Maya场景建模技术在泥偶动画立体造型设计中的应用
李艳妮
摘 要： 利用Maya软件对泥偶动画立体造型设计中如何应用场景建模技术进行研究。主要对Maya软件三维动画制作流程进行分析，以动画短片中的卡通角色为例，详细分析卡通角色建模、贴图、骨骼、材质等的实现过程，对实现过程中易出现问题的原因进行分析，同时提出了相应的解决方法。使用Mental Ray技术，实现几何复杂物体的简单替换，通过减少多边形面数提高渲染速度，实现渲染优化。最后根据传统手工动画的实现效果及Maya软件对角色控制过程与交互实现动画方面进行优劣对比，通过Maya软件可实现符合动力学规律的动画，设置好相关参数可获得良好的动画效果。
关键词： Maya； 建模技术； 立体造型； 渲染
中图分类号： TN02?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0135?03
Application of Maya scene modeling technology in three?dimensional
modeling design of clay doll animation
LI Yanni
（Yulin University， Yulin 719000， China）
Abstract： The Maya software is used to study how to use the scene modeling technology in the three?dimensional modeling design of the clay doll animation. The production process of 3D animation is analyzed with Maya software. Taking the cartoon characters in animated short film as an example， the realization process of cartoon character modeling， chartlet， skeleton and material is analyzed in detail. The reason prone to occur the problem in implementation process is analyzed， and its corresponding solving method is put forward. The Mental Ray technology is used to replace the geometric complex object simply. The facet quantity of polygon is reduced to improve the rendering speed， and realize the rendering optimization. The merits of character control process and interactive animation realization with Maya software are compared with the realization effect of traditional manual animation. The animation conforming to kinetics law can be realized with Maya software. The relevant parameters are set to acquire good animation effect.
Keywords： Maya； modeling technology； three?dimensional modeling； rendering
0 引 言
制作三维动画片的基础是场景建模，动画角色通常由泥偶、混合材料、木偶来演出[1]。目前，动画制作技术发展越来越快，更多市场份额被三维动画所占据。三维动画具有非常强的感染力，给人一种身临其境的感觉。美国Autodesk公司开发了一款三维动画制作软件Maya，Maya软件在游戏制作、动漫设计、影视动画等领域应用非常广泛，Maya软件具有操作简单、涉及范围广、功能强大等优点，在三维动画制作中，Maya属于首选工具[2]。
