非真實(shí)性的繪畫技術(shù)在三維動(dòng)畫中的運(yùn)用

非真實(shí)性的繪畫技術(shù)在三維動(dòng)畫中的運(yùn)用

長(zhǎng)期以來(lái)，三維動(dòng)畫的主要目標(biāo)是注重現(xiàn)實(shí)生機(jī)，致力于模擬現(xiàn)實(shí)世界中事物的材料、結(jié)構(gòu)和造型。目前,在越來(lái)越強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)軟硬件技術(shù)支撐下,動(dòng)畫創(chuàng)作者們創(chuàng)作出無(wú)數(shù)令人嘆為觀止的三維作品。然而,面對(duì)層出不窮的形似的三維動(dòng)畫作品,廣大受眾開(kāi)始有些審美疲勞。此時(shí),一種基于非真實(shí)性渲染的技術(shù)出現(xiàn)了,它采用與追求擬真的三維動(dòng)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(shù)風(fēng)格,制作出更豐富的動(dòng)畫和游戲產(chǎn)品。1人工智能及其應(yīng)用,使城市非體驗(yàn)非真實(shí)性渲染技術(shù)(Non-photorealisticrendering,NPR),由傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展而來(lái),它基于真實(shí)感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢哉f(shuō),NPR是一種特殊的真實(shí)性渲染技術(shù)?；贜PR技術(shù)的“卡通渲染”,即是一種通過(guò)對(duì)連續(xù)光照的離散化處理和對(duì)模型輪廓的勾勒,形成塊狀填充式卡通效果的三維動(dòng)畫渲染技術(shù)。一般來(lái)說(shuō),經(jīng)過(guò)“卡通渲染”的圖像有以下基本特征:投影關(guān)系明確;幾乎無(wú)高光;外部輪廓明確。不同于傳統(tǒng)的追求真實(shí)感的計(jì)算機(jī)圖形學(xué),NPR主要用來(lái)模擬具有“手繪藝術(shù)感”的渲染風(fēng)格。較深地受到如:素描、線描稿、油畫、二維動(dòng)畫卡通和工業(yè)設(shè)計(jì)圖等手繪藝術(shù)作品的影響?，F(xiàn)在,NPR已經(jīng)以“三維建模,二維(卡通)渲染”的形式,被廣泛地運(yùn)用于商業(yè)影視動(dòng)畫和數(shù)字娛樂(lè)游戲作品。卡通渲染縮小了三維和二維動(dòng)畫在藝術(shù)風(fēng)格上的差距;運(yùn)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(yǔ)的運(yùn)用上又表現(xiàn)出三維動(dòng)畫的特征。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛運(yùn)用,在一些個(gè)人獨(dú)立動(dòng)畫作品和平面藝術(shù)作品中,NPR也同樣被采用。目前,運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)字藝術(shù)軟件實(shí)現(xiàn)非真實(shí)感渲染效果一般通過(guò)軟件內(nèi)置的插件和功能,如Adobe系列設(shè)計(jì)軟件的濾鏡、三維動(dòng)畫軟件MAYA中的Vector渲染器等。此外,還有第三方以某個(gè)設(shè)計(jì)軟件為平臺(tái),開(kāi)發(fā)渲染器或者插件來(lái)實(shí)現(xiàn)NPR效果。本文主要討論在MAYA中實(shí)現(xiàn)非真性渲染的方法。2觀眾與模型的表達(dá)MAYA由美國(guó)Autodesk公司出品,是世界頂級(jí)的三維動(dòng)畫軟件之一,曾獲奧斯卡科學(xué)技術(shù)貢獻(xiàn)獎(jiǎng)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(yùn)用。MAYA的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括:數(shù)字娛樂(lè)游戲、影視特技與特效、三維動(dòng)畫影片制作、電視欄目包裝等。MAYA除用于一般三維和視覺(jué)效果制作外,還結(jié)合建模、毛發(fā)渲染、數(shù)字化布料模擬、運(yùn)動(dòng)匹配等技術(shù),較大地提高了制作品質(zhì)和效率,調(diào)節(jié)出仿真的角色動(dòng)畫,渲染出真人電影一般的真實(shí)效果。MAYA常用于模擬真實(shí)物體的創(chuàng)作,設(shè)計(jì)制作中竭力追求逼真的造型、質(zhì)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(qiáng)的3D效果。其實(shí),MAYA在非真實(shí)性渲染方面也有獨(dú)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(shí),又能輸出與其他設(shè)計(jì)相兼容的格式。MAYA中實(shí)現(xiàn)NPR的方式有兩大類:材質(zhì)球與渲染器。