三维动画《智能在身边》的设计与制作场景建模与渲染.docx
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三维动画《智能在身边》的设计与制作场景建模与渲染
三维动画《智能在身边》的设计与制作——场景建模与渲染
摘要
本次毕业设计作品是采用Maya和c4d作为建模渲染软件,在这基础上设计制作的一部三维动画短片。
本毕业设计动画表达了智能时代主题下,很多智能化设备在人们的生活中占据了越来越重要的位置,包括照顾小孩,展现一个发人深思的故事。
Maya是一款强大的三维创作软件,借助电脑技术让人们产生强烈的视觉效果,表达非常细腻准确的渲染效果。
从建模,材质,灯光,渲染都展现了强大的实力。
2018版本的maya内置的电影级别Arnold渲染器,更是大大增强了短片的制作效果。
本次毕业论文先是说明了动画制作采用的技术和可行性分析,再从短片中的视觉效果出发,对动画涉及的模型,材质,镜头,渲染及后期处理的制作方法进行详细阐述。
关键词:
三维动画;maya;智能时代;制作方法;
AnimationShortSubject《IntelligenceAround》——Scenesmodelingandrendering
Abstract
ThisprojectusesMayaandC4dtodesignandrender.Onthebasesofwhich,a3Danimationshortsubjectisdesignedandproduced.Underthethemeoftheintelligentepoch,manyintelligentfacilitiesoccupiedmoreandmoreimportantpositionsinpeople'slives,includingtakingcareofchildren.Thisprojectshowingathought-provokingstory.
Mayaisapowerful3Dcreationsoftware,whichexpressestheverydelicateandaccuratevisualeffectwithvividartisticexpression.Mayashowastrongstrengthfrommodeling,materials,lighting,rendering.The2018editionofMayaaddsabuilt-inmovielevelcalledArnoldrenderer,whichgreatlyenhancestheproductioneffectoftheshortfilm.
Thisarticlefirstexplainsthetechnologyandanalysisthefeasibility.Andthenfromthevisualeffectoftheshortsubject,itelaboratestheproductionmethodsofmodel,material,lens,renderingandpost-processinginvolvedinanimation.
Keywords:
3Danimation;Maya;intelligentepoch;productionmethod
1前言
1.1选题背景
在中国,大部分的三维动画都是学习国外技术后再自行创作的,而优秀的原创动画作品很少。
近年来我国的动画产业不断地发展进步,动画寓教于乐的方式,不仅小孩子喜欢,很多年轻人也很喜欢看,而优秀动画更有庞大的观众群。
我们这次的研究根据当下流行话题展开设计和制作,主要研究智能时代下的家庭的可能性,启发观众对智能时代的想象力。
1.2三维动画在国内外的发展概况及存在问题
动画有着生动的艺术表现形式,三维动画更是借助了电脑技术让人们产生强烈的视觉效果,很多主流渲染器更能表达非常细腻准确的渲染效果。
