南 琳，施曉芳

(福建技術(shù)師范學(xué)院 大數(shù)據(jù)與人工智能學(xué)院，福建 福清 350300)

0 引 言

3ds max在眾多應(yīng)用領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，包括影視、建筑、工業(yè)、游戲、廣告、虛擬現(xiàn)實(shí)等各個(gè)行業(yè)。而隨著版本的持續(xù)更新，該軟件在內(nèi)部算法和性能上都有顯著提高，目前在三維建模和動(dòng)畫制作方面3ds max的作用尤為突出。

在影視、游戲動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中經(jīng)?？梢砸姷接?ds max制作的角色動(dòng)畫，它們富有視覺表現(xiàn)力和趣味性，文中探討如何運(yùn)用3ds max的各項(xiàng)功能來(lái)制作角色動(dòng)畫。

1 三維角色建?；A(chǔ)

對(duì)于3D角色制件來(lái)說(shuō)，建模是一切工作開始的基礎(chǔ)，只有將模型成功創(chuàng)建出來(lái)，后面關(guān)于模型貼圖、骨骼綁定，以及動(dòng)畫調(diào)節(jié)等工作才能正常有序地進(jìn)行，所以建模對(duì)于3D角色制作有著至關(guān)重要的作用。

1.1 常用建模方法

3ds max無(wú)論被用于何種行業(yè)，項(xiàng)目制作流程的第一步都是創(chuàng)建模型。建模就是基礎(chǔ)，這就像地基打得牢才能建好高樓一樣，后續(xù)的一切工作都是在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)展的。故而做出好的、符合項(xiàng)目要求的模型至關(guān)重要。3ds max提供了多種建模方法，可以按照自己的操作習(xí)慣或項(xiàng)目需求進(jìn)行選擇，制作出真切的效果。

3ds max中的Editable Poly方法簡(jiǎn)單易懂易操作[1]，對(duì)新手來(lái)說(shuō)相當(dāng)實(shí)用，可以在建模過(guò)程中進(jìn)行多次修改，也能滿足更多想象空間的充分施展。文中采用Editable Poly方法建模。Editable Poly建模方法即使是在制作復(fù)雜的模型時(shí),也可以通過(guò)較少的面數(shù)達(dá)到想要的效果，這是利用Editable Poly中的多邊形建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然，這種技術(shù)也有其不足，因?yàn)樾枰黾用鏀?shù)來(lái)表現(xiàn)細(xì)節(jié)，所以導(dǎo)致3ds max的性能下降。

1.2 結(jié)構(gòu)比例

所謂角色一般指生物類的東西，比如像人物、動(dòng)物、怪物等。通常按照角色腳的數(shù)量進(jìn)行分類，可以分成：兩足角色，如人類；四足角色，如牛、馬、狗；六足角色，如螃蟹；八足角色，如蜘蛛，以及n足角色的蜈蚣;還有就是沒有足的蛇、魚等。制作角色模型時(shí)要掌握好角色的比例結(jié)構(gòu)。所謂比例，是指各個(gè)部分占身體總高度的所占比。比例掌握好之后，還要掌握好角色的骨骼和肌肉結(jié)構(gòu)，只有掌握了這些，在制作角色時(shí)，才能夠更加完美。

建模操作前首先要詳細(xì)分析原畫，把握好角色本身的特點(diǎn)，尤其是模型的整體比例結(jié)構(gòu)，才能保證后續(xù)工作正確進(jìn)行。

1.3 模型布線要求

很多模型對(duì)布線有很高的要求，以游戲中的角色模型為例，游戲引擎和玩家的電腦硬件配置等就是最基本的限制，既要面數(shù)少，又要精準(zhǔn)地概括復(fù)雜形狀和角色運(yùn)動(dòng)需要就成了重點(diǎn)。

一個(gè)模型的好壞，不僅要清晰突出模型自身結(jié)構(gòu)，而且整體布線必須有序和工整。模型的布線原則有以下幾種：

1)盡量以三角形和四邊形為主[2]。使用這種方法的好處是面與面大小均勻排列有序，為以后角色蒙皮UV的展開提供方便。

2)按照肌肉走向進(jìn)行布線。優(yōu)點(diǎn)是可以很好地控制形態(tài)及其造型，缺點(diǎn)是布線較亂，面與面大小分布不均勻，這種方法不常用。

