3D渲染技术制作2D动画效果的研究

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3D渲染技术制作2D动画效果的研究

作者：翟康弘

来源：《现代职业教育.高职本科》 2017年第4期



［摘要］很多3D动画过分追求真实感，往往失去了动画片的画面感及表现力。3D电脑动画制作技术制作的2D动画效果的实现可以通过MAYA软件中的卡通渲染方式结合建模方式、卡通着色器、轮廓线着色三种制作技法，能够得出理想2D的渲染效果。

［关键词］3D渲染；2D动画效果；卡通渲染

［中图分类号］G718［文献标志码］A［文章编号］2096-0603（2017）10-0106-02

动画片发展至今已有一百多年的历史了，早期的动画片制作一直以手绘为主，从20世纪90年代开始3D电脑动画出现并快速发展并以其画面更加真实细腻、制作周期较短、成本较低等优点逐渐占据了主流动画片市场。很多3D动画过分追求渲染出现实世界的真实感，以至于丢失了动画片在艺术方面夸张与想象的画面感以及单纯的2D绘画带来的视觉表现力。

其实从3D电脑动画制作技术发展初期，就有很多人尝试把3D电脑动画制作技术应用到2D动画制作过程中以缩短制作周期以及表现一些用手绘难以制作的特殊镜头动作，于是用3D电脑动画制作技术制作的2D动画效果应运而生，并逐渐发展为新型的2D电脑动画制作流程中的一个重要组成部分。从最早的日本动画片《GOLGO13》最先使用了这一技术之后，到后来的《美女与野兽》《钢铁巨人》《幽灵公主》等，都使用了这一技术并逐渐发展成熟，但是一直到现在都无法跟手绘的画面相媲美。

一、2D动画与3D动画

（一）概念

2D动画是依靠场景和人物的平面绘制，做成一幅一幅的图片然后连续起来成为动画，3D动画则是使用3D设计软件进行人物场景的建模，再进行连续的动作形成动画。

（二）2D与3D动画的区别

2D动画和3D动画从制作过程来看最主要的区别是视角是否可以任意旋转，主流的2D动画（不包括平面材料动画）和3D动画（不包括立体材料动画）还有以下几点主要区别：

1.制作效率：一部高品质的2D动画电影制作周期一般为四年，而3D动画电影制作周期则一般为两年。

2.效果：2D动画由于是逐帧绘制的，制作碰撞、布料、吃食物、切割、大幅度夸张变形等动画效果有较大优势；3D动画由于计算机自动生成，所以制作透视变化效果、光影变化、群组动画、爆炸效果、云雾、毛发等有动画效果较大优势。

3.场景和角色的处理方式：由于2D动画手绘透视变化效果时很难应用在场景上，通过以角色的透视变化来丰富画面，因此场景绘制的色彩层次丰富，角色相对色彩层次较少；3D动画由于使用计算机技术的可以自动计算出发生透视变化的效果，因此场景和角色的色彩层次都可以很丰富。


4.对质感的表现：2D动画很难表现出真实的质感但是画面艺术感很强；3D动画可以表现出所有能够想象出来的质感，真实感很强但是缺乏艺术性。

5.经费支出：2D动画制作经费在人员、拍摄费用上支出较高；3D动画制作经费在计算机应用方面支出较高。

不难发现如果能用3D动画制作实现2D动画效果，既能缩短制作周期，任意旋转视角，增添2D动画角色的色彩层次，又能弥补3D动画在艺术性上的不足，还可以节省制作经费，一举多得。

二、软件及渲染方式

（一）3D电脑动画制作软件

3D动画制作中最基本的能呈现2D渲染效果的技术是一种名为非真实性渲染

（NonPhotorealisticRendering）的渲染技术。能够制作这种效果的3D动画制作软件主要有MAYA，3DSMAX,Softimage3D,LIGHTWAVE3D等软件。其中Softimage3D软件的优点主要是

mentalray超级渲染器和优秀的动作控制，3DSMAX以丰富的建模和动画能力和出色的材质编辑系统著称，LIGHTWAVE3D主要用来制作以假乱真的场景，MAYA是拥有全新构架的全能型动画制作软件。由于3DSMAX、Softimage3D、LIGHTWAVE3D三款软件更适合用来制作真实感较强的动画，所以选择适合制作2D渲染效果的软件MAYA来进行研究。

