三维角色建模及动画制作

南 琳，施晓芳

(福建技术师范学院 大数据与人工智能学院，福建 福清 350300)

0 引 言

3ds max在众多应用领域有着举足轻重的地位，包括影视、建筑、工业、游戏、广告、虚拟现实等各个行业。而随着版本的持续更新，该软件在内部算法和性能上都有显著提高，目前在三维建模和动画制作方面3ds max的作用尤为突出。

在影视、游戏动画和虚拟现实技术中经常可以见到用3ds max制作的角色动画，它们富有视觉表现力和趣味性，文中探讨如何运用3ds max的各项功能来制作角色动画。

1 三维角色建模基础

对于3D角色制件来说，建模是一切工作开始的基础，只有将模型成功创建出来，后面关于模型贴图、骨骼绑定，以及动画调节等工作才能正常有序地进行，所以建模对于3D角色制作有着至关重要的作用。

1.1 常用建模方法

3ds max无论被用于何种行业，项目制作流程的第一步都是创建模型。建模就是基础，这就像地基打得牢才能建好高楼一样，后续的一切工作都是在模型的基础上进展的。故而做出好的、符合项目要求的模型至关重要。3ds max提供了多种建模方法，可以按照自己的操作习惯或项目需求进行选择，制作出真切的效果。

3ds max中的Editable Poly方法简单易懂易操作[1]，对新手来说相当实用，可以在建模过程中进行多次修改，也能满足更多想象空间的充分施展。文中采用Editable Poly方法建模。Editable Poly建模方法即使是在制作复杂的模型时,也可以通过较少的面数达到想要的效果，这是利用Editable Poly中的多边形建模技术实现的。当然，这种技术也有其不足，因为需要增加面数来表现细节，所以导致3ds max的性能下降。

1.2 结构比例

所谓角色一般指生物类的东西，比如像人物、动物、怪物等。通常按照角色脚的数量进行分类，可以分成：两足角色，如人类；四足角色，如牛、马、狗；六足角色，如螃蟹；八足角色，如蜘蛛，以及n足角色的蜈蚣;还有就是没有足的蛇、鱼等。制作角色模型时要掌握好角色的比例结构。所谓比例，是指各个部分占身体总高度的所占比。比例掌握好之后，还要掌握好角色的骨骼和肌肉结构，只有掌握了这些，在制作角色时，才能够更加完美。

建模操作前首先要详细分析原画，把握好角色本身的特点，尤其是模型的整体比例结构，才能保证后续工作正确进行。

1.3 模型布线要求

很多模型对布线有很高的要求，以游戏中的角色模型为例，游戏引擎和玩家的电脑硬件配置等就是最基本的限制，既要面数少，又要精准地概括复杂形状和角色运动需要就成了重点。

一个模型的好坏，不仅要清晰突出模型自身结构，而且整体布线必须有序和工整。模型的布线原则有以下几种：

1)尽量以三角形和四边形为主[2]。使用这种方法的好处是面与面大小均匀排列有序，为以后角色蒙皮UV的展开提供方便。

2)按照肌肉走向进行布线。优点是可以很好地控制形态及其造型，缺点是布线较乱，面与面大小分布不均匀，这种方法不常用。

3)综合前两种方法，优点集于一体，既尽量保证四边面使布线均匀，又按照肌肉的走势进行线条调整。

合理分布线条的疏密程度，运动幅度大的部位布线适量增加一些，如膝盖、眼睛和嘴巴,在适当位置增加布线，不但可以表现细节，而且为动画伸展提供支持，相反，运动幅度小的部位布线可以适量减少，如后脑勺、额头、大腿等部位。

1.4 角色模型的建立

文中以3ds max中的Editable Poly技术进行人物角色模型制作。首先以角色原画三视图作为建模依据，在视图中建立一个平面模型，为其添加材质。接着将建立的box转换为Editable Poly，按下ALX+X将长方体以透明化形式显示。由于角色模型通常是对称的，所以为了提高制作效率，只需要制作一半，然后利用Symmetry修改器得到另一半即可[3]。

进入模型的边层级，选择边使用连接命令增加模型的分段数，通过移动工具移动模型顶点位置，使得模型外形轮廓和背景平面角色原画的人物一致。尽量做到全是四边面和每个面大小比较接近，保持模型表面的布线均匀。前面提到，游戏引擎会限制游戏角色模型的布线,从而影响面数多少，那么怎样通过低精度模型塑造出复杂的形体结构，这就需要对模型布线的精确控制，以及后期贴图效果来配合。以低精度模型利用贴图表现模型结构如图1所示。

