三维动画特效在电影广告中的应用

三维动画特效在电影广告中的应用

作者：邱建英

来源：《电脑知识与技术》2013年第36期

摘要：MAYA被认为是3D发展中最强的软件之一，特别是在构造复杂场景方面表现突出。该文的三维动画设计就是基于MAYA进行的，对三维动画基本概况和在电影广告中的应用进行简单介绍。三维动画详细的创建过程包括造型、材料、地图设计、光线和相机、动画等五个阶段。依托“英雄劳拉”的形象实现造型、人体骨架和动画设计等关键步骤。同时，采用遗传算法优化连续操作的人体骨架。

关键词：3D动画；设计；人体动力学；遗传算法

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）36-8398-03 1 三维动画概述

三维动画与我们较为熟悉的木偶动画类似，首先构造场景和角色的三维模型，然后对这些模型设置关键帧，进行动作调节，从而使模型在三维空间实现各自的运动。我们可以对模型的大小、远近、旋转，场景灯光等进行调节，整合出形式多样的三维画面。MAYA是3D开发工具，由Adobe公司生产，包括大多数3D动画设计功能[1]。MAYA区别于其他3D软件的不同之处是它继承了可扩展性和适应性。我们提出的动画设计就是基于MAYA软件。在MAYA中进行动画设计主要包括五个阶段，分别是：造型、材料、地图设计、光和相机、动画。在MAYA中任何对象的属性几乎都可以创建一个动画，动画创建过程可以在任何时间，在确定一个好的场景后就可以进行动画创建，这些3D对象可能会被夸大和组合，或者是与二维空间相结合。

进行三维动画整体设计的大体过程是：首先，对需要构造的模型进行外观设计，再编排该模型的动作。然后，以电影或广告的内容需要和主题为根据进行场景、道具和人物的三维建模。同时为模型编排和设计动作，为场景和人物模型进行贴图装饰。该文引入了具有较好的全局收敛性的遗传算法来进一步优化人体骨架连续动作。构建数据模型，经过多次的迭代运算，使得遗传算法最终获得最优解。最后，创建镜头并夸大图像序列。卡通角色“英雄劳拉”设计的关键步骤包括造型、人体骨架和动画设计。 2 三维动画在影视广告中的应用类别

随着计算机技术的提高，三维动画技术的应用范围也逐渐得到扩展，影视制作和广告拍摄处理中应用三维动画技术已经十分常见。下面分析了三维动画技术在电影制作和广告制作中的主要应用方向：

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1）虚拟现实。应用三维模拟和三维动画对楼盘、社区等进行三维模拟，借助图纸和设计师初期设计稿进行楼体和场景的搭建，为参观者提供一个多角度的楼房展示动画。

2）现实结合虚拟。现实结合虚拟的技术手法在当今的影视制作中十分常见，在实际的拍摄中常用来表现一些实际拍摄无法完成的情形，诸如拍摄重大灾难，自然界中的爆炸、雨、雷、风、电等效果。将三维虚拟技术与当前的实际拍摄场景相结合，呈现出电影或广告需要达到的效果，使得画面更完美。

3）动画角色和动画空间的虚拟。我们在广告中或者是电影中经常可以看到一些实际不存在的角色或者是空间类型，尽管脱离了实际，却能够给观众很棒的视觉感受。有时无须有情节的支撑， 只要将场景和角色塑造的十分出众，也能具备很强的感染力和亲和力。广告和电影产业中运用三维动画技术可是实现虚拟和现实的完美结合，较为逼真的角色设计和场景设计几乎能够以假乱真，让观众们有幸欣赏到无法拍摄的画面。 3 电影中3D动画的设计过程

MAYA动画的制作过程分为5个阶段：造型、材料、地图设计、光和相机，动画，如图1所示。

图 1 动画设计流程图

上图清晰的呈现了动画制作过程中需要完成哪些工作。三维建模，使用材质为模型贴图，对场景中各个模型的细节进行描述，根据需求对光的位置和光的强度进行设置，确定摄像机的位置，最后，根据编排录制动画。在MAYA中任何对象的各个属性几乎都可以创建动画，可以在任何时间进行动画创建。建立好场景和创建动画之后，可以夸大和组合这些3D对象，并将其与结合到二维图空间。详细的创建过程如下：

1）造型。造型过程中我们要做的工作涉及：构建动画中用到的场景，绘制动画中存在的各类形状，建立动画道具。在整个动画设计制作过程中造型是其他工作的基础。MAYA中三维模型的组成元素都是：点、线、面这三个元素，模型线要进行合理的安排，才能使得动画模型线不冗余。

2）材料。我们仅仅依靠模型，只能看到我们熟悉的形状，与我们了解的真实世界还是有较大的差距，为了使三维模型场景更具真实性，我们需要对三维模型进行材质贴图。必须根据周围环境来给三维模型确定材料类型和动画。

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3）地图设计。这个环节是十分有挑战性的，我们从MAYA获得对象最初的UV坐标，然后画出在Photoshop软件上。创建地图的关键之处就是对模型自身细节和表面特征进行详细地描述，这样才能保证三维模拟的真实性。

4）光和相机的调整装饰。所有的场景都有光。然而如何区分不同时间、不同位置的光线并合理的装饰光是非常重要的。我们根据故事情节的发展需要选择不同类型的光，设置适当强度的灯光。要想体现出好的效果和外光，设置相机的位置也十分关键。位置和时间进行合理的结合是动画设计的保障和基础。 4 三维动画设计的实验分析 4.1 模型构建分析

