黃 梅 娟

(安徽工商職業(yè)學(xué)院電子信息系， 合肥 231131)

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Maya中仿真二足角色骨骼綁定技巧

黃 梅 娟

(安徽工商職業(yè)學(xué)院電子信息系， 合肥 231131)

通過分析骨骼綁定的作用、意義及仿真二足角色的特征，剖析了創(chuàng)建骨骼的技巧、骨骼較軸技巧，以及IK與FK在動(dòng)畫使用過程中的區(qū)別，分析了骨骼控制器的屬性鎖定與隱藏、角色蒙皮的重要性。

三維動(dòng)畫； 二足角色； 骨骼綁定； IK與FK

近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)與圖形圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，三維動(dòng)畫在熒幕上的熱播，很多動(dòng)畫角色也像電影明星一樣受到了大家的追捧，比如大家熟悉的怪物史萊克、小黃人、功夫熊貓等。這些角色除了造型獨(dú)特外，最重要的是他們在影片中的“表演”，而生動(dòng)的表演源于動(dòng)畫師的創(chuàng)造力。動(dòng)畫的精髓除了擬人化的逼真表演外，更需要一些夸張的和超人類的動(dòng)作表演，比如骨骼拉伸等，這就需要綁定師除了了解人體骨骼結(jié)構(gòu)外，還要滿足導(dǎo)演和動(dòng)畫師所需要的特殊骨骼設(shè)定。

1 骨骼綁定的作用與意義

骨骼綁定是動(dòng)畫的核心部分。在三維動(dòng)畫創(chuàng)作過程中，動(dòng)畫是作品的靈魂，而骨骼綁定和控制器制作是動(dòng)畫的核心內(nèi)容。骨骼綁定的好壞直接關(guān)系到動(dòng)畫效果的表現(xiàn)，從事骨骼綁定的人員叫骨骼綁定師。目前，國內(nèi)高校的影視動(dòng)畫、動(dòng)漫制作等專業(yè)的三維課程仍舊以Maya軟件教學(xué)為主。隨著軟件技術(shù)的不斷更新，骨骼綁定技術(shù)也在不斷改進(jìn)。

能否綁定出一套讓動(dòng)畫師滿意的骨骼，需要綁定師具備一定的知識(shí)儲(chǔ)備及高級(jí)技術(shù)，即綁定師除了對骨骼綁定流程熟悉以外，還需要對角色每一個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍、骨骼之間的約束、蒙皮方式、權(quán)重范圍等有全面系統(tǒng)的認(rèn)知[1-5]。綁定師同時(shí)起到承上啟下的作用，既要與模型師進(jìn)行溝通了解角色特征與模型布線，還要與動(dòng)畫師溝通了解角色的動(dòng)作設(shè)定與特殊技能等。若要達(dá)到更高水平，需要用編程方式去實(shí)現(xiàn)。

2 仿真二足角色特征分析

在眾多動(dòng)畫作品中，卡通角色的擬人化最為常見的方式即以人物模型為依據(jù)進(jìn)行角色設(shè)定。以《神偷奶爸》中的小黃人為例，雖然角色的眼睛有單只或雙只，但是身體結(jié)構(gòu)基本一致，有頭部、身體、手、腳。此外，該角色也有自己獨(dú)特的特征：頭部與身體連為一體、手臂纖細(xì)、腿腳短小、頭部夸張。

除了分析角色模型結(jié)構(gòu)外，還需要重點(diǎn)了解該角色在整個(gè)動(dòng)畫作品中的位置，同時(shí)要十分清楚該角色承擔(dān)的動(dòng)作類型，尤其是要了解角色要達(dá)到的最夸張的動(dòng)作狀態(tài)。

3 仿真二足角色骨骼綁定及技巧

3.1 創(chuàng)建骨骼及技巧

在拿到已經(jīng)創(chuàng)建并整理好的模型后，首先根據(jù)角色運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和生理結(jié)構(gòu)，為角色模型創(chuàng)建骨骼。在創(chuàng)建骨骼前，為了創(chuàng)建過程的直觀與高效，把角色模型以“Template”方式顯示。在Maya軟件中，通過菜單“Display->Object Display->Template” 執(zhí)行而實(shí)現(xiàn)，或者新建一個(gè)顯示層，將角色模型全部加入該層，將該顯示層以“Template”的方式顯示。在實(shí)際的應(yīng)用中，多以后者居多，這樣更便于隨時(shí)修改模型的顯示方式。

