中国的电影行业近年来得到了快速的发展，这与影片中运用三维电脑动画制作的画面特效效果密不可分。现在随着电脑技术发展，许多影片都会大量利用电脑特效，使影片达到一般实物拍摄所无法实现的场景与影像。设计人员利用电脑里的遮罩或蓝屏、绿屏的功能将两种素材合成在一起，是实拍电影结合电脑效果的基本技巧。在这种技术条件下虚拟画面与实拍画面结合的天衣无缝，创作了许多的优秀影片。如今年新年期间上映的3D电影《西游记之大闹天宫》。传统的故事题材运用震撼视觉的3D特效，10天8亿票房，创下中国影史华语电影票房多项新纪录。
2.电视片头和电视广告制作
现在国内很多的电视片头与电视广告大量的采用电脑三维动画技术，不仅能节约成本，并且电脑三维动画为其增添了奇妙无比、超越现实的视觉效果。只要设计师能想到，电脑就能实现。优秀的制作作品屡见不鲜，如电视广告百事可乐，古天乐、罗志祥、张梓琳等拍摄的画面与电脑三维动画技术结合，制作出令人意想不到的视觉效果。
3.科学计算与工业设计
我国目前在此行业已经越来越重视三维电脑技术在其中的设计运用，利用三维电脑动画技术，将一些复杂的科学研究与工程设计如汽车制造、航空、航天等领域的科学计算过程以及计算结果转换为图像信息，在屏幕上显示出来，以便设计人员进行观察分析与交互处理，这为设计人员提供了一个新的电子虚拟环境，可对产品进行可制造性、功能仿真、力学分析、性能检验等。这样可以帮助这些设计人员在产品制作之前先对产品进行分析，以确保最终的制作准确性，降低失误率。
4.模拟训练、教育业、游戏业
中国现在有许多利用三维电脑动画完成的模拟训练，如飞行模拟器。飞行员在模拟器中操作飞行手柄，观察各种仪器，透过模拟的飞机实现了在室内就能训练飞行员，模拟起飞、飞行、着陆。三维电脑动画在我国教育业中越来越多的应用其中，其在此行业发展前景是很广泛的。许多教育工作者利用三维动画立体成像技术，将教学内容用更加形象、立体的效果展示出来，达到文字、图片内容所无法实现的效果。可以大大增加学生的学习兴趣。我国游戏业近几年在不断持续发展，2013年8月，国务院印发的《关于促进信息消费扩大内需的若干意见》明确提出，要大力发展数字出版、互动新媒体、移动多媒体等新兴文化产业。很多高校在逐步开设游戏设计专业，培养优秀的设计人员，三维动画软件为游戏设计师提供了有利的技术条件，设计师利用三维电脑动画技术创造虚拟的人物、场景等，并且主要利用“即时运算”技术制作游戏。
5.虚拟现实和3DWeb
虚拟现实（virtualreality,VR）即利用电脑的高科技技术手段构造出一个虚拟的环境，使参与者获得与现实一样的感觉。虚拟现实是当今国际上备受关注的课题。而3DWeb技术将三维世界带入因特网，使用户可以使用浏览器观察3DWeb场景。目前我国在此领域近几年发展迅速，如2010上海世博会将互联网、3D技术与世博会相结合，首次将具有158年历史的世博会以三维游园的形式搬到网上，并借助网络平台向全世界进行展示。使全球亿万人民都可以通过互联网，身临其境般地在网上园区和展馆内进行漫游，同展项进行互动。
6.室内外环境设计
水利工程建设是一项复杂的系统工程，设计周期长、投资大、主体结构复杂，具有标准化程度低、协同配合要求高等特点，并且专业涉及面广，包括测绘、地质、土木、建筑、机械、给排水等多个专业，各专业之间存在着相互联系又相互制约的关系，且各专业的二维图纸表达抽象，其他专业参照非本专业图纸较难理解。因此，在水利工程展示中采用三维动画表达设计意图具有以下3点现实意义：
1）清晰展示工程建筑物主体结构
三维动画可从多视角将工程建筑的结构、材质、布置准确地表达出来，在模型基础上，能够任意观察坝工、厂房等专业建筑结构。相较于用工程图纸加上说明的表达形式，更能直观地让人感受到工程建筑的形态，突破了二维的局限性。
2）明确展示各专业的设备布置
水利工程厂房专业中布置了电气、暖通、水机等各专业设备，一般二维展示只能根据各个专业的相关图纸作基本位置的介绍，通过数字标高识别各设备布置的高程。通过三维动画展示，能清楚地表达各个专业在真实场景中相互交错的关系，一些本身具有运动工作性质的设备，还能模拟其工作过程并真实地表达出来。
3）直观展示水利枢纽的工作原理及施工过程
通常为了说明重要的技术点，用简单的、示意性的平面图形来反映复杂的原理过程，不容易表达清楚三维空间上的真实内容，而且还要求工作人员具备良好的抽象理解能力和很强的专业知识。用三维动画表现动态的水利枢纽、展示水利工程的工作原理及施工过程等则非常直观而清晰，也是对重点工程项目技术、工艺阐释的深化和重要延伸。
2.三维动画制作流程
三维动画借助计算机对所表现对象的形状、尺寸建立模型以及场景，为模型赋予特定材质，设置模拟灯光，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其他动画参数，通过计算机的自动运算生成一组静态图片，将这些静态图像高速播放，从而产生动态效果，之后添加字幕、图像、音频等效果，最后得到工程演示动画，。实现三维动画流程的Bentley软件模块主要有Architecture、Structural、GEOPAK、MicroStation的渲染模块以及后期处理软件AfterEffects等，可根据需要，结合各软件的优势综合利用。
