非真實性的繪畫技術在三維動畫中的運用

非真實性的繪畫技術在三維動畫中的運用

長期以來，三維動畫的主要目標是注重現(xiàn)實生機，致力于模擬現(xiàn)實世界中事物的材料、結構和造型。目前,在越來越強大的計算機圖形學軟硬件技術支撐下,動畫創(chuàng)作者們創(chuàng)作出無數(shù)令人嘆為觀止的三維作品。然而,面對層出不窮的形似的三維動畫作品,廣大受眾開始有些審美疲勞。此時,一種基于非真實性渲染的技術出現(xiàn)了,它采用與追求擬真的三維動畫恰好相反的表現(xiàn)手法,能模擬傳統(tǒng)二維手繪作品的多種藝術風格,制作出更豐富的動畫和游戲產品。1人工智能及其應用,使城市非體驗非真實性渲染技術(Non-photorealisticrendering,NPR),由傳統(tǒng)的計算機圖形學發(fā)展而來,它基于真實感技術來實現(xiàn)?？梢哉f,NPR是一種特殊的真實性渲染技術?；贜PR技術的“卡通渲染”,即是一種通過對連續(xù)光照的離散化處理和對模型輪廓的勾勒,形成塊狀填充式卡通效果的三維動畫渲染技術。一般來說,經過“卡通渲染”的圖像有以下基本特征:投影關系明確;幾乎無高光;外部輪廓明確。不同于傳統(tǒng)的追求真實感的計算機圖形學,NPR主要用來模擬具有“手繪藝術感”的渲染風格。較深地受到如:素描、線描稿、油畫、二維動畫卡通和工業(yè)設計圖等手繪藝術作品的影響?，F(xiàn)在,NPR已經以“三維建模,二維(卡通)渲染”的形式,被廣泛地運用于商業(yè)影視動畫和數(shù)字娛樂游戲作品?？ㄍㄤ秩究s小了三維和二維動畫在藝術風格上的差距;運用NPR的作品,其單幅靜幀效果接近二維插畫,但在空間的塑造和鏡語的運用上又表現(xiàn)出三維動畫的特征。隨著計算機技術的廣泛運用,在一些個人獨立動畫作品和平面藝術作品中,NPR也同樣被采用。目前,運用計算機數(shù)字藝術軟件實現(xiàn)非真實感渲染效果一般通過軟件內置的插件和功能,如Adobe系列設計軟件的濾鏡、三維動畫軟件MAYA中的Vector渲染器等。此外,還有第三方以某個設計軟件為平臺,開發(fā)渲染器或者插件來實現(xiàn)NPR效果。本文主要討論在MAYA中實現(xiàn)非真性渲染的方法。2觀眾與模型的表達MAYA由美國Autodesk公司出品,是世界頂級的三維動畫軟件之一,曾獲奧斯卡科學技術貢獻獎等殊榮,在電影、廣告、電視、游戲等的數(shù)位特效創(chuàng)作中廣為運用。MAYA的主要應用領域包括:數(shù)字娛樂游戲、影視特技與特效、三維動畫影片制作、電視欄目包裝等。MAYA除用于一般三維和視覺效果制作外,還結合建模、毛發(fā)渲染、數(shù)字化布料模擬、運動匹配等技術,較大地提高了制作品質和效率,調節(jié)出仿真的角色動畫,渲染出真人電影一般的真實效果。MAYA常用于模擬真實物體的創(chuàng)作,設計制作中竭力追求逼真的造型、質感與光影效果,圖像渲染后,最終輸出的作品往往表現(xiàn)出立體感很強的3D效果。其實,MAYA在非真實性渲染方面也有獨到之處,它能將三維模型渲染成具有平面感效果的二維卡通,同時,又能輸出與其他設計相兼容的格式。MAYA中實現(xiàn)NPR的方式有兩大類:材質球與渲染器。下面將介紹在MAYA中常用于實現(xiàn)非真實性渲染效果的三種方式:二種材質球與一種渲染器。2.1polygons模型的賦予在MAYA中,Toon材質是制作二維卡通效果的專用材質,其名Toon就取自于英語單詞Cartoon(卡通)的后四個字母。