我们应用卡通形象“英雄劳拉”作为实验对象，研究了基于MAYA软件的3D动画设计的性能。设计步骤是：首先，执行玩设计和行动设计。不同的电影和广告对于场景的构建需求不同，因此要根据实际需求进行模型构建，然后对现场的人物模型进行贴图装饰，并为其录制合理的动作。最后，创建镜头和夸大序列图像。卡通“英雄劳拉”设计的关键步骤包括造型、人骨架和动画设计，以下我们分别对这些步骤进行分析。

动画模型主要分为两类，分别是角色模型以及场景模型，首先我们进行角色设计，定义“劳拉”作为主要角色之一，称他为“坟墓掠袭者”。道具包括军舰、导弹，战车和飞机等。我们构建的场景涉及天空、海洋以及高山等。“劳拉”这个角色是一个结合了多边形和NURBS的混合模型，尽量详细的将实际物体的特征描绘到三维模型上，使得模型各个地方的创建都十分到位，才能保证后期制作的角色更加真实。构建三维模型的过程中，在保持角色外观无大的可视变化的前提下，尽量减少模型的面数，从而提高后期的开发效率。 4.2 基于遗传算法的人物骨架优化 4.2.1遗传算法原理分析

在遗传算法中，首先对初始人口进行编码。然后，根据个人健康评估进行相应的选择、交叉、变异等操作，以模拟出生物界适者生存的进化过程。遗传算法设计的主要元素有：染色体、适应度函数、选择操作、交叉操作和变异操作。首先我们要做的是将待求解的数据参数进行编码，从而转换为遗传算法中应用的染色体，然后对个体进行分析，以它的适应值为依据进行选择、交叉和变异等一系列操作， 这样我们就获得了新个体， 在算法未达到结束条件之前都重复进行以上操作， 算法的实现流程如图2所示。 4.2.2 轮盘赌选择算子

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在进行选择操作时，我们依照轮盘赌的选择方式进行优化。用M代表种群大小， Fi表示个体 i自身的适应度。以适应度为参考标准进行倒序排序，将排在后10 %的个体剔除不要，用前10 %的个体取而代之。同时前10 % 的个体也拥有直接进入到下一代的机会， 最后实行轮盘赌策略选择。 B0为父代种群，等价于 {b1 ， bM } ， Fbi用来表示个体适应度的值。对选择算子进行改进方式如下：

1 ） 依据个体自身的适应度属性进行倒序排序（大到小），得到B1这个种群，表示为{ b 1， ， b M } ， 满足条件（F bi> Fbi + 1）；

2 ） 将排在后10 %的个体剔除不要，用前10 %的个体取代，得到B2。适应度排在前10 % 的个体可以直接进入下一代；

3 ） 求B 2中个体自身适应度总和，公式为Mi =∑Fbi（ i = 1 ， ， M ）；

4 ） 分别求出个体可能被选中的概率数值Pbi= Fbi/Mk=∑Fbi， （ k = 1 ， ， M ） ； 5 ）使用轮盘赌进行选择90 % M轮；

6 ） 对新选出的个体进行存储及合并操作，然后返回。 4.2.3 遗产算法在人体骨骼方面的优化

在遗传算法解决优化问题时，相对真实值变量可以直接用来形成一个染色体，随机生成一个初始的人口染色体；其次，适应度函数是用来评估个体健康状况的；第三，轮盘赌应用在人口染色体的选择分组，交叉是用来随机交换两个染色体的基因，突变是用来决定是否一个染色体应该在下一代进行突变，因此，新一代的染色体按照以上流程产生，最后根据终止标准结束整个流程。

“劳拉”需要以人体骨架为基础。手臂采用“肌肉结合原则”来实现连续操作。根据遗传算法自身的特性，它能够较好的实现全局优化，因此我们在系统动画的骨骼设计部分引入该算法，提高动作的连续性。借助遗传算法优化连续操作的人体骨架。经过一系列的迭代计算，遗传算法可以获得最优解。

4.3 运动时间和镜头时间的计算

帧/秒作为数量统计单位对动画设计中的运动时间以及镜头时间分别进行计算。在操作设置请求方面，使用人体动力学原则进行动作设置，为胳膊、腿、骨骼和身体骨架设置关键帧。为了模仿真实的人，操作“劳拉”设置到复杂的状态。根据设计步骤对角色“英雄劳拉”进行动画设计。设计效果是令人满意的。可以表明MAYA进行3D动画设计是有效的。

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5 总结

本文提出了基于MAYA的3 d动画设计制作。详细的描述了三维动画的概念以及创建过程。应用“英雄劳拉”这幅漫画作为实验对象来研究MAYA中3D动画设计的性能情况。依据角色的设计需求，我们制定了“英雄劳拉”对应的动画设计步骤。首先，根据故事情节需要设计角色的表演以及主要行动。然后进一步实现场景、人物和道具模型的创建。在这项研究中，采用遗传算法优化人类身体骨架的连续动作。遗传算法具有较强的全局优化能力。经过一系列的迭代计算，遗传算法可以获得最优解决方案。该文还总结了遗传算法的优化过程。通过“英雄劳拉”动画的设计和制作，我们基本上体现了三维动画在影视制作和广告中的具体应用方式，也充分表明基于MAYA进行三维动画设计是十分有效的。 参考文献：

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[6] 彭礼孝.影视广告三维动画[M].北京：航空出版社，2000.