图1 以低精度模型利用贴图表现模型结构

这个模型结构十分简单，其细节的装饰结构则是用贴图来表现的，它通过很低的模型面数达到理想效果。

最后，检查制作完成的模型是否存在多余的游离点，进行删除或焊接处理；将外表看不到的模型面都进行删除，如人物角色衣服、鞋子或装备覆盖下的模型等，删除多余不影响任何可视效果的面来节省模型面数，如图2所示。

图2 删除多余的模型面

1.5 UV拆分

制作完成模型后，在进行贴图绘制以前，必须要完成的工作就是模型UV的设置和UV平展，为能正确赋予角色模型贴图做准备。

由于3D人体角色是一体化模型，不能应用循环贴图，必须要把整个UV平展在UV网格中。这就要求模型UV的设置和平展工作必须在进行贴图绘制之前完成，才能正确赋予角色模型贴图，顺利进行接下来的操作。3D角色模型的UV平展通过以下步骤实现：

1)为模型添加UVW展开修改器；

2)在修改器边层级下，通过剥命令面板可以快速展平UV，也可以通过UVW编辑器进行操作；

3)调整每一块UV的大小比例，将所有平展的UV拼放在UV编辑器的UV框中。

由于人体模型是利用对称修改器制作的，所以在分展UV时也只需要分展一侧的模型UV即可。但如果角色模型要添加法线贴图，必须将模型对称两侧塌陷到一起后，再对整体模型进行UV平展，因为法线贴图对于镜像的模型会有显示错误。

1.6 材质与渲染

各方面限制了游戏模型面数的多少，但是面数较少，细节和灯光效果就达不到要求，这时需要通过贴图来表现，通常使用Photoshop、BodyPaint相结合绘制贴图。最后将绘制好的贴图以.tga格式通过材质中的漫反射贴图属性赋给模型。对于模型细节要求较高的，可以使用Mudbox或ZBrush等软件雕刻细节,并烘焙法线贴图。在材质的Bump中将烘焙好的Normal贴图置入，并调整Bump的Amount参数。最后选择在视口中显示真实材质，就可以看到效果。

1.7 角色骨骼建立和蒙皮绑定

在3ds max中有一套预置的biped骨骼系统。在视图中创建biped骨骼时要匹配角色的身高，创建好骨骼后，要对模型添加蒙皮修改器，在修改器里添加所有的biped骨骼，再通过分配权重让每一块骨骼能控制对应的角色肢体。分配完骨骼的权重后，可以对角色调几个动作，测试一下蒙皮的权重分配是否有错误，若有，在正式制作动画前要及时修正。

2 动画制作

不论是动画还是游戏，动作设计都是作品成败至关重要的因素，动作设计就是按照每个动画角色的性格进行运动状况设计，行为和性格相结合，使剧情更合理，关联性更强，更容易表现作品的情感思想。

2.1 角色动画制作步骤

角色动画制作通常由以下次序完成：

1)根据项目需求探讨角色动画类型，设计角色；

2)根据角色结构比例、骨骼、肌肉结构的知识和角色模型布线原则，在3ds max中建立角色模型，并匹配骨骼；

3)对角色进行蒙皮设置；

4)动画设定；

5)后期处理。

2.2 传统动画制作

传统动画制作主要是依赖于动画师对关键帧的调节。在3ds max中只要在时间轴上设置对象的关键点位置，软件就会自动计算中间帧的位置，从而得到一个过渡顺畅的动画。这需要制作者掌握运动学相关知识，能够准确设置各关键帧相应位置，以及角色对应的姿势。传统动画制作模式的主要优点是确保动作设计所要表现的精度和生动性的同时，也能够保证动作效果的顺利与自然，但工作效率低。

人物一步步走过去弯腰拎箱子[4]，身体的各个部位都会发生活动变化，如图3所示。

图3 人物弯腰拎箱子

为了能够保证关键帧动作的协调性和顺畅性，需要反复在时间轴上多处关键帧位置上进行调整。

2.3 3ds max中内置足迹模式

使用3ds max中内置足迹模式，可以方便快捷地完成走、跑、跳跃等动作，也可以加载外部的bip文件来实现角色动画。

足迹模式完成行走的操作步骤如下：

1)将人物模型的骨骼绑定并调整好。

2)选择“运动”面板，选择“biped”下的“足迹模式”，再选择“足迹创建”下的“行走”，定位开始的帧位置，再选择“创建多个足迹”,弹出“创建多个足迹：行走”对话框，设置参数。