3)綜合前兩種方法，優(yōu)點(diǎn)集于一體，既盡量保證四邊面使布線均勻，又按照肌肉的走勢(shì)進(jìn)行線條調(diào)整。

合理分布線條的疏密程度，運(yùn)動(dòng)幅度大的部位布線適量增加一些，如膝蓋、眼睛和嘴巴,在適當(dāng)位置增加布線，不但可以表現(xiàn)細(xì)節(jié)，而且為動(dòng)畫伸展提供支持，相反，運(yùn)動(dòng)幅度小的部位布線可以適量減少，如后腦勺、額頭、大腿等部位。

1.4 角色模型的建立

文中以3ds max中的Editable Poly技術(shù)進(jìn)行人物角色模型制作。首先以角色原畫三視圖作為建模依據(jù)，在視圖中建立一個(gè)平面模型，為其添加材質(zhì)。接著將建立的box轉(zhuǎn)換為Editable Poly，按下ALX+X將長(zhǎng)方體以透明化形式顯示。由于角色模型通常是對(duì)稱的，所以為了提高制作效率，只需要制作一半，然后利用Symmetry修改器得到另一半即可[3]。

進(jìn)入模型的邊層級(jí)，選擇邊使用連接命令增加模型的分段數(shù)，通過(guò)移動(dòng)工具移動(dòng)模型頂點(diǎn)位置，使得模型外形輪廓和背景平面角色原畫的人物一致。盡量做到全是四邊面和每個(gè)面大小比較接近，保持模型表面的布線均勻。前面提到，游戲引擎會(huì)限制游戲角色模型的布線,從而影響面數(shù)多少，那么怎樣通過(guò)低精度模型塑造出復(fù)雜的形體結(jié)構(gòu)，這就需要對(duì)模型布線的精確控制，以及后期貼圖效果來(lái)配合。以低精度模型利用貼圖表現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 以低精度模型利用貼圖表現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)

這個(gè)模型結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，其細(xì)節(jié)的裝飾結(jié)構(gòu)則是用貼圖來(lái)表現(xiàn)的，它通過(guò)很低的模型面數(shù)達(dá)到理想效果。

最后，檢查制作完成的模型是否存在多余的游離點(diǎn)，進(jìn)行刪除或焊接處理；將外表看不到的模型面都進(jìn)行刪除，如人物角色衣服、鞋子或裝備覆蓋下的模型等，刪除多余不影響任何可視效果的面來(lái)節(jié)省模型面數(shù)，如圖2所示。

圖2 刪除多余的模型面

1.5 UV拆分

制作完成模型后，在進(jìn)行貼圖繪制以前，必須要完成的工作就是模型UV的設(shè)置和UV平展，為能正確賦予角色模型貼圖做準(zhǔn)備。

由于3D人體角色是一體化模型，不能應(yīng)用循環(huán)貼圖，必須要把整個(gè)UV平展在UV網(wǎng)格中。這就要求模型UV的設(shè)置和平展工作必須在進(jìn)行貼圖繪制之前完成，才能正確賦予角色模型貼圖，順利進(jìn)行接下來(lái)的操作。3D角色模型的UV平展通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：

1)為模型添加UVW展開修改器；

2)在修改器邊層級(jí)下，通過(guò)剝命令面板可以快速展平UV，也可以通過(guò)UVW編輯器進(jìn)行操作；

3)調(diào)整每一塊UV的大小比例，將所有平展的UV拼放在UV編輯器的UV框中。

由于人體模型是利用對(duì)稱修改器制作的，所以在分展UV時(shí)也只需要分展一側(cè)的模型UV即可。但如果角色模型要添加法線貼圖，必須將模型對(duì)稱兩側(cè)塌陷到一起后，再對(duì)整體模型進(jìn)行UV平展，因?yàn)榉ň€貼圖對(duì)于鏡像的模型會(huì)有顯示錯(cuò)誤。