下面將介紹在MAYA中常用于實(shí)現(xiàn)非真實(shí)性渲染效果的三種方式:二種材質(zhì)球與一種渲染器。2.1polygons模型的賦予在MAYA中,Toon材質(zhì)是制作二維卡通效果的專用材質(zhì),其名Toon就取自于英語(yǔ)單詞Cartoon(卡通)的后四個(gè)字母。使用Toon材質(zhì)時(shí)不用進(jìn)入MA-YAHypershade(材質(zhì)編輯器),就能直接對(duì)模型賦予Toon材質(zhì)。當(dāng)賦予了Toon材質(zhì)后,三維立體模型會(huì)變成白色(初始色)的平面形態(tài),這正是Toon材質(zhì)“將三維進(jìn)行二維平面化”的特點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。應(yīng)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(jìn)行Toon材質(zhì)賦予。選擇賦予后,可在Toon材質(zhì)的屬性編輯器中,依據(jù)參考圖的RGB或HSV參數(shù)調(diào)整色彩參數(shù)。剩余部分以此類推,分別賦予。然而,一個(gè)完整的Polygons模型是由MAYA原始幾何體擠壓而成,是一個(gè)整體。如果直接賦予Toon材質(zhì),整體都會(huì)改變。所以,若想為Polygons模型各個(gè)部分分別賦予Toon材質(zhì),就可借助Creat菜單下的Sets(組分)進(jìn)行局部分組賦予。Toon材質(zhì)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(zhì)的模型邊緣產(chǎn)生輪廓線條,增加二維卡通整體色彩的份量感和趣味感(見(jiàn)圖2)。利用Toon材質(zhì)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(chǎn)生非常豐富的創(chuàng)作效果。Toon材質(zhì)是MAYA實(shí)現(xiàn)NPR的基礎(chǔ)方法,只需簡(jiǎn)單的參數(shù)調(diào)整,幾乎是“一鍵化”操作。NPR按實(shí)時(shí)性(Real-time)可分為非實(shí)時(shí)性圖像渲染和實(shí)時(shí)性圖像渲染。從應(yīng)用角度來(lái)說(shuō),Toon材質(zhì)是直接將材質(zhì)賦予到模型上,無(wú)須渲染即可在場(chǎng)景中看到二維卡通效果,因此,屬于實(shí)時(shí)性圖像渲染范疇。2.2shadingrap分次使用ShadingMap材質(zhì)在MAYAHypershade常用表面材質(zhì)列表中,是一種特殊的平面化材質(zhì)。ShadingMap材質(zhì)不同于之前Toon材質(zhì),其實(shí)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(zhì)的運(yùn)用方式也不同于Toon材質(zhì),它并沒(méi)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(jiàn)圖3)。使用ShadingMap材質(zhì)需要依靠?jī)煞N固定搭配:Ramp漸變節(jié)點(diǎn)和MAYA基本材質(zhì)球(如:Lambert、Blinn、Phong等)。ShadingMap材質(zhì)的相關(guān)參數(shù)和屬性也就來(lái)源于漸變節(jié)點(diǎn)和材質(zhì)球。具體方法如下:打開(kāi)MAYAHypershade紋理編輯器,創(chuàng)建ShadingMap材質(zhì),賦予給三維模型,為屬性編輯器中ShadingMap的Color通道增加一個(gè)Blinn材質(zhì)球,這時(shí),在Hypershade中會(huì)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(gè)Ramp漸變節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖4)。此時(shí),通過(guò)渲染,會(huì)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(duì)應(yīng)的綠、藍(lán)、紅的漸變色?？紤]到ShadingMap材質(zhì)的此種特性,可設(shè)置Ramp漸變節(jié)點(diǎn)的漸變方式為None,原來(lái)的Linear(線性)漸變就被替換為無(wú)漸變的藍(lán)、綠、紅純色(見(jiàn)圖5)。之后,可以將這三種顏色的純度或明度進(jìn)行調(diào)節(jié),如:淺黃、中黃、深黃。最后通過(guò)渲染,就會(huì)使原來(lái)三維立體模型轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蠵OP風(fēng)格的平面二維卡通(見(jiàn)圖6)。2.3vector煉焦法Vector直譯為“矢量,矢量圖像”,也就是說(shuō),Vector渲染器能將三維場(chǎng)景或者模型渲染出矢量圖風(fēng)格。相反于位圖,矢量圖只能通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件生成,它包含獨(dú)立的分離圖像,可無(wú)限制地自由重新組合。