因此,三维动画在新媒体流行的时代非常具有发展前景。
国外的梦工厂、迪士尼、皮克斯等专业动画公司所制作的三维动画影片,品质和票房都很可观。
而中国从2000年到2012年,十多年的三维动画大规模也应用到各个领域,如动画电影,电视综艺,产品广告,游戏制作等,三维动画技术逐渐成为现代媒体行业不可或缺的工具。
三维动画,从简单的静态模型到复杂的动态特效,从产品动画到人物模型,三维平台不再需要昂贵的设备,一般配置的电脑都可以将自己的想法创意通过三维动画实现出来,所有的动画创意都能依靠强大的技术实力实现。
但是目前国内三维动画影片普遍故事情节老套,缺乏创新,宣传也不到位等诸多问题。
所以这次的毕业设计是想从新颖的故事剧情角度,引起观众共鸣,更重要的是通过这次毕业作品,深入研究实现动画制作的流程。
1.3选题目的与意义
《智能在身边》研究的目标是采用Maya和C4d为建模渲染软件,在这基础上设计制作一部三维动画视频。
为了能更好的创作这部动画,在Maya的基础上使用uvLayout、Mudbox等功能性插件和软件,并用Zbrush制作视频相关的雕刻绘画。
我们这次的研究一方面为了深入了解学习Maya这款流行三维动画制作软件制作动画流程的各个功能,一方面为了通过这个软件制作一部完整动画短片。
2可行性分析
根据2017年1月17日国家统计局发布的数据显示,2012-2017年中国动画行业总产值由760亿元增长至1572亿元,增长了812亿元,年均复合增长率为15.6%。
改革开放后,中国政府建立大型动画基地,大力扶持三维动画产业,例如规定时间禁播境外动画等,在这种大环境下中国动画行业呈现欣欣向荣之态。
动画产业通过优胜略汰,重视创意,追求品质,通过抖音短视频等新的商业手段,慢慢形成如今的良好局面。
以前国产动画电影数量很多,但票房还是很低。
进口动画电影上映数量比国产动画少很多,但贡献了65%的票房。
根据近年的电影票房及评分情况,比如2015年优秀的《西游记之大圣归来》三天票房爆炸,以9.5亿的总票房与8.4分的豆瓣评分,取得市场口碑双丰收,凭借一己之力扭转了国内动画电影的微弱局面。
2019年的《哪吒之魔童降世》总票房40亿,全年票房占比38%。
这种种数据说明国产动画发展空间巨大,在种种良性动画环境下,毕业设计作为动画作品面向占比巨大的年轻用户群体,可以放上视频网站吸引更多的广告主带来经济效益。
2.1技术可行性分析
动画制作主要采用maya软件,当下流行的三维制作软件有c4d和3dmax,c4d和maya都有中文版,3Dmax建模很快,灯光材质渲染又写实,但是3Dmax比较适合用于建筑领域和室内设计。
C4d的OC渲染非常强大,但是建模没有Maya方便,做效果讲究套用集关系,这让建模速度大大减慢。
但C4d常用在产品动画或者三维创意效果图等效果上,C4d适用于小项目的建模渲染。
而Maya主要用在动画和特效上,十分适合制作本次毕业设计,功能强大,操作方便,内置的arnold渲染器渲染效果真实,而且maya可以通过制作表达式去模拟日常的无规则运动,也是我们所学过的并且能熟练地掌握操纵,maya带有多个板块,从建模到动画都有着强大优越的功能,maya也比较方便整合小组成员作品,从各个方面来说Maya都比较适合两个人搭档制作动画,小组完全可承担开发任务,并在规定时间内完成任务。
Nuke软件在操作时会用到很多实用性功能组件,操作界面也方便适合新手,不容易和其他软件起冲突问题。
可以操作调色,通道调整,追光等效果都可以做出来。
现在动画主要用三款渲染器,分别是redshift,mentalray,arnold。
Redshift渲染器渲染效果好,速度快,但是因为我们是小组小成本开发,找的破解版材质球带有水印用不了,买正版成本太高,所以redshift不在这次毕业设计中使用。