1.6 材質(zhì)與渲染

各方面限制了游戲模型面數(shù)的多少，但是面數(shù)較少，細(xì)節(jié)和燈光效果就達(dá)不到要求，這時(shí)需要通過(guò)貼圖來(lái)表現(xiàn)，通常使用Photoshop、BodyPaint相結(jié)合繪制貼圖。最后將繪制好的貼圖以.tga格式通過(guò)材質(zhì)中的漫反射貼圖屬性賦給模型。對(duì)于模型細(xì)節(jié)要求較高的，可以使用Mudbox或ZBrush等軟件雕刻細(xì)節(jié),并烘焙法線貼圖。在材質(zhì)的Bump中將烘焙好的Normal貼圖置入，并調(diào)整Bump的Amount參數(shù)。最后選擇在視口中顯示真實(shí)材質(zhì)，就可以看到效果。

1.7 角色骨骼建立和蒙皮綁定

在3ds max中有一套預(yù)置的biped骨骼系統(tǒng)。在視圖中創(chuàng)建biped骨骼時(shí)要匹配角色的身高，創(chuàng)建好骨骼后，要對(duì)模型添加蒙皮修改器，在修改器里添加所有的biped骨骼，再通過(guò)分配權(quán)重讓每一塊骨骼能控制對(duì)應(yīng)的角色肢體。分配完骨骼的權(quán)重后，可以對(duì)角色調(diào)幾個(gè)動(dòng)作，測(cè)試一下蒙皮的權(quán)重分配是否有錯(cuò)誤，若有，在正式制作動(dòng)畫前要及時(shí)修正。

2 動(dòng)畫制作

不論是動(dòng)畫還是游戲，動(dòng)作設(shè)計(jì)都是作品成敗至關(guān)重要的因素，動(dòng)作設(shè)計(jì)就是按照每個(gè)動(dòng)畫角色的性格進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀況設(shè)計(jì)，行為和性格相結(jié)合，使劇情更合理，關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，更容易表現(xiàn)作品的情感思想。

2.1 角色動(dòng)畫制作步驟

角色動(dòng)畫制作通常由以下次序完成：

1)根據(jù)項(xiàng)目需求探討角色動(dòng)畫類型，設(shè)計(jì)角色；

2)根據(jù)角色結(jié)構(gòu)比例、骨骼、肌肉結(jié)構(gòu)的知識(shí)和角色模型布線原則，在3ds max中建立角色模型，并匹配骨骼；

3)對(duì)角色進(jìn)行蒙皮設(shè)置；

4)動(dòng)畫設(shè)定；

5)后期處理。

2.2 傳統(tǒng)動(dòng)畫制作

傳統(tǒng)動(dòng)畫制作主要是依賴于動(dòng)畫師對(duì)關(guān)鍵幀的調(diào)節(jié)。在3ds max中只要在時(shí)間軸上設(shè)置對(duì)象的關(guān)鍵點(diǎn)位置，軟件就會(huì)自動(dòng)計(jì)算中間幀的位置，從而得到一個(gè)過(guò)渡順暢的動(dòng)畫。這需要制作者掌握運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)知識(shí)，能夠準(zhǔn)確設(shè)置各關(guān)鍵幀相應(yīng)位置，以及角色對(duì)應(yīng)的姿勢(shì)。傳統(tǒng)動(dòng)畫制作模式的主要優(yōu)點(diǎn)是確保動(dòng)作設(shè)計(jì)所要表現(xiàn)的精度和生動(dòng)性的同時(shí)，也能夠保證動(dòng)作效果的順利與自然，但工作效率低。

人物一步步走過(guò)去彎腰拎箱子[4]，身體的各個(gè)部位都會(huì)發(fā)生活動(dòng)變化，如圖3所示。

圖3 人物彎腰拎箱子

為了能夠保證關(guān)鍵幀動(dòng)作的協(xié)調(diào)性和順暢性，需要反復(fù)在時(shí)間軸上多處關(guān)鍵幀位置上進(jìn)行調(diào)整。