选择步骤及“创建多个足迹：行走”对话框分别如图4和图5所示。

3)选择“足迹操作”下的“为非活动足迹创建关键点”。

行走动作效果如图6所示。

图4 选择步骤

图5 “创建多个足迹：行走”对话框

图6 行走动作

2.4 运动捕捉技术

对人物的动作进行捕捉是目前运动捕捉技术中最典型的一种应用，通过把每一个人物的面部表情或者肢体活动信息进行三维数字化，得到三维动作数据，从而对各种复杂的表情和动作进行逼真传神的模仿，以达到真人重现的目的。不仅很好地改善和提升了动画的制作效率，而且让这个动画的制作流程更为直观[5]，人物也变得更加灵动。

2.5 三维动画技术对比

三维动画技术对比见表1。

表1 三维动画技术对比

3 后期应用

角色动画是计算机动画技术的一个重要组成部分，主要应用于影视制作、建筑动画、游戏制作、虚拟技术。同时产生的衍生产品也深受广大消费者的喜爱。行业产业链如图7所示。

图7 行业产业链

3.1 影视动画

影视动画指的是动画电影，一部好的动画作品除了扣人心弦的故事情节，还需要个性鲜明的人物角色和角色动作。角色是推动整个剧情发展的必要因素，整个故事情节都是围绕角色的发展而展开的，所以人物角色是动画片的核心基础、灵魂根源。电影《疯狂动物城》《冰雪奇缘》《功夫熊猫》《哪吒之魔童降世》等都深深震撼了人们的心灵。三维动画技术以灵活多样化的方法给影视特效艺术和技术上的支持，为其创作带来了无尽的扩展空间。

一部成功的动画作品，也会影响到消费者对于动画衍生产品的追求力度，推动市场经济，带动产业消费链。而人物角色在动画片以及动画产业链中的地位是格外重要的。例如电影《哪吒之魔童降世》票房冲破了50亿，其衍生产品如手机壳、钥匙扣、手办等周边产品也受到了追捧。

在《秦时明月》这部三维动画中,为了减少在传统三维动画制作中角色表情和动作产生过度僵硬等问题,配合了动作捕捉系统,让各种角色的表情和动作更加切近于现实[6],使三维动画的真实性被极大地改善和提升,画面内容更加丰富,刻画出更多灵性的人物角色。

3.2 建筑动画

三维人物模型与平面贴图和RPC人物相比较，它与三维场景浑然天成，更加自然真实；可以自由编辑角色的动作，使人物动作形象传神；不受摄像机角度束缚，各角度都能轻松展现；比较适宜近景、中景人物模拟时用；但完成三维模型比较耗时，使用面数最多，不适宜大面积使用。

建筑场景中的人物模型对建筑的真实呈现、功能展现、氛围烘托都有着十分重要的作用，没有人物的建筑动画作品缺乏活力和生命力。比如一个建筑动画步行街街景镜头，由于有生动真实的动态人物存在，就会显得生机盎然、贴近生活。

3.3 游戏

三维游戏中，除了场景就是角色，怪物、NPC和一个主角均通过动画手段来体验角色特征。角色具备了独特的人格和个性，才可以丰富这款游戏。如果一个角色不受动画的支撑，那么玩家也将不会真正感受到这款游戏中角色的真实存在。这个角色模型做的再精美，没有任何动画加入就是空壳。角色动画是角色的灵魂，它是使游戏世界真实化不可或缺的一部分。

3.4 虚拟现实

虚拟现实中，角色并非不可或缺,但对浏览者来说,没有人物的虚拟作品缺乏真实感。比如漫游在虚拟校园中,如果没有学生，走在空荡荡的校园内，就会显得单调乏味，没有活力和亲和力，带给人一种沉闷的感觉。由于有人物的存在，就会让浏览者如身临其境，有一种切身亲近活力校园的感觉。所以，角色建模和角色动画是三维虚拟动画设计的基础[7]。

将三维建模与虚拟技术和医疗融合，运用于VR手术培训、远程医疗、护理学等方面。在培训时，学生能够以设身处地的方式学习人体解剖、临床等相关知识。它不仅突破了学生学习解剖的阻碍，还提升了学生学习收效。在模拟手术方面，不仅可以使医生更加熟练掌握手术的详细操作步骤，还可以通过模拟手术发现问题，制定出更合适的解决方案。

4 结 语

角色动画是计算机动画技术的一个重要组成部分，主要应用于游戏、影视制作、广告制作、虚拟技术。角色模型的制作是角色动画制作的基础，骨骼和蒙皮绑定的好坏决定了调整角色动画的工作效率[8]，角色材质效果增强角色动画的质感，角色的动作动画是角色动画的中枢。面对不同的动画设计需要，在把握三维角色模型结构比例基础上，遵循模型布线需求，针对角色的运动，使用好骨骼绑定与蒙皮，借助Curve Editor和Dope Sheet模式做好对轨迹视图的设计，从而有效提高整个三维动画中角色行为的展示效果。