Mentalray渲染器的光线追踪优化的非常好,在渲染大量反射的场景时非常有优势,但Mentalray渲染器的渲染速度非常慢,版本还是几年前的,相对比Arnold还是差了一点。
而Arnold渲染器的电影级别效果,高光、散射、金属、透明、3s材质都十分厉害,最方便的是它的测试渲染框,可以小区域渲染实时查看渲染效果,对于新手第一次做完整的动画,用arnold渲染会方便很多,现在arnold也已经变成了arnold的内置渲染器,无需破解,使用起来非常方便。
2.2经济可行性分析
动画的成本主要集中于模型的构建工作和美工设计。
软件免费安装,小组成员免费制作动画,0成本,制作后需要用配置稍微高些的电脑渲染序列帧,比较消耗制作的时间成本,制作出来之后放在视频网站上点击阅读量增加,带来收益,收益远远大于付出的成本。
2.3社会可行性分析
这个话题是当下社会流行话题,比较能引起观众共鸣。
剧情原创,不涉及侵权问题。
所用的材质贴图是找网上无版权素材,音乐也是有授权的。
没有敏感话题和消极主题,也没有18岁以下不能观看的场景,还具有学习和研究的意义,非常适合年轻人观看和参考。
2.4总结
从技术的角度来看,使用Maya三维动画制作软件来进行短片的制作是非常合适的,从经济的角度来考虑,小组合作制作的开发成本一般较低,时长不会太长,有网络良好的推广渠道。
综上所述,使用Maya三维软件制作一部动画短片可行。
3剧本策划
3.1剧情概述
智能时代下,一对夫妇从网上基因库定制了一个孩子,赠品保姆带着这个孩子传送到夫妇家门口。
夫妇签收后就去上班了,家里只留下机器人保姆和小孩。
日复一日,孩子渐渐长大,到了保姆返厂保养的时候,无人照看的小孩从沙发摔下来摔死了,夫妇对于自己过于依赖智能十分后悔。
3.2动画故事背景和世界观
这是一个高度科技化的世界,人生活中所有的设施都依赖电子屏幕。
金钱、房子、健康都是科技带来的,被科技填满的生活越来越简单,满足于科技带来的便利的人们,有一天丢失了生活中的智能,就会变得手足无措。
动画中的主人公虽然身处智能时代,但是细节方面还是可以看出夫妇没有完全“智能”化,桌子上的茶壶和茶杯就是最明显的体现。
动画世界对女性十分尊重,妻子有独立的工作,丈夫购买孩子会跟妻子仔细商量,与机器人保姆信号绑定的是丈夫,所以机器人返厂维护的时候第一时间通知的是丈夫。
3.3动画流程分析
制作动画之前要确定好动画的制作流程,方便后面的动画制作。
首先要进行整体规划,简洁明了的流程规划有利于让人理解动画制作的步骤和重点。
制作过程用word文档制作,作为一个强大的office软件,可以更快速的出图。
按照时间的顺序分成三大部分,前期设计,动画制作,后期处理。
图4.1动画流程
4《智能在身边》的三维动画的制作
4.1设计思路及技术路线
4.1.1场景、角色设计思路
场景的设计定位为意大利式建筑风格,参考剧本,用简洁的线条和颜色突出科技感,体现智能的生活环境。
工厂的设计需要考虑到角色造型和身材比例等外貌特点,考虑到工厂制作婴儿的过程是否容易操作。
保姆的设计需要考虑到它是陪伴型机器人,满足小朋友喜欢的特点,突出萌点和实用性。
4.1.2技术路线
(1)对于整部动画的剧情设计,先写一个相对完整的分镜头脚本来整体把握需要的模型,从而设计并制作相应的场景模型。
(2)欧式建筑的元素建模分析,和智能时代工厂的元素建模分析,参考网上资料,结合maya软件做出模型,将创意构思进行形象化的再现,运用极简风格家具等体现出高度科技感,用Mudbox实现凹凸质感,用Arnold渲染,而工厂通过Maya建模自动化生产流水线后,Maya做出动画效果,用blinn材质做出金属感。
(3)机器人保姆的模型设计和皮肤质感设计,该角色需要用到maya建模、骨骼绑定、动画制作等技术,Arnold渲染后,后期用nuke合成软件做出光影景深效果。