2.1模型的建造
基于笔者所在单位三维可视化协同设计平台，利用MicroStation基础软件和包括测绘、地质、建筑、结构、管路、电气、暖通、给排水、校审和全生命周期数据管理等涵盖水电设计所有专业的专业模块的强大功能，各个专业能够同时进行模型建造并实时协同。相较于传统建模软件，如Sketchup、3DMAX等更能精准、快速地完成模型建造。利用MicroStation软件的优势，最终能得到尺寸精确、细致、仿真度极高的坝区地形、挡水建筑物、通航建筑物、地下厂房模型、施工场地、公路等工程模型。
2.2材质及灯光的选择
材质的处理，可在MicroStation中的渲染模块用软件自带的材质，也可根据需求，替换任意其他材质，操作简单便捷。三维动画与水利工程建筑物相关的材质种类不多，主要有混凝土、钢筋、石头等。由于水工建筑物的结构较为复杂，但真实场景中材质的同一种色调在三维展示中运用略显单调，并且难以清晰地表现建筑物各部分的衔接情况。为此，对同一种材质也需收集多种颜色或纹理不同的样本。灯光方面，可利用MicroStation中的渲染模块功能可以模拟室内、室外多种光源，表达形式也多样化，如点光源、线光源、片面光源、太阳光源等。各专业结构及布置情况展示的三维动画对灯光的要求并不高，只需确保所展示的建筑物清晰可见，具有少量阴影即可。外部场景则需要对灯光的色彩、强度、衰减、阴影等方面进行详细考虑，以达到仿真效果。
三维动画的最大优点，就是能够多角度查看工程场景，在现实中无法拍摄的角度，在三维动画中能轻松展现，只需在场景中设置好行进路径，并设置相机位置及目标点位置。在水利工程建筑中，室内展示受到建筑布局及结构的影响，可能出现视角被遮盖、行进过程中遇到专业设备阻拦等情况，为了能使建筑及专业设备能更专题研究Special Research好地被观看，有时会根据场景需要，对建筑物进行剖切、隐藏墙体或半透明化处理以达到最佳的展示效果。
2.4渲染输出及后期合成
渲染输出时根据三维动画场景的时间长短，单张图片为一帧，以每秒25帧形成动态效果。MicroStation能进行渲染输出连续的静态图片，渲染则由计算机自动操作。后期合成是将渲染输出的图片素材进行加工处理，添加文字、标注、颜色显示框甚至声音效果等，之后合成AVI、MOV等视频格式的动画，这一步骤主要在AfterEffects后期处理软件及AdobePremiere视频编辑软件中完成。后期合成是水利工程三维动画制作较为重要的一部分，能在三维动态展示的基础上，添加更为清楚的解说及标识。
3.三维动画在水利工程中的实际应用
笔者所在单位根据勘测设计技术市场及业主的需求，于2010年底成立了数字工程中心，其中，三维室主要推广三维可视化协同设计，以托巴水电站、蟠龙抽水蓄能电站等各水利工程项目为依托，在协同平台上利用三维建模，成功地将工程项目从二维转化为三维，模拟出真实、精确的现实工程。在此基础上，将模型以三维动画的形式展示出来，更直观地阐述工程技术原理，促进科研开发与成果推广工作水平进一步提升。
4.结语
关键词 三维动画；模型；结构；布线
中图分类号TP39 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）145-0068-02
三维动画模型设计有它自己的独特性，不同于其他三维模型，如，三维扫描模型、工业设计三维模型、建筑三维模型、游戏模型等，它对模型的要求是依据动画和镜头的需要来决定的，不由模型本身决定。
1 三维动画场景模型设计
1.1 Matte Painting三场景模型
三维动画场景在制作设计中也借鉴了二维动画的场景的设计方法，在分镜头设计中对只有“推”、“拉”、“摇”（小于45度）单纯的镜头变化情况下，场景模型可以考虑使用带有Alpha通道的多边形面片代替，如果，将其制作成实体三维场景模型，那会对有效系统资源是巨大浪费，这种制作方式被称为Matte Painting（数字绘景），这一技术最早出现于1911年，目前，随着计算机图像技术（CG）的飞速发展，以前所使用的“玻璃板”已被现如今的计算机图像“层”的概念所替代，由于它的高仿真性和高效性常被虚拟现实电影所青睐，彼得杰克逊导演的电影《魔界三部曲》、《金刚》、《霍比特人》，詹姆斯卡梅隆导演的电影《终结者》、《阿凡达》等都采用了这一技术，在Matte Painting中的场景模型制作，不需要制作模型的全貌，也不需要对不同场景模型作分割处理，也无严格的布线要求，只需根据摄像机镜头视角，对场景模型结构做简单的凹凸处理，重要的是需要有精确的Alpha遮罩通道和与之匹配的高质量图像贴图，将远近不同的多边形片状模型，错落有致的排开，使其产生视觉上的层次感，通过虚拟3D摄像机推拉镜头的应用产生可视模型间的纵深感，应对此类Matte Painting镜头场景，这种模型制作方法不失为简单而高效。