三维动画片制作效果与效率由Maya场景建模的好壞来决定[3?5]。目前Maya场景建模主要包括多边形建模及NURBS建模，如何对场景制作流程进行优化，实现场景高效建模是当前比较关注的问题[6]。本文利用Maya软件对泥偶动画立体造型设计中如何应用场景建模技术进行研究。
1 Maya场景的立体建模技术
建模过程实质就是制作模型，也就是利用软件将二维角色经过转化形成三维模型的过程。Maya提供的建模工具包括SUBDIV，NURBS及Polygon。在制作模型时，目前主要采用SUBDIV。在动态制作时大多使用SUBDIV，其渲染优势具有NURBS的圆滑及Polygon的简便。
1.1 建模工具
因要做动画，因此角色模型采用SUBDIV工具完成制作，但SUBDIV工具要求机器具有较高的配置。在Polygon模式下减少或增加面数影响不大，在SUBDIV中进行相关操作，速度会受到影响，因SUBDIV需要的线程较少，对于细分的子层级，权重无法进入。建模时，为刻意减少面数，需要将大量布线去掉，但会造成响应延迟[7]。因而在机器配置承受能力方面，角色设计必须遵循简洁原则，同时制作工具选用Ploygon多边形工具。
1.2 建模中的角色布线
布线是建模中的关键环节，因为空间就是由点、线、面构成的，布线在三维模型中对支撑物体起着非常重要的作用。进行角色布线时，尽量使用四边形，由于三角形比较稳定，会造成不易拉伸，因此要避免三角形、五边形等多边形面出现。假设在脸部出现三角形，在展现表情，脸部肌肉需要扩张时，会有阻力出现[8]。在贴图时，长方形及正方形贴图与四边形四个顶点正好对应，因而五边形也不宜使用。布线过程需要分配合理，在进行嘴角、眼角的分配时，出现四个五边共点即可，图1为头部布线的分配。
1.3 角色模型分析
在进行人体建模时，通常先采用NURBS或Polygon进行制作，在接近收尾时，使用SUBDIV进行制作。头部建模使用的方法包括两种：一是从侧脸轮廓进行勾勒；二是先从眼睛开始，然后逐步拉伸到表面。本文研究在进行人脸部建模时，从球体开始，从整体对模型结构进行控制，以整体到局部的方式完成，图2为脸部效果实现图。
1.4 UV坐标分布的合理分配
角色外观形状只是角色的一部分，质感和颜色才能带给观众极大冲击。若要角色非常完美，则需要给角色贴图和上色。通过一个虚拟的 UV平面，实现多边形及纹理的一一对应，操作实质就是给一个多边形添加纹理，并将其在三维模型分布上进行展现，因而需要对三维模型UV坐标分布进行合理分配。要使模型具有清晰的纹理，建立的纹理贴图与多边形对象关系必须正确，当角色运动时，其身上的颜色会非常丰富。
UV操作原则包括五点：一是尽量避免UV互相重叠；二是UV尽量保持模型网络原有面积比；三是充分利用UV纹理空间，UV接缝尽量减少，UV面块划分尽量少；四是在视觉、摄像机注意不到的地方要安排接缝；五是在动画片中，贴图尺寸由物体出现的具体要求决定。
1.5 骨骼系统及绑定过程
生物的形体是由骨骼支撑的，骨骼是保护生物的重要器官，骨骼具有保护性结构，能使生物正常运动。Maya提供一种工具给骨骼系统，这就可能实现角色的运动。皮肤实质就是物体的模型，观众看到的是皮肤在变化，无法看到内部骨骼。绑定过程就是皮肤及骨骼间建立基本关联的过程。目前自动绑定还无法通过计算机实现，通常是通过手动完成。
以蘑菇为例，完成蘑菇的皮肤绑定、骨骼设定、表情设定、权重绘画等。在身体主躯干建立后，创建骨骼，同时完成建立8节蘑菇骨骼的操作。通过添加控制圈控制身体及头的自由弯曲。从上到下分别添加5个圆环，对头部、脸部、脖子、腰身、肚子进行控制，并建立控制蘑菇面部表情的系統，同时建立圆环，变圆环形状通过对移动点的控制实现。最后绑定身体与骨骼，从而完成骨骼绑定，通过各控制圈的移动，实现蘑菇相应部分的变动，图3为平滑绑定的蘑菇。
1.6 动作变化
动画实质就是物体状态随时间而发生变化，包括自然界如汽车运行等无生命物体的位移以及如鸟飞翔等有生命物体的变化，同时也包括如物体颜色及面积等属性的变化。Maya动画具有非常完整的解决方案，包括非线性动画、关键帧及路径、动力学、表达式动画、驱动关键帧等工具。这对动画工作效率的提高非常明显。
1.7 灯光变化
照亮动画场景是三维动画中对灯光最基本的要求，场景照明工作在表面看比较容易，只要场景里面有灯光出现，完成场景渲染即可，但实际情况却不是这样的，景深是光通过阴影形成的，构成灯光及外形是通过引进颜色进行区分的。具体灯光要对现实光影仔细观察，具备关于光的相关物理知识才能实现光设置的顺序化。
2 建模技术的关键问题
2.1 建模中的连接线处理