效果根据策划案上需要的资源说明来进行设计。
4.2设计原理与相关基础知识
下面简述一下关于Maya的一些基本原理及动画制作流程相关的理论知识。
4.2.1Maya软件概述
AutodeskMaya2018简称Maya软件是美国Autodesk旗下的顶级三维建模和动画软件。
运用到动画片或是电影特效的Maya功能强大能掌控动画每一步流程的方方面面,几个功能板块建模(modeling)、渲染(rendering)、特效(FX)、绑定(Rigging)等多项功能在三维创作过程中提供了优越的速度和强大的视觉特效。
modeling有nurbs、polygon、subdivision三种建模工具,本次作品用多边形建模(polygon)较多,苹果茶杯之类模型较适合用曲面建模(nurbs)做出大概形状后转成polygon再重新布线。
但布线时容易分布不均,甚至出现五边面的情况,这在建模时需要分外注意。
rendering的质感和纹理的物体表达,maya2018内置的Arnold渲染器,可以轻松制作出出电影级别的清晰度和真实的视觉程度。
FX的粒子系统(Particlesystem)、布料制作(nCloth)、刚体(rigid-body)、柔体(soft-body)运用复杂的动力学,制作出水流、火焰、灰尘等大量堆积特效。
Rigging的创建骨骼(createjoints)、IK/FK控制器(IKhandle/FKcontrol)、约束(constrain)、蒙皮(bindskin)制作刚体绑定或角色绑定,是动画创作空间的基础。
4.3建立模型
4.3.1建立别墅场景模型
场景别墅模型是先从整体到局部一点一点去构建的,参考网上别墅资料,先手绘稿简单分析制定别墅大致比例。
图4.2一楼别墅房间布局
图4.3二楼别墅房间布局
建立地平面,描线后放样做出外墙板,然后定下房间布局,墙体厚度,门窗位置,楼梯定位,装饰屋顶等。
图4.4别墅比例和房间布局
图4.5别墅外观模型图
图4.6客厅模型图
图4.7卧室模型图
Maya曲面建模(nurbs)是利用nurbs在三视图起稿样式,然后曲线转换成曲面(polygon)面线挤出,扶手转角处删除多余的结构线,挤压弯曲调整好结构线的走向,对模型边缘进行倒角,使模型直接呈现最终形态,最后转化成细分面。
客厅作为动画重要场景,沙发三件套的建模尤为重要。
依照参考图布线虽然简单,但要做出软软的感觉还是有难度的。
枕头在多边形建模(polygon)基础上两侧对应的面挤出两个小面,做出枕头大致形状,由于圆滑模式下枕头呈现不出方形,用插入循环边(insertedgeloop)工具卡出枕头的四个角,再用编辑边流(editedgeflow)将枕头中间的四边形偏移过渡出圆滑形状,调节顶点让枕头形态鼓起来,smooth细化模型后,切割枕头边缘的面做出褶皱等细节,表现出枕头的使用感。
沙发用多边形建模(polygon)起稿,调节点线面,然后给边缘倒角圆滑柔和,做出理想中的动画效果。
对于植物,使用Maya自带的草地笔刷(cactusGrass、cornSilkGreen),用来做室内的植物盆栽。
卧室的莲花摆件,创建一个curves圆制作一瓣花瓣形状,然后在壳线模式下调整出花瓣的形状,复制旋转做出其他花瓣,注意花瓣排布的随机性,莲花的花蕊部分用缩小的花瓣穿插做成。
图4.8枕头建模
图4.9莲花摆件建模
4.3.2建立工厂场景模型
婴儿出场发生在工厂里,场景建模还需要建工厂模型,工厂模型是室内建筑,需要将简单的墙体制作出来,创建一个正方体(cube)作为地面和四周的墙体。
模型参考图简单,但是用3D的形式表现出来,会更具有还原度。
图4.10工厂场景布局绘制
工厂首先在C4d软件中制作流水线传送带,用样条线绘出传送带路径,调整修改尺寸合适大小。