1.2 虚拟现实三维场景模型
虚拟现实是计算机模拟现实环境，通过特殊的装置（虚拟现实头盔、眼镜、手套、操纵杆等）使人沉浸在完全虚拟的环境中，环境中的所有物件全为三维模型，如，树、草、房屋、电线杆等等。
虚拟现实三维场景要求场景中所有的物体观看视角是不受限制的，可以任意角度查看，也就是360度无死角，要求场景内所有可见模型都是三维模型，而非多边形面片，这种模型是完全模拟或参考现实生活中的实物模型建造的。在设计和制作中需根据近景、中景、远景要求决定模型的细节制作程度，制作需要有合理的布线，以最少的模型面数体现结构细节。由于整个场景均为有体积的虚拟模型，虚拟摄像机在三维场景中运动不受限制，可以游走场景的任何角落，由于场景中多为有体积的模型，对系统资源消耗较大，这就要求最大限度的降低多边形面数，减少贴图的尺寸，提高有限资源的使用率，由于精简了模型和贴图，当模型被拉近时，模型材质会变模糊，出现马赛克的不真实情况在所难免。
2 三维动画角色模型设计
三维动画角色不同于二维动画角色设计，制作时不受制作技术的限制，三维动画角色在设计时，首先要考虑的是其技术掌握程度、项目开发周期、资金配置的因素，否则，即使设计出来也不一定能如期制作完成，如，毛发、布料、sss材质、光线追踪渲染等相对复杂的技术，对于毛发、布料制作在技术上已远远超出了动画师的技术可控范围，这部分需和特效制作部门配合，如果技术水平、资金预算有限，在前期的角色设定时应做相应的变通处理，将其控制在技术、资金、时间允许范围之内，不然会给后续工作带来麻烦和不便。
三维角色模型制作有自身的规则，根据计算机Mesh网格线的特性，在制作三维动画角色时需保证在各个关节连接处最少有三圈连接线，作为动画模型运动变化时锁定形体结构的基线，只有这样的模型在制作动画时，运动的形体结构才能正确得以表现。
布线是三维模型制作不可忽略的技术要点，在满足模型艺术表现的情况下，能最大限度的节约系统资源是三维动画模型最基本的设计原则，合理的模型布线不仅节约了数据资源，还便于形体结构的表现。怎样才能做到布线合理：
1）要充分了解形体结构，布线随着形体转折结构分布，如果模型是角色（人、动物）要与角色肌肉运动的方向一致，这样便于动画流畅平滑的控制与表现。
2）形体关键部位要有足够的布线，线的疏密直接影响的可控制点的数量，丰富的动画细节表现与控制点数量息息相关。
3）三星点、五星点的处理要得当。在三维模型别是对于复杂的形体，三星点、五星点出现是难以避免的，因此，对动画骨骼设置要有一定了解，也就是要知道运动原理和方式，以便更好的控制目标体模型。
在设计三维动画角色模型时，不能简单的要求将模型的外形结构制作出来，还应了解多边形运动变化的规律，并按规律制作模型才能更好的应用于后续动画制作，使其成为合格的动画角色模型。
3 三维模型灯光、材质、渲染
灯光对于三维模型来说尤为重要，灯光的强弱、冷暖对于场景模型的间时空关系及角色模型性格塑造都至关重要，完整的三维动画模型是有材质的，材质主要用于表现虚拟现实物体表面的质感，不同的材质在心理上会给观众带来不同的感受。在三维动画模型中所有的灯光都是根据自然界现实情况进行模拟的，最长用的灯光模拟方法是三点光源法，一盏主光源，两盏辅灯，主灯在灯光阴影处理上要强于辅光灯，辅光阴影在处理时要么将其阴影属性关掉，要么降低阴影边缘强度，若要追求更加真实的阴影效果，就使用HDR高动态范围图像的光线追踪阴影，将其产生的软阴影作为区域阴影细节处理，可较大的提高图像仿真度。
模型的材质主要有两种方式产生：一是通过UV划分将绘制或修改后的照片作为贴图生成模型的材质；二是通过计算机程序产生纹理模拟模型材质，两种材质产生方法各有优劣，第一种的优点是仿真程度高，不足是需要划分UV操作繁复，项目文件大，耗费资源，第二种的优点是操作便捷，无需划分UV，文件量小，节省资源，不足是仿真度低。两种材质处理方式结合使用效率最高，对于主体物件使用贴图方式，如，房屋、树木、道具等，对于次要物件，如，水、草、远山等，结合使用即可保证较高的仿真度，又可节约系统资源。
渲染是影视制作的独特方式，在游戏、虚拟现实中没有渲染这一环节，所有图像都是所见即所得的，所示图像都是依靠计算机GPU（图像显卡）即时计算处理得来，无需后期合成处理，渲染主要针对的是影视行业，由于行业特点，与游戏相比它对图像的质量要求较高，也更为严格，通常渲染要分层，分通道，要经过后期特效、剪辑、合成，输出等环节。
4 结论
三维动画模型的设计有其自身的独特性，既要满足当前计算机技术的发展现实要求，又要满足模型形体、比例、结构的合理性要求，还要满足动画本身的运动规律要求，制作的三维动画模型，既要细节丰富，又要最大限度的节省计算机有限的资源，满足上述条件方可算得上是一件合格的三维动画模型产品，一部好的三维动画片，优秀的模型设计是其成功的重要条件之一。
参考文献
[1]贾否.动画运动[M].北京：清华大学出版社，2000.