使用Toon材質時不用進入MA-YAHypershade(材質編輯器),就能直接對模型賦予Toon材質。當賦予了Toon材質后,三維立體模型會變成白色(初始色)的平面形態(tài),這正是Toon材質“將三維進行二維平面化”的特點(見圖1)。應注意,完整的Nurbs模型建模,是由若干部分的模型組合而成,因此,需先選擇某一部分的模型進行Toon材質賦予。選擇賦予后,可在Toon材質的屬性編輯器中,依據(jù)參考圖的RGB或HSV參數(shù)調整色彩參數(shù)。剩余部分以此類推,分別賦予。然而,一個完整的Polygons模型是由MAYA原始幾何體擠壓而成,是一個整體。如果直接賦予Toon材質,整體都會改變。所以,若想為Polygons模型各個部分分別賦予Toon材質,就可借助Creat菜單下的Sets(組分)進行局部分組賦予。Toon材質也能制作一般二維漫畫和卡通的輪廓勾邊效果。它可讓被賦予了Toon材質的模型邊緣產生輪廓線條,增加二維卡通整體色彩的份量感和趣味感(見圖2)。利用Toon材質的方式類似于Ink'nPaint,但它更突出的是,可在Painteffect中定義各種筆刷類型,為NPR后的二維卡通添加輪廓線條,從而可產生非常豐富的創(chuàng)作效果。Toon材質是MAYA實現(xiàn)NPR的基礎方法,只需簡單的參數(shù)調整,幾乎是“一鍵化”操作。NPR按實時性(Real-time)可分為非實時性圖像渲染和實時性圖像渲染。從應用角度來說,Toon材質是直接將材質賦予到模型上,無須渲染即可在場景中看到二維卡通效果,因此,屬于實時性圖像渲染范疇。2.2shadingrap分次使用ShadingMap材質在MAYAHypershade常用表面材質列表中,是一種特殊的平面化材質。ShadingMap材質不同于之前Toon材質,其實現(xiàn)的效果不是一般二維卡通那樣的平涂色塊和輪廓線,而更像一種平面POP卡通效果。ShadingMap材質的運用方式也不同于Toon材質,它并沒有多少參數(shù)和屬性,若直接將其賦予給三維模型,看不出任何效果(見圖3)。使用ShadingMap材質需要依靠兩種固定搭配:Ramp漸變節(jié)點和MAYA基本材質球(如:Lambert、Blinn、Phong等)。ShadingMap材質的相關參數(shù)和屬性也就來源于漸變節(jié)點和材質球。具體方法如下:打開MAYAHypershade紋理編輯器,創(chuàng)建ShadingMap材質,賦予給三維模型,為屬性編輯器中ShadingMap的Color通道增加一個Blinn材質球,這時,在Hypershade中會顯示Blinn與ShadingMap相連接。然后,為屬性編輯器中的ShadingMapColor通道連接一個Ramp漸變節(jié)點(見圖4)。此時,通過渲染,會看到三維模型原有的漫反射、高光和陰影部分被替換成相對應的綠、藍、紅的漸變色?？紤]到ShadingMap材質的此種特性,可設置Ramp漸變節(jié)點的漸變方式為None,原來的Linear(線性)漸變就被替換為無漸變的藍、綠、紅純色(見圖5)。之后,可以將這三種顏色的純度或明度進行調節(jié),如:淺黃、中黃、深黃。最后通過渲染,就會使原來三維立體模型轉變?yōu)榫哂蠵OP風格的平面二維卡通(見圖6)。2.3vector煉焦法Vector直譯為“矢量,矢量圖像”,也就是說,Vector渲染器能將三維場景或者模型渲染出矢量圖風格。相反于位圖,矢量圖只能通過計算機軟件生成,它包含獨立的分離圖像,可無限制地自由重新組合。矢量圖的特點是圖像放大后不會失真,無關乎分辨率,文件占用空間小,可用于圖形、文字、動畫設計以及各類版式、標志設計?