然后创建一个对象作为传送带的克隆的子集,倒角细分处理好对象后,alt快捷键选择对象创建克隆,给克隆出来的集合打一个组,为了方便克隆编组在z轴进行样条约束,需要注意给克隆编组和样条约束创建一个平集关系。
然后导出obj格式到Maya文件。
图4.11管道模型图
管道建模,先建立样式线,然后在线的C处建立一个正方形进行面挤出。
Divisions值设置为25。
图4.12管道模型图
图4.13工厂场景模型图
4.3.3建立角色模型
参考网上陪伴机器人的形象,确定机器人保姆的风格是善良友好又温馨,所以设计了胖乎乎的体态和圆滚滚的四肢。
因为动画角色不需要对细节做太多的手动调整,圆滑模式细分就足够这部动画的建模要求了。
机器人保姆头部和身体通过挤压变形对球体建模(sphere)进行调整。
难点部分的手部建模建立cube模型后划分成下图,然后在五指对应位置大体挤压出手指,注意手指的位置特别是大拇指的位置,继续加划分调整手的大体形状,圆滑模式下细分曲面(smooth)后,最后软选择模式下大致调整。
图4.14手掌建模初模
图4.15机器人保姆模型图
4.4Arnold的材质表现
建模完成后,我们要为模型制作材质,使动画生动起来,具备艺术性和观赏性。
物体表面的反射塑造了物体属性独特风格。
作品主要用到Arnold的表面着色器(aistandardSurface)是一个能够产生许多类型的材料的基于物理的着色器。
它包括一个漫射层,一个用于金属的带有复杂菲涅尔的镜面层,用于玻璃的镜面透射。
基础颜色(base_color)定义了颜色在光散射到表面下方时不会被吸收,漫反射粗糙度(diffuse_roughness)越大,光线投射到表面的反射无规则程度越大。
金属性(metalness)不同的参数控制不同的金属外观程度。
高光(specular)就是物体边缘颜色,粗糙度(roughness)控制镜面反射的光泽度,值越大,反射越接近漫反射,表面越粗糙,反射光发散显得更模糊。
IOR为物体材质的折射系数,通常与对象密度有关,密度越大,物体的IOR值越大。
Arnold的透明材质跟别的渲染器制作有些不一样,需要将物体属性opaque关掉,通过透明值(transmission)设置物体的不透明度。
次表层散射(subsurface)俗称SSS材质,模拟光进入物体并在其表面下方散射的效果,光穿透物体的表面并在内部散布。
大多数情况下SSS重量值(weight)为1。
半径(radius/scale)决定光线穿透物体的大概距离。
作品所用到的5.0版本Arnold渲染器是一款CPU渲染器,是基于物理算法的电影级别渲染引擎。
中端CPU渲染Arnold速度很慢,只能通过优化去提高Arnold渲染的速度。
在此次作品中所用到的材质赋予都相较简单。
每个场景和道具赋予材质的方法都大致一样,只是在色彩方面做一些区别调整。
瓷砖添加了ainoice节点制作噪波,让瓷砖形成大理石的纹理。
图4.16瓷砖ainoise渲染效果图
场景中很多模型需要用到的塑料材质,通过调整IOR参数和反射粗糙值来表现。
图4.17塑料材质床头柜渲染效果图
图4.18塑料材质茶几渲染效果图
图4.19塑料材质梳妆台渲染效果图
图4.20玻璃材质渲染效果图
图4.21窗户玻璃材质渲染效果图
镜子和电视机的镜面材质使用arnold的预设材质。
创建一个arnold的aistandardsurface材质,然后选择chrome的replace。
调节颜色为“白”或者“黑”。
图4.22镜面材质电视机渲染效果图
图4.23镜面材质渲染效果图
4.5机器人保姆绑定与蒙皮
就像开汽车需要方向盘一样,角色模型的控制器就是完整的骨骼系统,Maya的整套骨骼系统非常完善,创建手部骨骼和手掌骨骼后,将四段手部骨骼和手掌骨骼制定父子关系,父子关系的表现决定了父级进行移动旋转缩放等操作时,子级也会进行相同的移动旋转缩放,需要注意的是创建骨骼过程中要确保每一个关节的空间坐标轴是指向下一个关节。