[2]赵江洪.设计心理学[M].北京：北京理工大学出版社，2005.
【关键词】3ds Max 三维动画 场景设计
1 3D动画场景设计简述
动画场景设计是除角色以外一切对象的造型设计，是塑造角色，烘托气氛和影片风格的关键创作环节。三维动画场景设计主要是动画场景的概念上设计，包含场景的结构，渲染画面色彩，材质贴图纹理的变化，添加不同灯光调节出各种环境效果，如：白天、黑夜、季节等。一部动画采用什么样的场景设计风格，对整个动画最终风格有着决定性作用。
2 3D动画场景设计
3D动画场景设计是设计师以动画剧本为基础，编排和创造的蒙太奇空间。场景的设计需要具有质感，画面效果精细，给人一种身临其境的感受。还要有强烈的真实感和亲和力。在3ds Max软件中制作简单的动画场景，需要经过几个步骤才可以设计出。
2.1 场景建模
对于三维动画来说，三维的立体的物体是场景中不可缺少的元素，所以，首先必须建立三维模型。建立三维模型可以有两种方法：利用二维视图扩展和直接使用几何体。对于建筑类的场景模型或一个大的场景，要先有一定的规模和草稿图画，一般都是绘画出精确的二维视图，再经过修改器里面的一些挤出、车削等功能就可以制作出一个具有立体感的三维物体。3DS MAX中，图形、几何体和修改器是制作三维模型的基本工具。根据本小组所做的3D项目，项目场景中各模型的建模主要用到标准基本体，扩展基本体，复合对象，曲面等几何体工具。标准基本体包括长方体、球体、圆柱体等几何体，扩展基本体只要用到切角长方体和切角圆柱体，复合对象主要进行放样操作和布尔操作。制作建筑和一些方形家具的时候通常需要切角、倒角、挤出和将几何体转变为可编辑多边形从而对点线面操作。布尔运算可进行切割，放样操作和车削修改器等可将一些先转变成面或几何体。其中，修改器是建模最重要的功能，很多二维的视图还可以通过添加弯曲、扭曲等修改器来变化物体的形状和结合时间帧来变换变形。场景个体模型举例如图1、图2、图3所示。
每个场景是很多不同的景物组合成的一个空间环境，那些单个的模型就相当于场景的装饰品。场景建模过程中，先是分开把每一个模型建立好，然后再导入合并到同一个操作环境里，根据原有的剧本所需和设计师的设计，再对其进行位置移动和旋转，将其摆设好位置，设置出动画所主要的场景。小组所做的3D项目里，主要布置的场景就是客厅和厨房。初步的场景模型线框图如图4所示。
2.2 场景加材质及灯光
在制作场景时，素材、材质贴图与灯光对整个场景的效果至关重要，会直接影响到整个动画的视觉效果。这也是一个相当复杂的制作，需要很仔细的调整，需要对参数具有一定的了解和熟悉。在材质与灯光的照射角度和灯光的距离渲染下，物体会显示不同的效果，从而渲染出不同的场景氛围，为动画增添生动。
2.2.1 材质类型和属性
在3DS MAX里面建立出来的物体只是一个没有外表的模型，没有灵魂，要是模型生动真实，就得附上材质。材质也有不同的类型和属性，根据不同的需求，对模型附上不同的材质，经过参数调整可以得到不同效果的物体。
（1）类型：
a. 多维子材质。可以使材质拥有多个子材质组成，需要对物体进行材质ID号设置，对不同的面赋予材质。比如一本书，未打开的书是六个面的，不同的面就是不同的图案，所以需要设置ID号，针对各个面附上不同的材质。
b. 双面型材质。给同一个表面的正反方向分别赋予材质。大厅里面的全家福相框可以使用双面材质进行贴图。
c. 光线追踪材质类型。光线追踪类型材质可以制作半透明物品、金属和玻璃。小组所做的3D动画项目里，里面的门，窗户是使用调节漫反色和反射中添加光线跟踪制作出的玻璃材质。客厅上的茶几腿和餐桌椅的腿是金属材质。
（2）属性。材质有很多属性，它们的参数不同，对材质的效果都不同。下面是一些常用属性的举例：
a. Diffuse：漫反色，物体的主要色彩。
b. Specular：高光色，物体全反色的色彩。
c. Ambient：环境色。物体受到外部环境影响时所发出的的色彩，一般情况下没有任何效果。
d. Specular Level：高光强度。一般金属，陶瓷等比较坚硬和光滑的物体都有比较的高光。而墙体、布料等材质的高光比较弱。
2.2.2 灯光类型
灯光有光度学，标准和VRAY三种大类型。下面针对标准类型灯光举例说明里面的各个小类型灯光。
（1）目标式聚光灯。目标式聚光灯有起始点和目标点，起点表明灯光所在的位置，目标点指向需要照明的物体。一般用来模拟手电筒、灯罩等台灯、追光灯和窗外投入的光线等照明效果。
（2）自由式聚光灯。自由式聚光灯没有目标物体，它靠自身的旋转来照亮空间或物体，其它参数都与目标式聚光灯相同。通常可以模拟矿工头盔上的顶灯，随着走动，灯光就跟着移动，即依靠物体运动带动它的运动。通常可以连接到摄像机上来始终照明摄像机视野中的物体（如漫游动画）。
（3）目标式平行光。与目标式聚光灯一样，有起始点和目标点，起始点代表灯光的位置，目标点指向所需照亮物体。不过，平行光中的光线是平行的，可以模拟日光。