；谶@些特點,二維動畫軟件Flash開創(chuàng)了矢量動畫創(chuàng)作的輝煌,國內外Flash作品皆大量出現(xiàn)。尤其是因其具有“文件小,傳輸快”的特點,被廣泛運用于互聯(lián)網網頁動畫創(chuàng)作中。Flash動畫與傳統(tǒng)二維動畫都具有區(qū)域平涂、色彩鮮艷、線條勾邊的繪制特點,給觀眾賞心悅目的視覺感受,MAYA中的Vector渲染器同樣也能達到如此效果。不同于之前的為三維模型指定材質球來實現(xiàn)非真實渲染,Vector渲染器的使用方法非常簡單,在MAYA的RenderSetting中將渲染器切換為Vector就行。但應注意,在使用Vector渲染器方式上有三個要點。首先,在色彩設置時,Vector渲染是為將三維模型渲染出如Flash和傳統(tǒng)二維動畫般的矢量效果,因此,需依據(jù)參考圖或者預定的色彩搭配,對三維模型中各組成部分進行色彩指定。色彩指定一般以無漸變的純色為依據(jù),通過在材質球的調色面板中,對不同的色系使用RGB或者HSV模式來調試。將模型或場景中的各部分用不同的純色劃分開,這樣所渲染出的矢量效果才會達到明亮、鮮艷、飽滿的色彩效果(見圖7、圖8)。其次,應注意光源的設置問題。在MAYA默認的Software渲染器中,可為三維模型創(chuàng)建AmbientLight(環(huán)境光)、PointLight(點光源)、DirectionalLight(平行光)、AreaLight(面光源)、VolumeLight(體積光)、SpotLight(聚光燈)六大光源。然而,在Vector渲染器中,僅六大光源中的點光源能使用,其他光源則無法識別。這樣,為創(chuàng)作出好的光影效果,可在場景中創(chuàng)建多盞點光源,再調節(jié)各點光源在場景中的位置以及各點光源的屬性來實現(xiàn)。當然,如果想要創(chuàng)作出更好的光影效果,還可創(chuàng)建點光源的燈光陣列,由此可達到層次豐富、光照全面、明暗均衡的燈光效果。最后,設置輪廓勾邊效果。Flash、傳統(tǒng)二維動畫的場景和人物填色一般使用色彩平涂的方式,若不分割邊界,當兩個區(qū)域的色彩接近或者相似時,很容易混淆畫面顏色,且畫面顯得不夠份量,有輕飄之感?？梢哉f,輪廓線是繪制卡通風格的基礎。通常情況下,二三維卡通在表現(xiàn)模型時,都用輪廓線來勾勒形狀,并用粗線來表現(xiàn)模型的重要特征。因此,傳統(tǒng)二維Flash動畫作品中的人物角色或場景的邊緣常用黑色線框。一般稱這種黑色線框為描邊或勾邊,主要用途即是加強人物角色或者場景在鏡頭畫面中的分量感,突出各部分間的結構。勾邊效果是二維動畫、漫畫中較常用的畫面處理方式,也體現(xiàn)出二維動漫的特有魅力?；诠催呍诙S動畫中的重要性,Vector渲染器提供了邊界參數(shù)設置,可使圖像渲染出勾邊效果。在Includeedges的選項中,提供了0.5PT-10.0PT、Hairline、Custom三大類勾邊效果的參數(shù)。3vector煉焦裝置的材質優(yōu)化以上探討了實現(xiàn)NPR的三種方法,其操作與設置不同,渲染出的效果也各具特色。實驗對Toon材質、ShadingMap材質和Vector渲染器三種實現(xiàn)非真實性渲染的方法對顯示效果、文件輸出和渲染時長三方面進行了對比(表1)。如表1所示,Toon材質不僅具有卡通勾邊效果,渲染總時長也較短,更重要的是,當三維模型被賦予Toon材質后,不需要最終渲染即可在場景中見到效果。