2.3 3ds max中內(nèi)置足跡模式

使用3ds max中內(nèi)置足跡模式，可以方便快捷地完成走、跑、跳躍等動(dòng)作，也可以加載外部的bip文件來(lái)實(shí)現(xiàn)角色動(dòng)畫。

足跡模式完成行走的操作步驟如下：

1)將人物模型的骨骼綁定并調(diào)整好。

2)選擇“運(yùn)動(dòng)”面板，選擇“biped”下的“足跡模式”，再選擇“足跡創(chuàng)建”下的“行走”，定位開始的幀位置，再選擇“創(chuàng)建多個(gè)足跡”,彈出“創(chuàng)建多個(gè)足跡：行走”對(duì)話框，設(shè)置參數(shù)。

選擇步驟及“創(chuàng)建多個(gè)足跡：行走”對(duì)話框分別如圖4和圖5所示。

3)選擇“足跡操作”下的“為非活動(dòng)足跡創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)”。

行走動(dòng)作效果如圖6所示。

圖4 選擇步驟

圖5 “創(chuàng)建多個(gè)足跡：行走”對(duì)話框

圖6 行走動(dòng)作

2.4 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)

對(duì)人物的動(dòng)作進(jìn)行捕捉是目前運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)中最典型的一種應(yīng)用，通過(guò)把每一個(gè)人物的面部表情或者肢體活動(dòng)信息進(jìn)行三維數(shù)字化，得到三維動(dòng)作數(shù)據(jù)，從而對(duì)各種復(fù)雜的表情和動(dòng)作進(jìn)行逼真?zhèn)魃竦哪７?，以達(dá)到真人重現(xiàn)的目的。不僅很好地改善和提升了動(dòng)畫的制作效率，而且讓這個(gè)動(dòng)畫的制作流程更為直觀[5]，人物也變得更加靈動(dòng)。

2.5 三維動(dòng)畫技術(shù)對(duì)比

三維動(dòng)畫技術(shù)對(duì)比見表1。

表1 三維動(dòng)畫技術(shù)對(duì)比

3 后期應(yīng)用

角色動(dòng)畫是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，主要應(yīng)用于影視制作、建筑動(dòng)畫、游戲制作、虛擬技術(shù)。同時(shí)產(chǎn)生的衍生產(chǎn)品也深受廣大消費(fèi)者的喜愛。行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈如圖7所示。

圖7 行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

3.1 影視動(dòng)畫

影視動(dòng)畫指的是動(dòng)畫電影，一部好的動(dòng)畫作品除了扣人心弦的故事情節(jié)，還需要個(gè)性鮮明的人物角色和角色動(dòng)作。角色是推動(dòng)整個(gè)劇情發(fā)展的必要因素，整個(gè)故事情節(jié)都是圍繞角色的發(fā)展而展開的，所以人物角色是動(dòng)畫片的核心基礎(chǔ)、靈魂根源。電影《瘋狂動(dòng)物城》《冰雪奇緣》《功夫熊貓》《哪吒之魔童降世》等都深深震撼了人們的心靈。三維動(dòng)畫技術(shù)以靈活多樣化的方法給影視特效藝術(shù)和技術(shù)上的支持，為其創(chuàng)作帶來(lái)了無(wú)盡的擴(kuò)展空間。

一部成功的動(dòng)畫作品，也會(huì)影響到消費(fèi)者對(duì)于動(dòng)畫衍生產(chǎn)品的追求力度，推動(dòng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)消費(fèi)鏈。而人物角色在動(dòng)畫片以及動(dòng)畫產(chǎn)業(yè)鏈中的地位是格外重要的。例如電影《哪吒之魔童降世》票房沖破了50億，其衍生產(chǎn)品如手機(jī)殼、鑰匙扣、手辦等周邊產(chǎn)品也受到了追捧。

在《秦時(shí)明月》這部三維動(dòng)畫中,為了減少在傳統(tǒng)三維動(dòng)畫制作中角色表情和動(dòng)作產(chǎn)生過(guò)度僵硬等問(wèn)題,配合了動(dòng)作捕捉系統(tǒng),讓各種角色的表情和動(dòng)作更加切近于現(xiàn)實(shí)[6],使三維動(dòng)畫的真實(shí)性被極大地改善和提升,畫面內(nèi)容更加豐富,刻畫出更多靈性的人物角色。