（4）自由式平行光。用于漫游动画或连接到其它物体上，通过移动或旋转来调整灯光的位置来调整证明方向。
（5）泛光灯。泛光灯向四面八方投射光线，属于点状光源。泛光灯不擅长突出主题，通常作为补光来模拟光的漫反射效果。
（6）天光。天光是模拟天空光来照明环境。
2.3 动画场景加材质灯光展示
物体的材质就好比人的衣服，是本体的衬托。材质一般都是利用一些已有的图像，或直接饮用，或分解合成，然后附加给对象。其中添加材质中也有很多参数，如漫反色的调节，材质的反射，感光度，凹凸，不透明度等，这些参数都对材质的效果有很大的影响。
《虚拟消防安全宣教动画设计与实现》这个3D动画项目里，在对场景物体添加材质贴图和灯光时都运用各种材质类型方式和各种灯光来设置动画所需的场景视觉效果。为了符合场景需求，在大厅里设有电视机，摆放灭火器和抹布等工具。经过添加材质灯光和调整各种参数，动画里所需要的场景效果基本完成，效果如图5、图6所示。
3 结束语
多边形建模和放样建模以及样条线编辑建模是常用的建模手段，复杂的模型也离不开这几种模型方式。熟悉这些模型创建方法之后，在设计场景是将会有更多方法的选择余地。3D动画里的场景就是要结合真实世界中的景物，给人真实的感觉，让观看的人觉得这是个三维空间。如果是逼真的场景，就需要非常精细的模型设计和材质灯光的调节，来到达现实的视觉效果。场景不但是衬托主题、展现内容不可缺少的要素，更是营造气氛、增强动画的艺术效果和感染力、吸引观众眼球的有效手段。
参考文献
[1]谭雪松，李如超等.3ds Max 2010中文版基础教程[M].北京：人民邮电出版社，2010（08）.
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[3]曹金明，刘军.动画场景设计[M].北京：科学出版社，2006.
一、整合表现要素对三维动画设计的视觉效果
一部完美的三维动画作品是一项复杂的系统工程，动画的场景设计需要的不仅仅是绘景，同样为三维动画设计而服务，并且将故事情节有效的展现出来，从而完成戏剧漫画的冲突。同时还会对人物性格动作造型进行有效的刻画。设计者不仅要投入到动画场景设计实践过程中，而且还要努力去克服技术上的难题，同时还要对其理论进行全面的研究，尤其是探讨造型设计形式、空间的设计形式以及色彩设计形式。在对三维动画进行设计时，要加入人性化关怀，只有这样才能更好的吸引观众的兴趣，满足观众的要求。其一，促使镜头的表现力得以提高。三维动画最开始主要应用于科技领域，并且其最大的用途还是对真实情况的仿真，目前三维动画更多的应用于艺术领域，特别是影视行业，并且已经出现了很多优秀的作用，创造了巨大的经济财富。在三维动画中，摄影机一般是虚拟的，它能够顺利实现现实电影中摄影机所不能完成的工作，并且获得比较生动的图画。以前，很难拍摄到极近镜头或者长距离的鸟瞰镜头，但是现在利用三维虚拟摄影机都能够轻松的完成。其二，提高角色运动与空间的表现力。在进行三维动画设计时，虚拟的立体空间就是我们一直追求的空间效果，角色在其中可以实现任何方式以及任意角度的运动，除了三维软件自身所具备的动力学系统外，还可以顺利的实现与动捕仪相配合起来，最终带给观众一种逼真的、激烈的视觉运动画面。
二、三维动画设计中的视觉形式的构成规律
计算机三维动画的视觉设计主要是利用造型的手段来进行传达信息。视觉上的美感是视觉语言的一大特征。与普通的语言相比较，视觉语言具有明显的区别。视觉语言本身具有独特的规律，只有遵循这些规律才可以将视觉语言的表现优势发挥出来。
（一）对称
美学形式的原理之一就是指对称。自然界中的叶子、花瓣以及鱼鳞的排列中都可以遇到线、面对称的多种多样规律性。在建筑物上，对称也是非常重要的。然而在绘画中也会将对称作为艺术表现组成的因素而出现，比如达芬奇的《最后的晚餐》其实就是一个对称构图的范例，对称给人一种安定、严肃的感觉。在古典主义作品中，对称成为构成艺术形式的最重要的规则。
（二）比例与分割
比率其实比例或者相互分割的意思。在希腊罗马时代，比例几乎与对称做间义语而使用。希腊语中“类似”的意思应该是“依照比例”。其中所说的比例或者相互分割是指长度。比如：美丽的人体具有某一种比例。比例成为美学史上最早提出的法则之一。在文艺复兴时期，比例美成了神圣的法则。达芬奇认为美是完全建立在各部分之间的神圣比例关系上，这实际是说比例法是美感的基础。在古希腊的雕塑中也经常可以看到这种黄金分割的比例。达芬奇的代表作《蒙娜丽莎》就是按照黄金分割的比例来构图的，现代画家也将黄金分割的比例运用到他们的创作构图中。在创作构图中，恰当的运用比例原理是非常有意义的，但是仅仅具备严密的数理逻辑性的绘画并不一定是佳作。如果不考虑到内容，过于追求化，这就会影响到创造性的发挥。
（三）节奏与韵律
