的极其广泛，广义上的布料所指范围广泛。可以说所有除却刚体之外，需要动力学解算的物体都可以称作布料。例如塑料袋，气球，甚至流下的水珠，都可以使用ncloth进行动力学解算。狭义上来讲就是衣服，窗帘一系列的布料。

人的衣物则是布料制作的重点。人的衣物的种类繁多，按照制作方法来讲可以分成是贴身衣物和宽松衣物。贴身的衣物通常并不会用到动力学解算，更多的是通过zbrush的雕刻来完成，应用置换贴图来展现细节就可以拥有一个不错的效果。若是只有一件衣物，更是可以删除看不见的皮肤部分来减少资源的占用。或者直接使用包裹命令将贴身衣物和皮肤模型贴合来减少运算的工作量。（如图2.3-1）贴身衣物的衣服褶皱一般比较细腻，这样细腻的效果，对于模型的面数要求较高，碰撞厚度要求很薄，很容易产生一些不自然的现象。而在效果方面，相比起动力学解算，这个方法能用更少的面来展现更多的细节，并且可以避免在结算中因为距离过近而出现的穿插现象。而宽松衣物的制作则是要丰富得多。目前来看，国内现在大多数动画都属于国风范畴，或者或多或少有些国风元素。衣物多数都很有“仙气”，往往宽松肥大（如图2.3-2）。不谈样式是否合情合理，这类衣物并不适合用zb雕刻面片并和一些硬表面装备一同绑定在皮肤上，而更适合用专门设计服装的软件来解决这个问题。我在玄鸟中使用的是qualoth来制作的衣物。工作流程和服装设计软件marvelous designer无异。这一软件明显更适合对这一类型衣物的处理。这个软件并不是像3dsmax，maya那样的传统动画软件，而是用于服装设计，它的制作流程更贴近真实衣物的生产。不过近年来越来越多的cg工作者开始青睐于它，它同样也向着动画生产的方向靠拢（如图2.3-3中衣物明显为md制作）。这款软件的实时解算速度要比maya传统的解算快得多，在手动调试模型上也给创作者更大的发挥空间，而通过把控材质的属性，能使布料更快成型。这种方式创建衣物比传统建模方式要快得多也精准的多，纹理变化生动多样，造型流畅。在动态方面，maya自带的ncloth，md自带的解算，qualoth都可以很好的满足需求。在玄鸟中，我选择了直接应用qualoth来制作衣物，直接解算产生了一个Apose模型的衣物。但因为最终是静帧作品，所以在接下来的流程中我并没有逐帧解算，而是在导入md内部直接调试模型动态，用别针固化布料的形态。然后返回zb中进行调整。这一个方法不适用于任何动态模型，但是对于静帧作品来说，应用的极其普遍。好处就是处理起来随心所欲，并不局限于动力场的调试，极大的节省了调试这一模块的时间，同时这也是目前3d中动画和静帧割裂开来的一个证据。

而总体来看，动力学结算无疑是最耗费人力物力而又不可避免的选择，尽管将骨骼绑在布料上能解决一部分问题，但是，这个部分甚至只能说是布料解算的其中一个步骤。很多情况下会出现的穿帮，而解决方法更多是靠降低整体效果而形成一种不够科学的“风格化”，而形成的一种的“儿童动画”，用作低龄化敷衍儿童观众的用途。当然，在动画有其他看点的情况下，这不失为一种办法。