3.2 建筑動(dòng)畫

三維人物模型與平面貼圖和RPC人物相比較，它與三維場(chǎng)景渾然天成，更加自然真實(shí)；可以自由編輯角色的動(dòng)作，使人物動(dòng)作形象傳神；不受攝像機(jī)角度束縛，各角度都能輕松展現(xiàn)；比較適宜近景、中景人物模擬時(shí)用；但完成三維模型比較耗時(shí)，使用面數(shù)最多，不適宜大面積使用。

建筑場(chǎng)景中的人物模型對(duì)建筑的真實(shí)呈現(xiàn)、功能展現(xiàn)、氛圍烘托都有著十分重要的作用，沒有人物的建筑動(dòng)畫作品缺乏活力和生命力。比如一個(gè)建筑動(dòng)畫步行街街景鏡頭，由于有生動(dòng)真實(shí)的動(dòng)態(tài)人物存在，就會(huì)顯得生機(jī)盎然、貼近生活。

3.3 游戲

三維游戲中，除了場(chǎng)景就是角色，怪物、NPC和一個(gè)主角均通過(guò)動(dòng)畫手段來(lái)體驗(yàn)角色特征。角色具備了獨(dú)特的人格和個(gè)性，才可以豐富這款游戲。如果一個(gè)角色不受動(dòng)畫的支撐，那么玩家也將不會(huì)真正感受到這款游戲中角色的真實(shí)存在。這個(gè)角色模型做的再精美，沒有任何動(dòng)畫加入就是空殼。角色動(dòng)畫是角色的靈魂，它是使游戲世界真實(shí)化不可或缺的一部分。

3.4 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)中，角色并非不可或缺,但對(duì)瀏覽者來(lái)說(shuō),沒有人物的虛擬作品缺乏真實(shí)感。比如漫游在虛擬校園中,如果沒有學(xué)生，走在空蕩蕩的校園內(nèi)，就會(huì)顯得單調(diào)乏味，沒有活力和親和力，帶給人一種沉悶的感覺。由于有人物的存在，就會(huì)讓瀏覽者如身臨其境，有一種切身親近活力校園的感覺。所以，角色建模和角色動(dòng)畫是三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[7]。

將三維建模與虛擬技術(shù)和醫(yī)療融合，運(yùn)用于VR手術(shù)培訓(xùn)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、護(hù)理學(xué)等方面。在培訓(xùn)時(shí)，學(xué)生能夠以設(shè)身處地的方式學(xué)習(xí)人體解剖、臨床等相關(guān)知識(shí)。它不僅突破了學(xué)生學(xué)習(xí)解剖的阻礙，還提升了學(xué)生學(xué)習(xí)收效。在模擬手術(shù)方面，不僅可以使醫(yī)生更加熟練掌握手術(shù)的詳細(xì)操作步驟，還可以通過(guò)模擬手術(shù)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，制定出更合適的解決方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

角色動(dòng)畫是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，主要應(yīng)用于游戲、影視制作、廣告制作、虛擬技術(shù)。角色模型的制作是角色動(dòng)畫制作的基礎(chǔ)，骨骼和蒙皮綁定的好壞決定了調(diào)整角色動(dòng)畫的工作效率[8]，角色材質(zhì)效果增強(qiáng)角色動(dòng)畫的質(zhì)感，角色的動(dòng)作動(dòng)畫是角色動(dòng)畫的中樞。面對(duì)不同的動(dòng)畫設(shè)計(jì)需要，在把握三維角色模型結(jié)構(gòu)比例基礎(chǔ)上，遵循模型布線需求，針對(duì)角色的運(yùn)動(dòng)，使用好骨骼綁定與蒙皮，借助Curve Editor和Dope Sheet模式做好對(duì)軌跡視圖的設(shè)計(jì)，從而有效提高整個(gè)三維動(dòng)畫中角色行為的展示效果。