节奏是一个有秩序的过程，其可以提供着可靠的步调以及格局。如果构建起了节奏，我们就能够预见到它的连续性。通过保持节奏，可以感受到其中的愉悦。节奏是一种有次序和有规律的变化，其中可以被理解为在形式结构上所形成的视觉效果。秩序规律的模式影响着造型的节奏。人的每一个活动都与某种节奏形式有着非常密切的联系。走路的步态、双膀的摆动都有明显的节奏，不同年龄的人、不同性别的人，其走起路来的节奏也是不相同的。节奏一词本有规律地重复出现的意思。比如：在音乐中曾经被定义为“相互连接的音所经实践的秩序”。对于音乐而言，节奏是非常重要的一个因素。在不具备时间要素的创造作品中，有不少情况都会将节奏作为反复的形态以及构造，比如连续的线等。虽然有时候是静止的作品，观察的视线应该要追求其中所说的线、形与形态要素之间的排列。节奏是一种较为特殊的表现手段，有时候具有直接描绘意义，并且节奏在某种艺术中起着非常重要的作用。如：节奏的视觉、重复形成的节奏、交替形成的节奏以及渐变形成的节奏，所以要合理的控制好节奏。
三、结语
在骨架提取方面，已经有很多自动生成骨架的方法。①②③Baran等的Pinocchio系统创造性地提出了骨架嵌入的方法。在自动角色动画方面，骨架嵌入比骨架提取要好的原因是对于复杂骨架的角色，骨架提取可能会产生不同的拓扑结构，这就让使用者很难将原来有的骨架运动数据运用到其中来。虽然可以通过附属肢体模板来鉴别复杂的附属肢体，但是由于拓扑结构的复杂性，自动生成时也会产生各种不同的误差。骨架嵌入相对于骨架提取的另一个优势就是它能够在骨架中定义角色所需要的很多的结构信息，这是在提取的纯几何骨架图中难以得到的。
几乎所有的网格变形技术，无论是基于表面的还是基于体积的，都可以用来作为基于骨架运动动画中的对表面进行蒙皮。④⑤不幸的是，到目前为止，这些方法都不能实现实时的动画。Baran等的线性混合蒙皮（LBS）具有简单高效并且能够利用GPU进行运算，并可以根据骨架进行子空间变形等优点。虽然在质量上的不能够达到很好的效果，但是它仍然成为在实践应用中最常用的方法。所以我们的系统采用该方法。⑥
二、原型系统设计设计过程
对于输入的三维角色模型，我们首先嵌入骨架，然后通过定义骨骼运动对表面网格上每个顶点的变化的影响权值，将表面皮肤依附在骨骼上。对于不同的角色，我们建立不同的罚函数去惩罚那些我们不期望的骨架嵌入方式。基于样本用支持向量机的方法求得最大边缘解，然后对不同罚函数赋予不同的权值。用人工智能中A*启发式的方法在指数级的搜索空间里加速寻找最优的骨架嵌入方式。在蒙皮阶段用热扩散方程的方法去计算骨架运动时每一块骨骼对表面网格上顶点的影响权值。据骨架的变化情况，插值计算出骨架的“蒙皮”模型的各个顶点的位置变化。对于某个特定骨骼，“蒙皮”模型的顶点变换矩阵＝初始姿势的变换矩阵的逆×姿势变换后的矩阵。另外还要考虑到一个顶点可能受多个骨骼运动的共同影响。
1.骨架嵌入
由于骨架嵌入需要将骨架重新定义大小和定位使得它能够正确的嵌入到模型当中，所以它能公式化为一个优化的过程：计算关节点的位置和朝向使它能够更好的适合于给定的模型。但是这个优化是一个三维空间的问题，所以连续优化的方法是不可行的。因此可以建立一个用顶点表示潜在关节点，用边表示独立的骨骼的图来简化优化问题。建立这样一个图是具有一定挑战的，因为我们可以用未知数量的顶点和边来表示相同模型的关节和骨架。我们在近似模型垂直等分的平面上建立中轴面，并且建立圆心在中轴面上的圆的一个特定的集合，将这些图的圆心连接起来形成一个图。然后使用自定义的离散的罚函数来最优化的骨架嵌入这个图。为了帮助优化，在给定的骨架中可以包括一些关节点的额外的信息。比如说对称的部位应该以相同的名称命名，又比如如果一个关节被命名为脚，那么就表示它应该事在模型中位置最低的一个关节。由于定义的罚函数是独立于具体的模型的，所以并没有减弱它的通用性。
2.简化骨架
前面的步骤建立了几何图G=(V,E)来表示骨架，我们需要将它嵌入到我们给定的骨架当中。给定骨架原先是以有s个节点的树的形式给出(在一般人形的骨架上会取s=18)，但是如果这s个节点没有经过简化，嵌入的优化过程是很难处理的。因此我们需要一个简单的骨架，所以在嵌入骨架之前，需要将骨架简化。所有的自由度为2的关节都将被除去(比如说膝关节）,关节两端的骨骼块被连在一起。简化后的骨架将会只有r个连接点。那么骨架嵌入以后缺少某些必要关节的骨架怎么让角色动起来呢？我们根据未简化骨架上关节在整条边上的比例，重新计算出该关节在简化骨架上的位置，然后插入到骨架中。在我们的系统中，简化的骨架中r＝7。简化后的结果就是我们可以将简化的骨架嵌入到系统中以最小化罚函数惩罚的对象。否则这样的工作是很难实现的。
3.离散的嵌入骨架和优化