在骨骼創(chuàng)建時(shí)，一般以臀位關(guān)節(jié)點(diǎn)為根關(guān)鍵，向上依次為腰部、胸部、頸部、頭部關(guān)節(jié)，向下為腿部、膝蓋、腳踝、腳底板、腳尖等關(guān)節(jié)。以胸部關(guān)節(jié)為根關(guān)節(jié)，左右兩側(cè)依次是肩部、手臂、胳膊肘、手腕、手指等關(guān)節(jié)。左右對稱的骨骼可以通過骨骼鏡像完成另外一邊的骨骼創(chuàng)建，最終形成一個(gè)完整的骨骼鏈。

根據(jù)角色的特殊性，增加關(guān)節(jié)點(diǎn)。比如要求角色腰部比較柔軟，則在腰部骨骼點(diǎn)多增加幾個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)。骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)越分散，動(dòng)作關(guān)節(jié)越僵硬，而骨骼節(jié)點(diǎn)越密集，動(dòng)作關(guān)節(jié)越柔軟。

3.2 骨骼較軸方式及技巧

在創(chuàng)建骨骼鏈時(shí)，需要對骨骼進(jìn)行實(shí)時(shí)較軸，使得骨骼軸向一致。目前，主要有2種骨骼較軸方式：XYZ方式和NONE方式。在實(shí)際應(yīng)用中較軸方式的選擇應(yīng)根據(jù)骨骼運(yùn)動(dòng)的彎曲方向以及世界坐標(biāo)方向來決定。當(dāng)2個(gè)方向不一致時(shí)，選擇XYZ方式；當(dāng)2個(gè)方向一致時(shí)，則選擇NONE方式。

3.3 IK與FK

骨骼鏈建立之后，利用動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行定位和動(dòng)畫骨骼。此處的動(dòng)力學(xué)指的是設(shè)置骨骼的運(yùn)動(dòng)，包括2種類型：FK(前向動(dòng)力學(xué))和IK(反向動(dòng)力學(xué))。FK能夠直接使角色骨骼產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，能對每個(gè)關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)進(jìn)行直接設(shè)置，因此能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)致的弧度運(yùn)動(dòng)。IK是設(shè)置骨骼鏈中關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)到達(dá)的位置和方向，因此能夠?qū)崿F(xiàn)直接目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

在Maya軟件中，為了角色動(dòng)作的需要，會(huì)用不同的系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到更加真實(shí)的動(dòng)畫效果。在實(shí)際動(dòng)畫過程中，可以通過IK系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如支撐、牽引、拖拽等動(dòng)作，使K動(dòng)畫的過程變得直接且快速；但是一些主動(dòng)發(fā)力的動(dòng)作，比如一個(gè)人用力打向沙包，類似這樣的動(dòng)作用FK系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)作過程，因?yàn)檫@個(gè)過程是一個(gè)力傳力的過程，即力由腰部發(fā)出，再到上身轉(zhuǎn)動(dòng)，聯(lián)動(dòng)肩部，傳遞到胳膊肘，最后傳達(dá)拳頭并發(fā)力打出。在制作這一串聯(lián)動(dòng)畫時(shí)，若只用IK系統(tǒng)很難達(dá)到理想的動(dòng)畫效果，因此在實(shí)際的動(dòng)畫制作過程中，尤其涉及一些復(fù)雜的動(dòng)作或是一連串的聯(lián)動(dòng)動(dòng)作時(shí)，動(dòng)畫師通常會(huì)在IK與FK中反復(fù)切換進(jìn)行K幀。

因此，通常要求在仿真二足角色的手臂和腿部骨骼創(chuàng)建IK，并建立控制器完成IK的極向量約束。為了方便對整個(gè)角色的骨骼進(jìn)行輕松操控，設(shè)置一套曲線控制模式，即采用NURBS曲線控制器驅(qū)動(dòng)骨骼鏈的運(yùn)動(dòng)，使角色骨骼產(chǎn)生一系列的連鎖反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)角色的所有設(shè)定動(dòng)作。此外，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)控制器，并創(chuàng)建IKFK切換通道，實(shí)現(xiàn)IK與FK的隨機(jī)切換。