为了方便选中并控制关节的旋转,创建nurbs圆环做关节控制器,再分别用控制器对关节做一个父子约束关系(parentconstraint),由于nurbs模型的数值在约束后会对关节产生影响,所以在约束之前,需要冻结参数(freezetransformations),约束后的控制器只能控制对应的关节变换,想要带动下一个控制器的变换,需要在两个控制器互相的进行关联,这里同样可以用到父对象。
为了手腕的控制器的属性可以驱动另一个控制器的属性,使用Maya的设置受驱动关键帧(setdrivenkey)功能,驱动者对象显示在上行,被驱动者对象显示在下行,设置好加载时的形状属性,设置关键帧。
这样就做出了当手腕旋转15°时,指骨能旋转30°的效果了。
图4.24驱动关键帧设置
图4.25手腕旋转30°有无驱动关键帧对比图
4.6工厂生产动画
生产动画里很多镜头摄像机都是跟随工厂机器的动画顺序平摇,我是这样实现的。
找机器的动画关键的点进行关键帧。
而机器的动画则是在合适的帧数设置空间坐标,让机器根据运动规律做出平移速度或快或慢的效果,动画做好后需要检查最终效果。
运动模糊的镜头需要在渲染设置中开启运动模糊,比如扇叶转动时的效果。
由于这个镜头摄像机固定,所以不需要扇叶进行单独分层。
生产完婴儿传送的镜头按照策划上的设计需要制作镜头擦除的效果,同样需要用到运动模糊,镜头在1帧内快速向右摇动,做出理想的转场效果。
图4.26有运动模糊的扇叶
图4.27无运动模糊的扇叶
图4.28镜头模糊的转场效果图
图4.29镜头模糊的转场效果图
图4.30镜头模糊的转场效果图
4.7灯光制作与渲染
一部动画的效果是靠模拟场景灯光做出来的,作品动画存在室内和室外场景,一般用天空球(skydomelight)、区域光(arealight)制作场景的主光源、辅光源。
室外根据镜头和人物位置,使用Arnold自带的天空球,不需要加入动态模糊(motionblur)。
刚出来的效果很暗,需要关掉normalize选项。
室外主光为天空球(skydomelight),还需要一盏区域光(arealight)作为辅助灯光加强物体边缘,给影子添加一些光线,辅光强度较小。
室内灯光光源有一部分来自窗外的太阳光还有室内开的灯。
在白天室内的灯光用区域光(arealight)大面积照明,天花板吊灯的灯泡使用meshlight赋予材质,调整光源强度等参数,强度太大或太小都容易出现穿帮镜头。
动画中还有一个工厂场景需要创建灯光。
工厂的灯光需要添加一盏区域光(arealight),因为每个场景镜头打灯方式都不一样,需要根据场景测试的渲染图去加点光源(Pointlight)。
4.8MayaXgen系统
客厅和卧室地毯的绒毛效果是整个动画场景的难点之一,用贴图难以强调阴影和每条绒毛顶端和底部的对比,绒毛顶端得到大量的光,绒毛的底部是黑色的,不同的阴影。
绒毛强调的是阴影的不同的尺寸和随机分布。
Hair系统创建绒毛是可以的,但是难度很大,本次毕业作品的硬件设备有限,不足以支撑hair系统制作大面积的毛发。
而Xgen是WaltDisneyAnimation工作室开发整合到Maya2016版本中,是一款强大的实例框架。
通过地图、表达式和参考,在表面上分布任意几何体。
在生成新的description时,在向导界面根据需求调换,在本次作品制作毛绒地毯使用默认选项。
先在场景创建一个plane平面,生成例子(description)后平面自动生成引导线,在引导线设置界面调整引导线的长度和宽度,taper值控制引导线变成锥形的程度,taperstart控制变成锥形开始的位置,引导线的随机性不够,调整好后在修饰面板(modifiers)添加一个噪波(noise),调整好参数后,效果
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