一般不可能计算离散的嵌入方式时使罚函数最小，因为嵌入的数量是指数级的。但是可以用类似分支定界的方法在问题的解空间树T上搜索问题解。我们使用这样一种方法：首先根据部分嵌入的下界估计保存优先级队列。然后在每一步，取出在队列中最好的部分嵌入，将它展开，与下一个关节进行计算，然后将结果保存在队列中。所以，第一个被完整展开的嵌入就是最好的嵌入。为了加速算法并且尽可能少的占用内存，如果部分嵌入有一个很高的下界，那么它将被立即拒绝并不在嵌入到队列中。虽然这种算法在最坏的情况下依然是指数级的，但是在我们测试实际情况它都是很快的。
在骨架嵌入前将骨架进行了简化，省略了很多的关节，比如说膝关节，但简单骨架嵌入以后，要让角色真正的动起来，还是需要重新插入这些关节。在这里可以通过按比列分割骨架图中路径最短的边来得到。我们希望嵌入后的骨架能够很好的满足角色的形态比列，但是，有时候骨架并不能很好的适应我们的角色。同时，一些小的被忽略的骨骼块并没有被赋予正确的朝向。骨架优化的过程就是为了解决这些问题的提出的。
4.蒙皮
我们的角色和嵌入的骨架在将皮肤依附到骨架上之前是没有任何关联的。骨架并不能够驱动角色运动。因此我们需要指定骨架运动与角色表面网格变化之间的联系。虽然在这里我们可以用很多的网格编辑技术来进行网格变形，但是我们选择标准的LBS方法：假设表示网格顶点j的坐标，表示第i块骨骼的变形矩阵，表示第i块骨骼对第j个网格顶点的变形权值。LBS把j变形后的位置表示为。我们的目标就是找到每一块骨骼变化对所有顶点的影响权值。我们所期望权值有以下几个特性：首先它应该与网格的大小无关，其次权值的变化应该平滑，最后关节间两块骨骼的移动宽度必须与关节到表面网格的距离成一定的比例。即使有一个方案能够得到权值使得骨骼能够满足这些特性，但是它们很可能失败因为他们忽略了角色的的几何学特性。作为代替，我们用热平衡原理来寻找权值。假设我们把角色的体积认为是一个不占容积的热导体，然后我们强迫骨骼i的温度为1，而其他骨骼的温度为0。当热平衡以后，我们就可以把表面上每个顶点的温度值作为该骨骼对它影响的权值。
三、实验结果
盼盼动画系统设计时主要依照三个标准：①广泛性。适应于尽可能多的模型。对一些结构比较特殊，或者会产生歧义的模型能够尽可能的正确嵌入骨架。②质量。关键在于蒙皮的技术，让表面皮肤能根据骨架运动驱动正确的位和形变，以期与视频游戏中的模型相媲美。③性能。运行在大多数的家用计算机上。在盼盼动画系统里对采用的模型进行了一些简单的限制：模型必须是全封闭的，并且是以最自然的姿势站立，这样能大幅度的提高骨架嵌入的准确性。当然模型需要是一个有四肢能被嵌入人体骨架的。
图3为盼盼三维角色动画系统的一张截图画面。系统主要包括模型选取、BVH运动数据选取、运行、视图操作、工具条等功能。该系统的运行环境为英特尔酷睿双核CPU，主频为1.73Mhz，内存为1GB。因为盼盼动画系统是单线程的，所以双核的CPU几乎没有什么影响。测试发现，计算的主要消耗花费在分离过程中距离场的计算上。
4、展望
虽然盼盼动画系统在人体动画领域取得了一定的进展，但是它依然存在着不足，限制着它的应用范围。在技术方面，建立骨架图的时候可以用椭圆来建立初始骨架图。在应用方面，首先它的蒙皮质量在某些地方还可以改进，可以通过在骨架上自动蒙皮的技术来提高质量；其次，它的骨架中的关节与一般人体的关节有出入，不能由一般人体骨架运动的数据来驱动，这样就不能很好地利用网络上大量的表现复杂运动的运动数据。另外，盼盼动画系统依然不能够表现手部动画、脸部动画这些需要细节的动作。如果能在后期中加入这些方面的应用，一定能够得到更为广泛的应用，并且大大减少人体动画开发的整个周期。
注释
①LiuP,WuF,MaW,LiangR,OuhyoungM,“Automaticanimationskeletonusingrepulsiveforcefield”,Proc.ofPacificGraphics’2003,pp.309-413.
②TeichmannM,TellerS.“Assistedarticulationofclosedpolygonalmodels.”Proc.ofComputerAnimationandSimulation’98,pp.87-102.
③KatzS,TalA,“Hierarchicalmeshdecompositionusingfuzzyclusteringandcuts”,ACMTransactionsonGraphics,2003,22(3):954-961.
④WadeL.Automatedgenerationofcontrolskeletonsforuseinanimation.PhDthesis,TheOhioStateUniversity,2000.
⑤BaranI,Popovi?J,“Automaticriggingandanimationof3Dcharacters”,ACMTransactionsonGraphics,2007,26(3):72.
