三維動畫(huà)究竟是如(rú)何制作(zuò)出來(lái)的呢(ne)？三維動畫(huà)的制作(zuò)究竟要經過哪些過程？

今天這篇文章(zhāng)将爲大家介紹三維動畫(huà)各個階段的制作(zuò)步驟。制作(zuò)的流程是将一個想法轉化爲成品的一系列過程，就(jiù)三維制作(zuò)流程而言，通常分(fēn)爲 9 個階段：前期制作(zuò)、模型、UV 貼圖、紋理(lǐ)和着色、綁定、動畫(huà)、燈光(guāng)、渲染和合成等。每個階段的具體(tǐ)流程會因項目和工(gōng)作(zuò)室的不同而有所區别。

前期制作(zuò)

前期制作(zuò)基本上是一個想法經曆探索、角色設計和發現的階段。在這個階段，創意和概念會變得(de)充實，人(rén)物、風(fēng)格、原型、故事(shì)、環境和美學能夠确立。

帕特裡(lǐ)克·巴雷斯特羅（Patrick Ballesteros）将前期制作(zuò)描述爲「創造性能發揮作(zuò)用的階段」。制作(zuò)前的資産（如(rú)概念藝術、設計概要、故事(shì)闆和動畫(huà)片）都(dōu)是在這個階段創建的，以确定項目的整體(tǐ)願景和藝術方向。

前期制作(zuò)由故事(shì)、腳本、故事(shì)闆、動态分(fēn)鏡、角色設計組成，如(rú)果沒有完整的前期制作(zuò)，任何三維動畫(huà)的制作(zuò)流程（甚至是其他(tā)項目的制作(zuò)流程），都(dōu)不可(kě)能成功。

簡而言之，在創建動畫(huà)之前，團隊必須知道要創建什麽。動畫(huà)師(shī)的願景越詳細，就(jiù)越容易将其變爲現實。有一個可(kě)靠的計劃意味着每個參與者都(dōu)确切地知道他(tā)們必須做什麽，并将準備好去(qù)做，從(cóng)而使制作(zuò)階段和後期制作(zuò)階段變得(de)更有效率。

更重要的是，詳細的願景甚至可(kě)以讓後期的即興創作(zuò)變得(de)更容易。有了一個完善的、豐富的計劃，就(jiù)會有更多的創意素材可(kě)供即興創作(zuò)，并且更容易知道如(rú)何将其融入項目中。

模型

模型是三維制作(zuò)流程中的一個重要階段，根據前期制作(zuò)階段的概念化藝術創建視覺、三維對象（或模型），同時确保其符合既定的藝術方向。模型階段的資産包括角色、道具和環境。

這些模型可(kě)以使用如(rú) Maya 或 3D Studio Max 等不同的三維軟件(jiàn)創建，無論選擇哪種工(gōng)具，它們都(dōu)有一些三維建模的共同要素，包括點、邊、多邊形和 NURBS。

有 4 種通用類型的三維建模方法，如(rú)下所列。

多邊形建模：多邊形模型表示三維空間中由線段連接以形成多邊形網格的點。多邊形網格文件(jiàn)是平面的，這意味着它們由一系列平面表示。因此，曲線隻能通過具有定義分(fēn)辨率的曲面細分(fēn)來(lái)近似。多邊形網格很方便，因爲它們是輕量級的，并且可(kě)以快(kuài)速渲染可(kě)視化。

曲線建模：另一種依賴曲線生(shēng)成曲面幾何形狀的建模。曲線建模既可(kě)以是參數化的（基于幾何和函數關系）也可(kě)以是自(zì)由形式的，并且依靠 NURBS（非均勻有理(lǐ) B 樣條）來(lái)描述曲面形狀。曲線由數學方程驅動，這些方程受設計者使用加權控制點的影(yǐng)響。

三維空間中的點由其在該空間中的 x、y 和 z 坐(zuò)标表示；連接兩個頂點的線形成一條沒有寬度的邊；若幹條封閉的邊形成一個沒有深度的面或多邊形。NURBS 是非均勻有理(lǐ) B 樣條（Non-Uniform Rational B-Splines）的縮寫，它是由曲線和曲面來(lái)定義的，适用于創建各種複雜的曲面造型，例如(rú)人(rén)的面部、流線型跑車等。