圖1 手臂骨骼IKFK的區(qū)別

3.4 屬性的鎖定與隱藏

屬性鎖定是指在骨骼綁定后，對控制器中一些不需要或者指定動(dòng)畫時(shí)用不上的屬性進(jìn)行鎖定并隱藏。在K動(dòng)畫時(shí)被鎖定的屬性就不會(huì)被K幀，動(dòng)畫也就不會(huì)受這些屬性的影響。比如，胳膊肘關(guān)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行動(dòng)畫時(shí)，只能做Y軸方向上的旋轉(zhuǎn)，即只需要保留屬性“rotate Y”，其他屬性就可以進(jìn)行鎖定并隱藏，以免破壞了運(yùn)動(dòng)規(guī)律，影響動(dòng)畫質(zhì)量。此外，在使用控制器進(jìn)行骨骼約束時(shí)，還需要測算極限量，比如肘關(guān)節(jié)的“rotate Y”屬性在動(dòng)畫中應(yīng)進(jìn)行區(qū)域限定，因?yàn)槿说闹怅P(guān)節(jié)不可能360°隨意旋轉(zhuǎn)。

3.5 角色蒙皮

在綁定好骨骼、制作好控制器后，角色依然不會(huì)動(dòng)，此時(shí)需要把角色模型從“Template”狀態(tài)退出，將模型激活，選擇骨架的根關(guān)節(jié)，然后再選擇角色模型進(jìn)行蒙皮。蒙皮的目的就是為了實(shí)現(xiàn)骨骼驅(qū)動(dòng)。因此，在蒙皮過程中，要注意關(guān)節(jié)的影響數(shù)。在人物角色綁定時(shí)，一般選擇參數(shù)“2”，即應(yīng)關(guān)注前后關(guān)節(jié)的影響。自動(dòng)蒙皮后，至關(guān)重要的一步就是刷權(quán)重，即要給予每個(gè)關(guān)節(jié)所驅(qū)動(dòng)的皮膚具有最合適的權(quán)重值，最終使肌肉運(yùn)動(dòng)符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律，避免“肌肉穿插”等現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

為了更好更靈活地制作動(dòng)畫，在骨骼綁定時(shí)應(yīng)時(shí)刻遵循動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)規(guī)律。采用以人體骨骼結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)規(guī)律為依據(jù)的二足仿真角色綁定進(jìn)行骨骼架設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)變形、拉伸等特殊動(dòng)作，最終使作品中動(dòng)畫角色的表演符合觀眾的審美需求。

[1] 盧景峰.Maya角色動(dòng)畫中IK-FK無縫切換的技術(shù)探討[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2014(11)：2631-2633.

[2] 陳路石.Maya動(dòng)畫技術(shù)精粹[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012:19-20．

[3] 楊桂民.Maya角色動(dòng)畫規(guī)律及設(shè)定基礎(chǔ)教程[M].北京：人民郵電出版社，2010:98-102.

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[5] 周小淦.高等院校中Maya手動(dòng)綁定教學(xué)方法討論[J].信息與電腦，2014(7):232-233.

Bone Binding Skills of Simulation for Biped Character in Maya Software

HUANGMeijuan

(Department of Electronic Information, Anhui Business Vocational College, Hefei 231131, China)

By analysis of the function and significance of skeleton binding, and the characteristics of biped character, this paper introduces the technique of creating bone and skills of the axis of the skeleton. Furthermore, the difference between IK and FK in the use of animation is clarified, and property lock and hide and the importance of the role of the skin are also analyzed.

3D animation; two-legged character; skeleton binding; IK and FK

2015-12-27

安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目(省教育廳)“安徽省省級(jí)精品視頻公開課程《maya建模、動(dòng)畫與特效》”(2013GKK021)；安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目(省教育廳)，“安徽省省級(jí)特色專業(yè) —— 動(dòng)漫設(shè)計(jì)與制作”(2011177)；院長青年基金項(xiàng)目(安徽工商職業(yè)學(xué)院)“高職動(dòng)漫專業(yè)課程體系改革”(2012年)；2015年安徽省省級(jí)特色專業(yè) —— 計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)(2015TSZY089)；2016年安徽省自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2016B003)

黃梅娟(1982 — )，女，碩士，講師，研究方向?yàn)閯?dòng)漫設(shè)計(jì)與制作。

TP391.414

A

1673-1980(2016)05-0094-02