矢量圖的特點(diǎn)是圖像放大后不會(huì)失真,無(wú)關(guān)乎分辨率,文件占用空間小,可用于圖形、文字、動(dòng)畫設(shè)計(jì)以及各類版式、標(biāo)志設(shè)計(jì)?；谶@些特點(diǎn),二維動(dòng)畫軟件Flash開(kāi)創(chuàng)了矢量動(dòng)畫創(chuàng)作的輝煌,國(guó)內(nèi)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(diǎn),被廣泛運(yùn)用于互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁(yè)動(dòng)畫創(chuàng)作中。Flash動(dòng)畫與傳統(tǒng)二維動(dòng)畫都具有區(qū)域平涂、色彩鮮艷、線條勾邊的繪制特點(diǎn),給觀眾賞心悅目的視覺(jué)感受,MAYA中的Vector渲染器同樣也能達(dá)到如此效果。不同于之前的為三維模型指定材質(zhì)球來(lái)實(shí)現(xiàn)非真實(shí)渲染,Vector渲染器的使用方法非常簡(jiǎn)單,在MAYA的RenderSetting中將渲染器切換為Vector就行。但應(yīng)注意,在使用Vector渲染器方式上有三個(gè)要點(diǎn)。首先,在色彩設(shè)置時(shí),Vector渲染是為將三維模型渲染出如Flash和傳統(tǒng)二維動(dòng)畫般的矢量效果,因此,需依據(jù)參考圖或者預(yù)定的色彩搭配,對(duì)三維模型中各組成部分進(jìn)行色彩指定。色彩指定一般以無(wú)漸變的純色為依據(jù),通過(guò)在材質(zhì)球的調(diào)色面板中,對(duì)不同的色系使用RGB或者HSV模式來(lái)調(diào)試。將模型或場(chǎng)景中的各部分用不同的純色劃分開(kāi),這樣所渲染出的矢量效果才會(huì)達(dá)到明亮、鮮艷、飽滿的色彩效果(見(jiàn)圖7、圖8)。其次,應(yīng)注意光源的設(shè)置問(wèn)題。在MAYA默認(rèn)的Software渲染器中,可為三維模型創(chuàng)建AmbientLight(環(huán)境光)、PointLight(點(diǎn)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(diǎn)光源能使用,其他光源則無(wú)法識(shí)別。這樣,為創(chuàng)作出好的光影效果,可在場(chǎng)景中創(chuàng)建多盞點(diǎn)光源,再調(diào)節(jié)各點(diǎn)光源在場(chǎng)景中的位置以及各點(diǎn)光源的屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然,如果想要?jiǎng)?chuàng)作出更好的光影效果,還可創(chuàng)建點(diǎn)光源的燈光陣列,由此可達(dá)到層次豐富、光照全面、明暗均衡的燈光效果。最后,設(shè)置輪廓勾邊效果。Flash、傳統(tǒng)二維動(dòng)畫的場(chǎng)景和人物填色一般使用色彩平涂的方式,若不分割邊界,當(dāng)兩個(gè)區(qū)域的色彩接近或者相似時(shí),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(shuō),輪廓線是繪制卡通風(fēng)格的基礎(chǔ)。通常情況下,二三維卡通在表現(xiàn)模型時(shí),都用輪廓線來(lái)勾勒形狀,并用粗線來(lái)表現(xiàn)模型的重要特征。因此,傳統(tǒng)二維Flash動(dòng)畫作品中的人物角色或場(chǎng)景的邊緣常用黑色線框。一般稱這種黑色線框?yàn)槊柽吇蚬催?主要用途即是加強(qiáng)人物角色或者場(chǎng)景在鏡頭畫面中的分量感,突出各部分間的結(jié)構(gòu)。勾邊效果是二維動(dòng)畫、漫畫中較常用的畫面處理方式,也體現(xiàn)出二維動(dòng)漫的特有魅力?；诠催呍诙S動(dòng)畫中的重要性,Vector渲染器提供了邊界參數(shù)設(shè)置,可使圖像渲染出勾邊效果。在Includeedges的選項(xiàng)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(zhì)優(yōu)化以上探討了實(shí)現(xiàn)NPR的三種方法,其操作與設(shè)置不同,渲染出的效果也各具特色。實(shí)驗(yàn)對(duì)Toon材質(zhì)、ShadingMap材質(zhì)和Vector渲染器三種實(shí)現(xiàn)非真實(shí)性渲染的方法對(duì)顯示效果、文件輸出和渲染時(shí)長(zhǎng)三方面進(jìn)行了對(duì)比(表1)。如表1所示,Toon材質(zhì)不僅具有卡通勾邊效果,渲染總時(shí)長(zhǎng)也較短,更重要的是,當(dāng)三維模型被賦予Toon材質(zhì)后,不需要最終渲染即可在場(chǎng)景中見(jiàn)到效果。因此,用Toon材質(zhì)的創(chuàng)作效率最快。