通過使用平移、旋轉和縮放(fàng)來(lái)創建物體(tǐ)，可(kě)以将面組合在一起，構建出從(cóng)基本形狀（基元）到複雜的人(rén)物和環境。

數字雕刻：這是一種相(xiàng)對較新的三維建模類型，用戶與數字模型進行交互，就(jiù)像對粘土(tǔ)建模一樣。用戶可(kě)以推、拉、捏或扭曲虛拟粘土(tǔ)來(lái)生(shēng)成他(tā)們的模型。

程序化建模：通過參數化物體(tǐ)，效果器，數學函數等，構建一條非破壞性工(gōng)作(zuò)流，以此來(lái)構建模型，該方法的優點是方便來(lái)回修改，并且可(kě)以快(kuài)速構建大量相(xiàng)似的模型，但(dàn)是對程序和數學方面的知識有較高的要求。

UV 貼圖

UV 貼圖是将現有三維模型的頂點組件(jiàn)信息轉化爲二維貼圖的藝術，将二維貼圖存在于一個新的坐(zuò)标系中，稱爲 UV 紋理(lǐ)空間。

字母 U 和 V 表示該二維空間的兩個軸，因爲 X、Y 和 Z 已經用于表示模型空間中三維對象的軸，而 W（除了 XYZ) 用于計算四元數旋轉，這是計算機(jī)圖形學中的常見(jiàn)操作(zuò)。

UV 貼圖的過程類似于切開牛奶盒的側面，不同的是，UV 紋理(lǐ)圖上的扁平表面不需要與三維模型的對應面有相(xiàng)同的比例和形狀。

運用這個優勢我們可(kě)以有的放(fàng)矢地爲重點表面分(fēn)配更大面積的 UV，這樣我們就(jiù)可(kě)以更容易地對需要刻畫(huà)的模型細節進行紋理(lǐ)處理(lǐ)。反之，那些通常不被攝像機(jī)看(kàn)到的次要卻面積較大的表面，我們可(kě)以縮小它的 UV 貼圖，以減輕電腦後期渲染的壓力。

使用良好的 UV 貼圖技術可(kě)以幫助我們緩解很多在貼圖階段常見(jiàn)的問(wèn)題，如(rú)紋理(lǐ)扭曲、拉伸和不一緻的像素密度和接縫錯位。

紋理(lǐ)和着色器

紋理(lǐ)貼圖（Texture）和着色器（Shader）是三維制作(zuò)流程中的一個重要階段，在這個階段中，三維模型被賦予不同的材質，這個過程一般是由着色器和紋理(lǐ)貼圖共同完成的。

着色器是由一組可(kě)以體(tǐ)現在表面的屬性組成，這些屬性決定了光(guāng)線與該表面的互動方式。當下主流的 PBR 流程（Physically-Based Rendering）的着色器大緻包括基礎色，金屬度，粗糙度，法線等屬性。

爲了表現物體(tǐ)表面豐富的細節，我們需要創建紋理(lǐ)貼圖，一般來(lái)說(shuō) PBR 流程的貼圖大緻包括：

法線貼圖（Normal Map）：一般爲切線空間法線，利用 RGB 三種顔色在切線空間儲存複雜的細節。

顔色圖（Base Color Map）：包括一個表面原始的、均勻照(zhào)明的顔色信息。

粗糙度圖（Roughness Map）：描述一個表面的粗糙度。

金屬度（Metallic Map）：描述一個表面的金屬性。

綁定

綁定最簡單的形式是爲三維模型創建一個骨架，以便移動模型。綁定不僅涉及到骨架的創建，還(hái)涉及到定義這個骨架/模型的控制器，這樣我們就(jiù)可(kě)以用這些控制間接地操縱模型，它很像木偶師(shī)使用繩子移動木偶的方式。