采用曲线构建动画角色的头发，头发模型线纵向方向通过放样工具进行。渲染时因接线处位于角色头部后面，造成角色背后头部总有一条线，影响视觉效果。通过对头部多个不同位置横向曲线的创建，从上向下逐个选中后，通过放样工具实现横向放样，使得连接线消失，图4为连接线处理前后对比。
2.2 建模中的眼球处理
绑定好面部表情，在动画角色中，眼球外露现象会出现，图 5为眼球处理前后对比图，动画角色眼部进行蒙皮时，因先与眼部骨骼蒙皮，然后绑定眼部控制器，则角色眼球受双重控制，同时受到表情控制与眼部骨骼控制，这就导致眼部控制器对眼球控制能力丧失，造成失控状态出现，导致眼睛不随角色而运动。可采取将控制顺序改变的措施，先选中眼球，取消骨骼对眼球的蒙皮，对眼部控制器进行重新制定，控制角色眼球，实现眼球正常运动。另外一个原因是角色眼球位置的不合理摆放造成眼皮与眼球分离，引起穿帮，可采用解除角色面部控制程序，面部表情不再控制眼球，重新对正角色眼球位置，实现角色头部和眼球旋转时，眼皮与眼睛不分离，最后将眼球绑定面部表情。第三种可能是角色面部模型处于光滑状态，但眼球模型处于基础状态，因眼球与眼皮相距较近，引起眼球与眼睛分离，可采取在角色面部模型选择后使其恢复到基础状态，然后再对其眼球模型进行选择，进而光滑处理。
3 建模中的渲染优化
在三维动画制作流程中，其中两个比较重要的部分就是渲染及灯光：一是与其他环节相比，这两个部分占据的地位十分重要，比如PIXAR公司电影片头形象代表跳跳灯，灯光效果重要性可很好地被反映出来；二是根据耗时程度，在三维动画制作过程中，比较耗时的流程就是渲染，计算机的性能决定了这两个流程的时间耗费。通常使用分层法进行渲染优化，就是将动画场景进行划分，形成动画前景、动画中景、动画后景，在动画后期进行合成。
在Mental Ray中，Geometry是指含有三个或多个顶点的物体，几何着色器Mental Ray渲染技术提供给用户Geometry Shader解决方案，其使用C语言完成编写，可很简单实现几何替换效果。在局部对较大场景进行预览时，采用 Geometry Shader技术可将复杂几何体替换为简单几何体，实现渲染速度的提高。图6为小女孩和盒子的渲染前后对比图，由图6可知，使用几何替换技术渲染后，小女孩外观和盒子完全相同。因此在渲染时可用简单代替复杂，也可用复杂代替简单。比如街道的车辆、花草、电线杆等全部可用盒子替代。在一个中等街景，通过少于100个面的盒子可完成20万个面树的渲染，从而使得后续工作效率得到提高。
4 建模的立体造型实现效率分析
通过使用MEL语言与Maya软件可大量节约实现过程及动画设计的时间，动画形成工作强度得到降低，工作效率得到提高。
4.1 交互动画的实现
在交互实现动画时，传统手工依赖于动画设计者的直觉感官，根据感觉才能调整出好的动画。实际物体的运动十分复杂，因而在交互实现动画时，传统手工方式难度极大。借助MEL语言，使用Maya软件，实现交互动画技术，设计及实现过程不考虑真实物体如惯性、质量及弹性等属性，将物体运动很逼真地模拟出来。
4.2 动画角色运动过程的控制
通过控制动画角色运动过程，可将物体运动很逼真地模拟出来，传统的三维动画软件手工控制动画角色运动时，设计师通常很难准确对物体运动进行控制，难以对物体真实运动规律进行展示。使用Maya软件可实现符合动力学规律的动画，省去繁琐关键帧动画，只需将相关参数设置好就可获得良好的动画效果。
5 结 语
本文利用Maya软件对泥偶动画立体造型设计中如何应用场景建模技术进行研究。
根据传统手工动画的实现效果及Maya软件对角色控制过程与交互实现动画方面进行优劣对比，通过Maya软件可实现符合动力学规律的动画，设置好相关参数可获得良好的动画效果。
参考文献
[1] 米高峰，周红亚，别倩倩.泥偶定格动画的制作工艺流程[J].陕西科技大学学报，2008，26（3）：167?172.
[2] 郭法宝.Maya场景建模流程研究[J].戏剧之家，2014（4）：218.
[3] 翟文彬.Maya动画的应用领域和制作流程[J].电脑知识与技术，2013，9（15）：3630?3632.
[4] 陈鹏.在Maya中实现非真实性渲染的方法探讨[J].蚌埠学院学报，2014，3（4）：42?47.
[5] 杨鲁.基于Maya的三维建模在虚拟现实技术中的应用[J].电脑知识与技术，2015，11（28）：189?191.
[6] 王世运，刘洪博.刍议Maya角色建模关键技术的应用[J].电子技术与软件工程，2017（7）：89?90.
[7] 赖传可.基于Maya的人物面部表情设计[J].科技广场，2014（7）：43?47.
[8] 马松.Maya技术创作数码动画的研究[J].数字技术与应用，2015（8）：113.