ShadingMap材質(zhì)并不具備卡通輪廓勾邊效果,使用時(shí)需要在屬性中連接基本材質(zhì)球與Ramp漸變節(jié)點(diǎn),操作方式上較為繁瑣,且同色系的搭配略顯單調(diào),但其能表現(xiàn)出POP風(fēng)格的卡通效果,而其他方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)。依托于Ramp漸變節(jié)點(diǎn)的色彩多樣性,在創(chuàng)作特殊作品時(shí),可自由地融合多種色彩進(jìn)行疊加,產(chǎn)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(zhì)有雷同之處,實(shí)際上對(duì)渲染器來(lái)說(shuō),它具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)———切換的靈活性。一般三維模型或場(chǎng)景最終渲染時(shí)使用的是MAYASoftware渲染器,渲染后的圖像具有三維立體的逼真、質(zhì)感與光影效果。如果想快速實(shí)現(xiàn)將這樣的三維模型轉(zhuǎn)化為平面二維卡通,這時(shí),僅需在全局渲染面板中將渲染器切換為Vector渲染器,設(shè)置相應(yīng)參數(shù)即可,無(wú)需對(duì)三維模型本身再進(jìn)行材質(zhì)賦予和改變,這一點(diǎn)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(duì)較慢,對(duì)于復(fù)雜的大型三維場(chǎng)景尤需較長(zhǎng)時(shí)間,可以說(shuō),渲染時(shí)間就是Vector渲染器的短處。除方便的優(yōu)勢(shì)外,它可在渲染器版本中設(shè)置Flash版本,輸出文件為SWF格式,從而可與二維動(dòng)畫軟件AdobeFlash結(jié)合使用,較大地?cái)U(kuò)展了MAYA與其他動(dòng)畫軟件的結(jié)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(wǎng)頁(yè)上,發(fā)布網(wǎng)頁(yè)動(dòng)畫的方式也十分便捷。從適用性角度來(lái)說(shuō),這三種方式各具獨(dú)特的適用范圍(見(jiàn)表2)。Toon材質(zhì):其最終效果表現(xiàn)出二維手繪動(dòng)畫的風(fēng)格,有卡通輪廓描邊,童趣味十足。適用于略為簡(jiǎn)單的卡通Nurbs人物、場(chǎng)景模型,較為復(fù)雜的模型不適用。ShadingMap材質(zhì):其最終效果表現(xiàn)出濃郁的POP卡通風(fēng)格,沒(méi)有卡通輪廓描邊,關(guān)鍵是在Ramp漸變節(jié)點(diǎn)設(shè)置同色系顏色。它體現(xiàn)出歐美硬派卡通的風(fēng)格,多適用于人物模型。Vector渲染器:所渲染的風(fēng)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(jié)合運(yùn)用,發(fā)布網(wǎng)頁(yè)作品也較為方便。因其為渲染器,對(duì)多種模型、場(chǎng)景均適用。需注意:三維模型的顏色填充最好用純色進(jìn)行,這樣,在Vector渲染后輸出二維卡通時(shí),色彩才會(huì)明亮鮮艷。至于選擇哪一種方式進(jìn)行動(dòng)畫創(chuàng)作,需根據(jù)動(dòng)畫作品的預(yù)期整體風(fēng)格、輸出效果、制作周期等來(lái)確定。當(dāng)然,若一部動(dòng)畫作品是用三維動(dòng)畫與二維動(dòng)畫相結(jié)合的方式,在考慮某一環(huán)節(jié)需用NPR效果的同時(shí),也應(yīng)充分考慮到MAYA與其他軟件結(jié)合的可能性。只有這樣,才能提高工作效率,更好地完成動(dòng)畫創(chuàng)作。4維動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)方法應(yīng)該說(shuō),三維動(dòng)畫與二維動(dòng)畫各有各的特點(diǎn)與魅力。在目前,又出現(xiàn)一種越來(lái)越明顯的趨勢(shì),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(dòng)畫中有三維建模,這正是NPR非真實(shí)性渲染快速發(fā)展帶來(lái)的進(jìn)步與變化。在這種背景下,采用MAYA制作二維動(dòng)畫是有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)的。從制作上來(lái)說(shuō),MAYA非真實(shí)性渲染大大方便了實(shí)現(xiàn)和提高二維動(dòng)畫的視覺(jué)效果。舉例來(lái)說(shuō),傳統(tǒng)的二維動(dòng)畫是繪制在紙媒上,人物運(yùn)動(dòng)繪制時(shí),比較麻煩的是兩個(gè)關(guān)鍵幀之間的“中間畫”的繪制。如果說(shuō),人物的運(yùn)動(dòng)處理不算困難,那么處理攝像機(jī)鏡頭的移動(dòng)和場(chǎng)景的變化就是一個(gè)更困難的問(wèn)題。一旦鏡頭有推拉搖移的運(yùn)動(dòng),整個(gè)場(chǎng)景都應(yīng)隨之變化,就需對(duì)動(dòng)畫的場(chǎng)景、背景重新繪