綁定過程中使用的一些關鍵術語包括：

關節（Joints）：與人(rén)體(tǐ)中的關節相(xiàng)似，關節是一個特定模型的支點或銜接點。例如(rú)，肩膀、肘部、膝蓋。

權重（Weight Painting）：權重是一個繪制關節對模型上任何給定頂點影(yǐng)響量的過程，它對于準确模型在操縱時的變形方式非常重要。

蒙皮（Skinning）：蒙皮是将實際模型與骨骼關節綁定的過程。沒有蒙皮這個步驟，移動骨架無法影(yǐng)響到實際模型的移動。

FK（正向運動）：如(rú)果軀幹的骨骼組被視爲軀幹單個骨骼的父級，而胸部是軀幹骨骼組的父級，子級是手臂、腿和頭的骨骼鏈。在這個層次結構中，每個關節下的子關節都(dōu)繼承了父關節的空間屬性變化。正向運動是在影(yǐng)響方向上對這個骨架進行操縱，即從(cóng)父級部位影(yǐng)響到子級部位。

IK（逆向運動）：逆向運動是一種逆轉操縱影(yǐng)響骨骼的方法。例如(rú)我們将一隻腳約束在地面上，對骨盆關節的操縱并不會影(yǐng)響到腳的位置。

動畫(huà)

三維制作(zuò)流程中的動畫(huà)是利用現有的三維資産，通過運動使角色變得(de)生(shēng)動的過程。除角色主體(tǐ)外，三維動畫(huà)也包括三維場景中的其他(tā)物體(tǐ)，如(rú)攝像機(jī)、燈光(guāng)，甚至特效。

動畫(huà)是獲取三維對象并使其移動的過程。動畫(huà)有幾種不同的風(fēng)格，有關鍵幀動畫(huà)，動畫(huà)師(shī)逐幀操作(zuò)對象，類似于舊的手繪卡通。

其他(tā)動畫(huà)方法包括将對象放(fàng)置在樣條線上并将它們設置爲遵循曲線路(lù)徑，或導入運動捕捉數據并将其應用到角色裝備中。另一種制作(zuò)動畫(huà)的方法是使用三維應用程序的内置物理(lǐ)引擎。

三維軟件(jiàn)中的動畫(huà)通常涉及沿時間軸設置關鍵幀，操縱軟件(jiàn)讓這些關鍵幀之間的畫(huà)面平滑過渡。三維軟件(jiàn)中的動畫(huà)制作(zuò)與傳統 CG 動畫(huà)沒有什麽不同，主要區别在于三維軟件(jiàn)會計算出中間的幀，而不需要動畫(huà)師(shī)手動繪制它們。動畫(huà)的節奏是通過曲線來(lái)操作(zuò)調節的。

燈光(guāng)

三維制作(zuò)流程接下來(lái)的這一階段是向三維場景中添加燈光(guāng)。燈光(guāng)的使用可(kě)以決定一個場景如(rú)何引導觀衆，以及如(rú)何設定一個場景或環境的情緒基調。

三維軟件(jiàn)包中常見(jiàn)的燈光(guāng)包括：

點光(guāng)源（Point/Omni lights）：從(cóng)空間中的一個點向外發出的光(guāng)，它通常用于模拟燈泡或蠟燭。

方向光(guāng)（Directional lights）：光(guāng)線方向在三維空間中平行，它通常用于模仿太陽光(guāng)或遠(yuǎn)處的光(guāng)源。

聚光(guāng)燈（Spot lights）：在設定的邊界内，從(cóng)一個點向特定的方向發出圓錐形的光(guāng)。

區域光(guāng)（Area lights）：類似于點光(guāng)源，它從(cóng)一個源頭向所有方向發射，然而這個源頭不是一個點而是一個表面。

環境光(guāng)（Ambient lights）：爲場景添加一個基準照(zhào)明，它既不從(cóng)任何特定的源頭向各個方向投射光(guāng)線，也不投射陰影(yǐng)，通常用于柔化戲劇(jù)性的陰影(yǐng)或柔和地照(zhào)亮場景中不受主光(guāng)影(yǐng)響的區域。