摘 要： 利用Maya软件对泥偶动画立体造型设计中如何应用场景建模技术进行研究。主要对Maya软件三维动画制作流程进行分析，以动画短片中的卡通角色为例，详细分析卡通角色建模、贴图、骨骼、材质等的实现过程，对实现过程中易出现问题的原因进行分析，同时提出了相应的解决方法。使用Mental Ray技术，实现几何复杂物体的简单替换，通过减少多边形面数提高渲染速度，实现渲染优化。最后根据传统手工动画的实现效果及Maya软件对角色控制过程与交互实现动画方面进行优劣对比，通过Maya软件可实现符合动力学规律的动画，设置好相关参数可获得良好的动画效果。
关键词： Maya； 建模技术； 立体造型； 渲染
中图分类号： TN02?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0135?03
Application of Maya scene modeling technology in three?dimensional
modeling design of clay doll animation
LI Yanni
（Yulin University， Yulin 719000， China）
Abstract： The Maya software is used to study how to use the scene modeling technology in the three?dimensional modeling design of the clay doll animation. The production process of 3D animation is analyzed with Maya software. Taking the cartoon characters in animated short film as an example， the realization process of cartoon character modeling， chartlet， skeleton and material is analyzed in detail. The reason prone to occur the problem in implementation process is analyzed， and its corresponding solving method is put forward. The Mental Ray technology is used to replace the geometric complex object simply. The facet quantity of polygon is reduced to improve the rendering speed， and realize the rendering optimization. The merits of character control process and interactive animation realization with Maya software are compared with the realization effect of traditional manual animation. The animation conforming to kinetics law can be realized with Maya software. The relevant parameters are set to acquire good animation effect.
Keywords： Maya； modeling technology； three?dimensional modeling； rendering
0 引 言
制作三维动画片的基础是场景建模，动画角色通常由泥偶、混合材料、木偶来演出[1]。目前，动画制作技术发展越来越快，更多市场份额被三维动画所占据。三维动画具有非常强的感染力，给人一种身临其境的感觉。美国Autodesk公司开发了一款三维动画制作软件Maya，Maya软件在游戏制作、动漫设计、影视动画等领域应用非常广泛，Maya软件具有操作简单、涉及范围广、功能强大等优点，在三维动画制作中，Maya属于首选工具[2]。
三维动画片制作效果与效率由Maya场景建模的好壞来决定[3?5]。目前Maya场景建模主要包括多边形建模及NURBS建模，如何对场景制作流程进行优化，实现场景高效建模是当前比较关注的问题[6]。本文利用Maya软件对泥偶动画立体造型设计中如何应用场景建模技术进行研究。