（二）渲染方式

渲染是一种把2D平面视角下的看到的物体通过添加阴影高光以及色彩变化等因素后从而体现物体的立体感和真实感的一种电脑3D软件运算过程。其中代表性的渲染方式有线框衬着渲染（WireframeRendering）、光线跟踪渲染（RayTracingRendering）、光线投射渲染

（Raycastingrendering）、全局照明渲染（Globalilluminationrendering）、非真实性渲染NPR（NonPhotorealisticRendering）五种。

其中，非真实性渲染就是不追求物体的真实感，而是追求达到人们手绘绘画感觉的一种渲染方式，按照手绘用的工具以及风格的不同，分为线条、钢笔墨水笔、卡通、绘画、水墨画、水彩画、图像马赛克、插画等。

动画制作中常用制作方式就是3D建模后进行非真实性渲染中的卡通渲染来制作较为复杂的场景及动作镜头，来达到手绘难以做到的镜头效果。卡通渲染是把线条很硬的给人感觉冰冷的3D电脑软件模型通过特殊的渲染方式变成线条柔软的有像漫画一样的感觉的2D绘画的一种技法。卡通渲染核心理论是把最亮和最暗的部分分成几个层次用不同亮度的颜色来表现的渲染方

式与轮廓线用深色描绘的2D动画制作方式类似的渲染技法结合后表现出2D平面动画的画面感。

由于当下主流的2D自动化制作风格主要以单线平涂再加上阴影高光的写实类为主，非真实性渲染中的其他渲染方式并不符合这种风格，而大多数动画制作中所使用的卡通渲染技术并不能满足当下观众对于动画画面品质的要求。

三、设计思路及方案

（一）设计思路

卡通渲染的特征就是复杂的立体面的单纯色块化以及带有深色的轮廓线，为了达成这样的效果，在3D制作软件MAYA里面来进行制作的话，通常需要软件中的渐变着色器


（RampShader）,表面着色器（SurfaceShader）和矢量渲染（VectorRendering）方式相结合，从而呈现出卡通渲染效果。在此基础上，如果将轮廓线单独提取出来用表面着色器

（SurfaceShader）将轮廓线的颜色改变或者通过给轮廓线贴图方式就能有又更多种多样的表现方式，从而更好地达到2D动画要表现的效果。

（二）设计方案

1.建模方式

在3D电脑动画制作软件MAYA里面有三种主流建模方式，分别是多边形建模（POLYGON）、曲面建模（NURBS）和细分建模（SUBDIVISIONSURFACE），其中为了能使用卡通着色器

（ToonShader），除面部以外都使用边形建模（POLYGON）来创建模型。由于面部线条较多，又是动画中着重表现的部分，通过对比，用卡通着色器（ToonShader）效果并不理想，于是人物面部建模改用曲面建模（NURBS）。

由于面部使用了曲面建模（NURBS），导致了人物表情就无法用传统的多边形建模（POLYGON）添加动作控制器的方法来制作，于是人物表情也相应地改用贴图映射

（TextureMapping）的方式来制作，也只有这种制作方式，才能制作出一些特殊的卡通化的表情。

2.卡通着色器

卡通着色器（ToonShader）是在渐变着色器（RampShader）、表面着色器（SurfaceShader）的基础上通过MAYA软件中的超级着色（Hypershader）功能来制作的，除了渐变和表面着色器之外，还需要用到双面材质（SamplerInfo）、condition节点、clamp节点、Lambert材质等工具。通过各种工具相互连接、相互影响以及参数调整，制作出有卡通渲染效果的卡通着色器（ToonShader）。

3.轮廓线着色

在新版本MAYA软件里面，有专门添加显示轮廓线的命令，而且添加的轮廓线本身的属性也能够调整，在此基础上也能够添加轮廓线颜色或贴图，并调整参数以后可得到理想的轮廓线描绘效果。

通过以上三种制作方式混合使用后，能够达到理想的2D渲染效果。

本论文中研究的方法能够实现在动画制作过程中，通过3D电脑建模软件的2D渲染方式，突破传统意义上的2D动画在空间描绘上的限制，使动画不但有视觉冲击力很强的大场景任意旋转视觉效果，而且还有2D平面动画片的手绘视觉效果，同时降低了制作成本、缩短了制作周期。在2015年上映的剧场版动画《苍穹的法芙娜》《亚人》等影片中，大量运用了2D渲染技术，效果都很好，但也存在表情僵硬等缺点，如果运用本文中提到的制作方式，将能够达到更好的效果。

本文来源：https://www.dy1993.cn/hA6.html