2.3-1 2.3-2 2.3-3

2.4 毛发：根状与面片

毛发有和很多种类型，人的头发，眉毛，睫毛，皮肤上的汗毛，衣服上的绒毛，皮草，以及动物身上的毛发。他们根状分明，有集束关系，动态丰富。在制作方面，所有的制作与解算都是围绕着线来展开的。次世代模型和影视模型有着不同的制作区别，而除了制作区别之外，在动力学解算方面也有着不小的区别。国内大多数动画番剧还是以面片为主（如图2.4-2）。面片有手绘，也有用xgen制作毛发从束之后映射在面片之上。用过透贴让头发根系分明。再通过面片的旋转拉伸制作出不同的发型，例如辫子，刘海等。视觉效果上能明显看出毛发根系，变化略显僵硬毛躁，但质感和视觉效果很好。（面片是不会穿帮的，有一个功能叫做面片朝向摄像机，或者面片背向头皮。）而xgen制作的毛发则更为灵动一些，通过引导线布局毛发，再通过集束，噪波，偏移，修剪等功能来处理毛发的形状。这种方法的优点在于真实度极高，能将毛发的宽度，数量最大可能的贴近真实情况，而弊端同样明显，占据资源过多。尤其是在动画场景中，一个拥有大量毛发的场景通常成本不俗。在这个方面我没有做测试，硬件条件不允许，但是前段时间大热的一部动画电影中的某条龙，毛发运动结算完之后大小一个T，全员不知所措。因此除了放在大银幕上的动画电影，用xgen直接进行制作的更多的是执着于静帧作品的个人cg艺术家。而除了制作过程中的区别，动力学解算上的区别会更大一些。次世代面片毛发通常是用解算布料的方法操作的，若是过长的毛发则会直接在毛发上进行绑定，可以极大的减少资源占用。国内连载动画一般采用这种方式。xgen本身并不存在解算功能，也不会有任何一台或者一群计算机能够解算十万根毛发并承担一个动画时常的工作量。通常情况下是分为两种。一种是将引导线转化成曲线，然后用nhair进行解算，再将结算完之后的abc缓存（Alembic缓存）重新导入xgen中进行每一帧的解算（如图2.4-3）。这是最接近真实水平的一种形式，同样也是最复杂的，它可以完美的保存创作者对毛发的构思，而弊端是它只能在软件内部进行渲染导出，并没有办法进行实时渲染，同时，它是最昂贵的一种制作方式。另一种则是将引导线结算过后提取合适数量量毛发进行解算，再用maya系统中的effects brush功能将它们进行从束，从而变成毛发群束。这样的模型在转换之后是可以导出abc缓存的，可以放入引擎进行实时渲染.（如图2.4-4为ue4中实时效果）弊端则是有面数限制，在百万个面之内可以自由操作，同时文件极大。而且，这个方法并不适用于中长发或者过于复杂的发型的制作。我在做玄鸟中，用maya测试过，人物模型正常毛发数量大约在十万根左右，而长发要是做的灵活，线段数至少要在50以上，因此一个正常的中长发量大约是在五百万左右个面，远远超出maya所给的限制，而这些头发要是导出abc缓存，一百万个面导出一个大约10秒的动画则需要6个g以上的存储空间，相比面片，内存空间占用太过庞大，效果上却没有明显的优越性。而在静帧作品中，xgen的地位还是很高的。单帧作品可以以低成本去追求一个高质量的视觉效果，因此xgen依旧实用。

目前为止，绝大多数连载动画都是通过面片式制作的，目前处于菜鸡互啄阶段，只有贴图和拍摄方式是否能更完美的遮瑕，毕竟只有大银幕电影能够支付得起xgen解算 渲染器渲染庞大的开销。因此面片式就成为了大多数动画最好的选择，这也是cg个人艺术家的静帧作品和连载动画，动画电影最大的区别之处。也有极少数用雕刻毛发制作的动画片，尽管看上去简陋，但是很完整用心，例如transformers prime（如图2.4-1）。因此nhair或成最大输家，虽然effects brush也可以完成毛发的制作，不过似乎没人在用，虽然说这个模式通过abc缓存能够导入ue4实时，但是这种费力不讨好的效果似乎还不如面片，要是看仔细些也许也能发现它的影子，但是也太难发现了。毕竟nhair的效果和面片也差不到哪去，没有人闲的愿意放弃一个体系化的东西去追求一个没多大意义的创新。

关于毛发的最后一个问题。面部汗毛处理。汗毛的制作并不复杂，但是效果方面有待商榷。只有极少数人会花极大的精力和资源去做一件效果并不明显的事情。梦工厂显然是这样的极少数人（2.4-5）。我最开始拥有“面部毛发包括了汗毛”这个意识是在微博上，有人列出了冰雪奇缘的女主的一个脸部特写。我才知道，真的有人会把汗毛做出来。在玄鸟中，我大略测试了一下，大概在4k大小的画面上的特写镜头能够看得见有汗毛这个东西。而大多数人明显是无法注意到的。如果用的是xgen这种常用的自带的毛发软件而非自主研发时（目前大部分个人或者工作室都不具备这种实力），在参数方面给的选择也并不能支持毛发的细节制作，比如在宽度参数方面当你把参数调整过细-0.001时比较符合正常毛发情况，几乎看不出来。而调整略粗-0.002时相对明显又可能会略显失真……总而言之，对这类毛发有想法的人不是太过有钱就是太过无聊。

abc缓存：abc文件格式是一个开放式文件格式，针对复杂的3d集合体数据开发的，这个格式容易搬移，可用在各种3d软件里面，因此可以作为档案共享，初立或者检视的格式，其开发者是aonypicture和ILM，后缀名为.abc。可用在maya，max，XSI以及houdini等软件互导入导出模型文件，动画文件等。[1]

2.4-1 2.4-2 2.4-3

2.4-4 2.4-5

资源占用：绑定所占用的资源是最小的。