渲染

渲染是将場景中的所有信息（物體(tǐ)、材料、燈光(guāng)、攝像機(jī)）結合起來(lái)産生(shēng)單個或一系列的最終渲染圖像的過程。這通常是制作(zuò)過程中計算密集的部分(fēn)，根據場景的複雜性、所需的質量水平和預期的平台，可(kě)能需要從(cóng)幾秒鍾到幾小時的時間來(lái)産生(shēng)渲染圖像。

通常有兩種類型的渲染：

實時渲染：主要用于交互式媒體(tǐ)，如(rú)遊戲，每秒需要在屏幕上顯示多個渲染的圖像（要求每秒至少 20 個圖像/幀，以防止卡頓）并實時顯示。這對互動媒體(tǐ)很重要，因爲觀衆對場景的操作(zuò)是不可(kě)預測的。

預渲染：通常在渲染時間不是一個限制因素的情況下使用的，正因爲如(rú)此，它可(kě)以滿足視覺上極其複雜和計算上要求極高的場景。這在電影(yǐng)、商業廣告和其他(tā)基于圖像的媒體(tǐ)中最常見(jiàn)。

在三維制作(zuò)流程中，渲染意味着導出視頻序列，但(dàn)每個元素（環境、角色、道具等等）都(dōu)是單獨渲染的，然後在後期制作(zuò)中重新合成。

合成

合成是三維制作(zuò)的最後階段，它是一個對渲染圖像進行調整或與其他(tā)圖像或圖層相(xiàng)結合，以創建一個更複雜、更有凝聚力的構圖的過程。

合成中的一些關鍵概念包括：

遮罩（Mattes）：用于隔離(lí)圖像的特定部分(fēn)，以便它們可(kě)以在其他(tā)作(zuò)品的基礎上進行分(fēn)層。

動态遮罩（Rotoscoping）：是以動畫(huà)遮罩的形式創建一個啞光(guāng)的過程。當一個物體(tǐ)在屏幕上移動時，遮罩會跟蹤它，然後我們可(kě)以根據需要加上這個物體(tǐ)或删除它。

摳像（Keying）：它是在某種顔色的範圍内創建一個遮罩，通常是通過使用綠色或藍色屏幕來(lái)實現的。

混合模式（Blending modes）：允許一個圖層的像素與它下面的圖層互動，并與它們進行數學結合。

追蹤（Tracking）：通過追蹤你(nǐ)可(kě)以跟蹤場景中一個給定的點或物體(tǐ)的位置、比例和旋轉。

合成師(shī)負責通過組合特定鏡頭或圖像的所有元素來(lái)創建最終圖像。這需要對流程有深入的了解和廣泛的三維技能。

通常，合成師(shī)會将整個作(zuò)品組合在一起。合成軟件(jiàn)還(hái)提供了豐富的效果，使合成師(shī)能夠添加粒子、光(guāng)效和文本。一些合成軟件(jiàn)還(hái)可(kě)以獲取三維場景的原始構建塊，并通過 Alembic 等格式将其導入爲 3D 文件(jiàn)，這些格式可(kě)用于爲現有素材創建新元素和蒙版。

合成師(shī)可(kě)以采用任何最佳 3D 建模軟件(jiàn)的最佳元素，例如(rú)來(lái)自(zì) Maya 的角色、來(lái)自(zì) Houdini 的模拟以及來(lái)自(zì) Cinema 4D 的運動圖形場景，并将它們組合成一個鏡頭。

不論是爲電影(yǐng)、廣告、動畫(huà)劇(jù)集還(hái)是許多其他(tā)目的創建三維動畫(huà)，都(dōu)會涉及許多步驟和許多動畫(huà)師(shī)一起工(gōng)作(zuò)，才能創作(zuò)出優秀的項目。

任何制作(zuò)都(dōu)需要一個适當的系統來(lái)确保流程盡可(kě)能高效，專業三維動畫(huà)等高度複雜的工(gōng)作(zuò)通常需要由動畫(huà)師(shī)和創意團隊按緊湊的時間表工(gōng)作(zuò)，因此有效的制作(zuò)流程對于按時準備好最終産品并達到預期的質量水平至關重要。