因此,用Toon材質的創(chuàng)作效率最快。ShadingMap材質并不具備卡通輪廓勾邊效果,使用時需要在屬性中連接基本材質球與Ramp漸變節(jié)點,操作方式上較為繁瑣,且同色系的搭配略顯單調,但其能表現(xiàn)出POP風格的卡通效果,而其他方式無法實現(xiàn)。依托于Ramp漸變節(jié)點的色彩多樣性,在創(chuàng)作特殊作品時,可自由地融合多種色彩進行疊加,產生多樣的色彩效果。從最終渲染效果看,Vector渲染器似乎與Toon材質有雷同之處,實際上對渲染器來說,它具有獨特的優(yōu)勢———切換的靈活性。一般三維模型或場景最終渲染時使用的是MAYASoftware渲染器,渲染后的圖像具有三維立體的逼真、質感與光影效果。如果想快速實現(xiàn)將這樣的三維模型轉化為平面二維卡通,這時,僅需在全局渲染面板中將渲染器切換為Vector渲染器,設置相應參數(shù)即可,無需對三維模型本身再進行材質賦予和改變,這一點顯得尤為方便。但是,Vector渲染器是采取二維矢量算法,最終渲染速度上相對較慢,對于復雜的大型三維場景尤需較長時間,可以說,渲染時間就是Vector渲染器的短處。除方便的優(yōu)勢外,它可在渲染器版本中設置Flash版本,輸出文件為SWF格式,從而可與二維動畫軟件AdobeFlash結合使用,較大地擴展了MAYA與其他動畫軟件的結合能力。另外,Vector渲染器還能將渲染出的圖像直接發(fā)布在WindowsIE網頁上,發(fā)布網頁動畫的方式也十分便捷。從適用性角度來說,這三種方式各具獨特的適用范圍(見表2)。Toon材質:其最終效果表現(xiàn)出二維手繪動畫的風格,有卡通輪廓描邊,童趣味十足。適用于略為簡單的卡通Nurbs人物、場景模型,較為復雜的模型不適用。ShadingMap材質:其最終效果表現(xiàn)出濃郁的POP卡通風格,沒有卡通輪廓描邊,關鍵是在Ramp漸變節(jié)點設置同色系顏色。它體現(xiàn)出歐美硬派卡通的風格,多適用于人物模型。Vector渲染器:所渲染的風格表現(xiàn)出二維矢量卡通效果,有卡通輪廓描邊。能輸出SWF文件格式,可與Flash軟件結合運用,發(fā)布網頁作品也較為方便。因其為渲染器,對多種模型、場景均適用。需注意:三維模型的顏色填充最好用純色進行,這樣,在Vector渲染后輸出二維卡通時,色彩才會明亮鮮艷。至于選擇哪一種方式進行動畫創(chuàng)作,需根據(jù)動畫作品的預期整體風格、輸出效果、制作周期等來確定。當然,若一部動畫作品是用三維動畫與二維動畫相結合的方式,在考慮某一環(huán)節(jié)需用NPR效果的同時,也應充分考慮到MAYA與其他軟件結合的可能性。只有這樣,才能提高工作效率,更好地完成動畫創(chuàng)作。4維動畫的實現(xiàn)方法應該說,三維動畫與二維動畫各有各的特點與魅力。在目前,又出現(xiàn)一種越來越明顯的趨勢,就是兩者的界限逐漸模糊,出現(xiàn)融合的跡象,三維中有二維卡通渲染,二維動畫中有三維建模,這正是NPR非真實性渲染快速發(fā)展帶來的進步與變化。在這種背景下,采用MAYA制作二維動畫是有其獨特的優(yōu)勢的。從制作上來說,MAYA非真實性渲染大大方便了實現(xiàn)和提高二維動畫的視覺效果。舉例來說,傳統(tǒng)的二維動畫是繪制在紙媒上,人物運動繪制時,比較麻煩的是兩個關鍵幀之間的“中間畫”的繪制。如果說,人物的運動處理不算困難,那么處理攝像機鏡頭的移動和場景的變化就是一個更困難的問題。一旦鏡頭有推拉搖移的運動,整個場景都應隨之變化,就需對動畫的場景、背景重新繪