1 Maya场景的立体建模技术
建模过程实质就是制作模型，也就是利用软件将二维角色经过转化形成三维模型的过程。Maya提供的建模工具包括SUBDIV，NURBS及Polygon。在制作模型时，目前主要采用SUBDIV。在动态制作时大多使用SUBDIV，其渲染优势具有NURBS的圆滑及Polygon的简便。
1.1 建模工具
因要做动画，因此角色模型采用SUBDIV工具完成制作，但SUBDIV工具要求机器具有较高的配置。在Polygon模式下减少或增加面数影响不大，在SUBDIV中进行相关操作，速度会受到影响，因SUBDIV需要的线程较少，对于细分的子层级，权重无法进入。建模时，为刻意减少面数，需要将大量布线去掉，但会造成响应延迟[7]。因而在机器配置承受能力方面，角色设计必须遵循简洁原则，同时制作工具选用Ploygon多边形工具。
1.2 建模中的角色布线
布线是建模中的关键环节，因为空间就是由点、线、面构成的，布线在三维模型中对支撑物体起着非常重要的作用。进行角色布线时，尽量使用四边形，由于三角形比较稳定，会造成不易拉伸，因此要避免三角形、五边形等多边形面出现。假设在脸部出现三角形，在展现表情，脸部肌肉需要扩张时，会有阻力出现[8]。在贴图时，长方形及正方形贴图与四边形四个顶点正好对应，因而五边形也不宜使用。布线过程需要分配合理，在进行嘴角、眼角的分配时，出现四个五边共点即可，图1为头部布线的分配。
1.3 角色模型分析
在进行人体建模时，通常先采用NURBS或Polygon进行制作，在接近收尾时，使用SUBDIV进行制作。头部建模使用的方法包括两种：一是从侧脸轮廓进行勾勒；二是先从眼睛开始，然后逐步拉伸到表面。本文研究在进行人脸部建模时，从球体开始，从整体对模型结构进行控制，以整体到局部的方式完成，图2为脸部效果实现图。
1.4 UV坐标分布的合理分配
角色外观形状只是角色的一部分，质感和颜色才能带给观众极大冲击。若要角色非常完美，则需要给角色贴图和上色。通过一个虚拟的 UV平面，实现多边形及纹理的一一对应，操作实质就是给一个多边形添加纹理，并将其在三维模型分布上进行展现，因而需要对三维模型UV坐标分布进行合理分配。要使模型具有清晰的纹理，建立的纹理贴图与多边形对象关系必须正确，当角色运动时，其身上的颜色会非常丰富。
UV操作原则包括五点：一是尽量避免UV互相重叠；二是UV尽量保持模型网络原有面积比；三是充分利用UV纹理空间，UV接缝尽量减少，UV面块划分尽量少；四是在视觉、摄像机注意不到的地方要安排接缝；五是在动画片中，贴图尺寸由物体出现的具体要求决定。
1.5 骨骼系统及绑定过程
生物的形体是由骨骼支撑的，骨骼是保护生物的重要器官，骨骼具有保护性结构，能使生物正常运动。Maya提供一种工具给骨骼系统，这就可能实现角色的运动。皮肤实质就是物体的模型，观众看到的是皮肤在变化，无法看到内部骨骼。绑定过程就是皮肤及骨骼间建立基本关联的过程。目前自动绑定还无法通过计算机实现，通常是通过手动完成。
以蘑菇为例，完成蘑菇的皮肤绑定、骨骼设定、表情设定、权重绘画等。在身体主躯干建立后，创建骨骼，同时完成建立8节蘑菇骨骼的操作。通过添加控制圈控制身体及头的自由弯曲。从上到下分别添加5个圆环，对头部、脸部、脖子、腰身、肚子进行控制，并建立控制蘑菇面部表情的系統，同时建立圆环，变圆环形状通过对移动点的控制实现。最后绑定身体与骨骼，从而完成骨骼绑定，通过各控制圈的移动，实现蘑菇相应部分的变动，图3为平滑绑定的蘑菇。
1.6 动作变化
动画实质就是物体状态随时间而发生变化，包括自然界如汽车运行等无生命物体的位移以及如鸟飞翔等有生命物体的变化，同时也包括如物体颜色及面积等属性的变化。Maya动画具有非常完整的解决方案，包括非线性动画、关键帧及路径、动力学、表达式动画、驱动关键帧等工具。这对动画工作效率的提高非常明显。
1.7 灯光变化
照亮动画场景是三维动画中对灯光最基本的要求，场景照明工作在表面看比较容易，只要场景里面有灯光出现，完成场景渲染即可，但实际情况却不是这样的，景深是光通过阴影形成的，构成灯光及外形是通过引进颜色进行区分的。具体灯光要对现实光影仔细观察，具备关于光的相关物理知识才能实现光设置的顺序化。
2 建模技术的关键问题
2.1 建模中的连接线处理
采用曲线构建动画角色的头发，头发模型线纵向方向通过放样工具进行。渲染时因接线处位于角色头部后面，造成角色背后头部总有一条线，影响视觉效果。通过对头部多个不同位置横向曲线的创建，从上向下逐个选中后，通过放样工具实现横向放样，使得连接线消失，图4为连接线处理前后对比。