⑥KryP,JamesD,PaiD,“EigenSkin:Realtimelargedeformationcharacterskinninginhardware”,Proc.ofSymposiumonComputerAnimation(SCA)’2003,pp.153-160.
关键词：二维动画场景 三维动画 构图 光影 渲染
中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（b）-0026-01
二维动画场景设计是根据剧本需要，设计除角色以外所有可视空间，包括动画中所有场景构成要素的具体造型、色彩、光影等，它决定了作品的美术风格和艺术格调，对一部动画作品成败起着至关重要的作用。这就需要二维动画场景设计师具备良好的美术功底、敏锐的色彩感、精准的空间立体感，才能够胜任此项工作。其中最难突破的技术就是合理的构图、精准的多点透视、写实的光影等问题。为帮助二维动画场景设计师解决上述问题，提高工作效率，笔者引入三维动画技术辅助二维动画场景设计。
1 运用三维摄像机辅助二维动画场景构图
动画场景构图不同于其他艺术形式的构图，它更具有时间性和运动性，它的构图不能只以一个镜头画面为单位，应以具体有完整表情达意的场或段落为单位，初学者往往需要反复多次修改才能达到多个动态场景较好的连贯性。而逼真、写实的画面还需要注意场景的透视关系，按基本透视类型来看，初学者往往难以准确把握三点透视中物体随着距离的变化所产生形状、体积、模糊等变化的现象。运用三维动画中的摄像机可以方便快捷的定位及修改构图，并能够实现多个场景构图的连续测试，也可以轻松的制作出高难度的广角、长焦、鱼眼等镜头。以三维动画软件Maya为例，制作方法如下。
根据二维动画场景的需要，运用三维动画软件中简单几何体，模拟构建二维动画场景；Create＼Cameras根据镜头需要，为场景创建静态或动态摄像机Camera1；选择摄像机Camera1，视图菜单Panels＼Perspect
ive＼Camera1，进入摄像机Camera1视角观看视图；视图菜单View＼Camera Attribute Editor，打开摄像机Camera1属性窗口；Display Options＼Display resolution＼Display safe action＼Display safe title打开渲染分辨率安全框、内容安全框及字幕安全框，调整摄像机位置、角度确定渲染构图；Environment＼ Background Color对摄像机渲染背景颜色或贴图进行设置；Camera Attributes＼Focal Length为摄像机进行焦距设置，当参数在50 mm左右则会呈现标准镜头，当参数在100 mm及以上则会呈现长焦镜头，当参数在28 mm以下就会明显地呈现出广角镜头，如数值继续减小则会呈现鱼眼镜头；Depth Of Field＼Depth Of Field为摄像机开启景深功能，可以用来模拟透视中模糊消失的现象，Focus Distance、F Stop分别用来控制景深的距离和清晰范围，用以调整合适的景深效果；如需制作动态构图效果，可以通过摄像机移动、旋转等属性为其制作关键帧动画。
2 运用三维线框渲染技术辅助二维动画场景描线
运用三维摄像机技术对二维场景合理构图后，需要将其输出为更便于二维动画场景设计师绘制的参考图片，运用三维动画软件中的Maya Vector矢量渲染器，可以将三维模型直接以线框形式输出成图片，二维动画场景设计师则可以在图片的基础上进行描绘，丰富画面。以三维动画软件Maya为例，制作方法如下。
Window＼Settings/Preferencse＼Plug-in Manager＼VectorRender.mll开启矢量渲染器；运用摄像机Camera1进入其属性；Environment＼Background Color将摄像机渲染背景颜色修改为白色；开启渲染设置窗口，切换到Maya Vector矢量渲染器设置；Edge Options＼Include edges开启线框渲染模式；Edge weight preset、Edge weight对渲染线条宽度进行设置；Edge style＼Entire Mesh、Outlines对结构线或边框线进行选择；Edge color对线条颜色进行设置；Hidden edges对透视效果进行设置；渲染输出图片。
3 运用三维灯光渲染技术辅助二维动画场景真实光影表现
在二维动画场景设计中，大多数画面没有明确的光源信息，场景设计师很难直观地感受到光源的位置、强弱等信息，也就很难对光源所产生的阴影进行准确的表现。三维灯光渲染技术可以很好的模拟真实光影效果，制作的光影既准确又逼真。以三维动画软件Maya为例，制作方法如下。
场景灯光对比较弱时，可以采用OCC渲染技术。新建渲染图层，将渲染模型添加到图层当中；打开图层属性面板，Presets＼O
cclusion；选择渲染图层，渲染输出图片。
场景灯光对比较强时，可以采用为主光灯添加阴影的方法。打开主光灯属性面板，Shadows/Use Depth Map Shadows使用深度贴图阴影；Resolution调节贴图尺寸，Filter Size调节阴影羽化程度，Shadow Color调节阴影颜色。或使用更为逼真的光线追踪阴影Raytrace Shadow Attributes＼
Use Ray Trace Shadows，调节Light Angle阴影羽化程度，调节Shadow Rays减少颗粒效果，Ray Depth Limit调节光线深度界限；渲染设置面板中，打开Raytracing光线追踪渲染，渲染输出图片。
随着动画技术的不断更新突破，相信三维动画与二维动画这种相辅相成的技术会更加多元化，动画工作人员也会利用这些技术更好的服务于各个领域。
参考文献
[1] 李扬，沈菊.动画场景设计[M].南京大学出版社.