2.2 建模中的眼球处理
绑定好面部表情，在动画角色中，眼球外露现象会出现，图 5为眼球处理前后对比图，动画角色眼部进行蒙皮时，因先与眼部骨骼蒙皮，然后绑定眼部控制器，则角色眼球受双重控制，同时受到表情控制与眼部骨骼控制，这就导致眼部控制器对眼球控制能力丧失，造成失控状态出现，导致眼睛不随角色而运动。可采取将控制顺序改变的措施，先选中眼球，取消骨骼对眼球的蒙皮，对眼部控制器进行重新制定，控制角色眼球，实现眼球正常运动。另外一个原因是角色眼球位置的不合理摆放造成眼皮与眼球分离，引起穿帮，可采用解除角色面部控制程序，面部表情不再控制眼球，重新对正角色眼球位置，实现角色头部和眼球旋转时，眼皮与眼睛不分离，最后将眼球绑定面部表情。第三种可能是角色面部模型处于光滑状态，但眼球模型处于基础状态，因眼球与眼皮相距较近，引起眼球与眼睛分离，可采取在角色面部模型选择后使其恢复到基础状态，然后再对其眼球模型进行选择，进而光滑处理。
3 建模中的渲染优化
在三维动画制作流程中，其中两个比较重要的部分就是渲染及灯光：一是与其他环节相比，这两个部分占据的地位十分重要，比如PIXAR公司电影片头形象代表跳跳灯，灯光效果重要性可很好地被反映出来；二是根据耗时程度，在三维动画制作过程中，比较耗时的流程就是渲染，计算机的性能决定了这两个流程的时间耗费。通常使用分层法进行渲染优化，就是将动画场景进行划分，形成动画前景、动画中景、动画后景，在动画后期进行合成。
在Mental Ray中，Geometry是指含有三个或多个顶点的物体，几何着色器Mental Ray渲染技术提供给用户Geometry Shader解决方案，其使用C语言完成编写，可很简单实现几何替换效果。在局部对较大场景进行预览时，采用 Geometry Shader技术可将复杂几何体替换为简单几何体，实现渲染速度的提高。图6为小女孩和盒子的渲染前后对比图，由图6可知，使用几何替换技术渲染后，小女孩外观和盒子完全相同。因此在渲染时可用简单代替复杂，也可用复杂代替简单。比如街道的车辆、花草、电线杆等全部可用盒子替代。在一个中等街景，通过少于100个面的盒子可完成20万个面树的渲染，从而使得后续工作效率得到提高。
4 建模的立体造型实现效率分析
通过使用MEL语言与Maya软件可大量节约实现过程及动画设计的时间，动画形成工作强度得到降低，工作效率得到提高。
4.1 交互动画的实现
在交互实现动画时，传统手工依赖于动画设计者的直觉感官，根据感觉才能调整出好的动画。实际物体的运动十分复杂，因而在交互实现动画时，传统手工方式难度极大。借助MEL语言，使用Maya软件，实现交互动画技术，设计及实现过程不考虑真实物体如惯性、质量及弹性等属性，将物体运动很逼真地模拟出来。
4.2 动画角色运动过程的控制
通过控制动画角色运动过程，可将物体运动很逼真地模拟出来，传统的三维动画软件手工控制动画角色运动时，设计师通常很难准确对物体运动进行控制，难以对物体真实运动规律进行展示。使用Maya软件可实现符合动力学规律的动画，省去繁琐关键帧动画，只需将相关参数设置好就可获得良好的动画效果。
5 结 语
本文利用Maya软件对泥偶动画立体造型设计中如何应用场景建模技术进行研究。
根据传统手工动画的实现效果及Maya软件对角色控制过程与交互实现动画方面进行优劣对比，通过Maya软件可实现符合动力学规律的动画，设置好相关参数可获得良好的动画效果。
参考文献
[1] 米高峰，周红亚，别倩倩.泥偶定格动画的制作工艺流程[J].陕西科技大学学报，2008，26（3）：167?172.
[2] 郭法宝.Maya场景建模流程研究[J].戏剧之家，2014（4）：218.
[3] 翟文彬.Maya动画的应用领域和制作流程[J].电脑知识与技术，2013，9（15）：3630?3632.
[4] 陈鹏.在Maya中实现非真实性渲染的方法探讨[J].蚌埠学院学报，2014，3（4）：42?47.
[5] 杨鲁.基于Maya的三维建模在虚拟现实技术中的应用[J].电脑知识与技术，2015，11（28）：189?191.
[6] 王世运，刘洪博.刍议Maya角色建模关键技术的应用[J].电子技术与软件工程，2017（7）：89?90.
[7] 赖传可.基于Maya的人物面部表情设计[J].科技广场，2014（7）：43?47.
[8] 马松.Maya技术创作数码动画的研究[J].数字技术与应用，2015（8）：113.
