從原理上詮釋三維動(dòng)畫技術(shù)

Three-Dimensional Animation，具有三種維度技術(shù)的動(dòng)畫，簡稱三維或3D動(dòng)畫。和另一個(gè)概念“3D立體電影”不同，三維動(dòng)畫是制作的技術(shù)范疇，而不是直接的視覺效果。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)固然需要一定藝術(shù)基礎(chǔ)，但初學(xué)者也可以通過三維軟件來反向?qū)W習(xí)基礎(chǔ)的色彩、透視、構(gòu)圖、形體等。無論是靜幀還是動(dòng)畫，三維畫面的元素均包含模型、材質(zhì)、燈光、鏡頭，輔助的要素有骨骼動(dòng)畫、表達(dá)式控制、動(dòng)力學(xué)特效、后期畫面濾鏡等。盡管以下將以maya為平臺(tái)進(jìn)行說明，但大部分原理也適用于其他三維軟件。

【UVs】除了自身結(jié)構(gòu)和基本的材質(zhì)效果，當(dāng)我們要展現(xiàn)模型很豐富的紋理的時(shí)候，就需要UV貼圖，例如帶劃痕的墻壁。

UV貼圖其實(shí)也就是一張普通圖片，經(jīng)過軟件的坐標(biāo)映射，將這張二維圖片在三維模型上呈現(xiàn)出來。UV貼圖就好像一個(gè)物體的外包裝。 

因?yàn)閄YZ已經(jīng)用來表示三維坐標(biāo)，二維貼圖上的坐標(biāo)就使用UV來替代XY（U=X，V=Y），而使用到四元數(shù)的時(shí)候還會(huì)增加一個(gè)W參數(shù)，所以通常也叫UVW貼圖（3dsMax中的叫法）。*UVWXYZ……很通俗簡單的英文字母排序取名法。UV只是一個(gè)坐標(biāo)符號(hào)（NURBS中表示方向），maya將UV加上復(fù)數(shù)形式表示模型上的UV點(diǎn)，也就是UVs。UVs指的是Polygon（多邊形）特有的UV點(diǎn)，而NURBS（工業(yè)曲面）也存在UV點(diǎn)，只是在你將它轉(zhuǎn)換為多邊形之前，這個(gè)UV點(diǎn)集合是無法編輯的，僅作為貼圖位置參考--不少人誤以為NURBS沒有UV點(diǎn)。

  

UVs在創(chuàng)建多邊形的時(shí)候就一直依附于模型點(diǎn)上，一個(gè)模型點(diǎn)可以有無數(shù)個(gè)UVs，取決于UV線是否斷開--UVs的數(shù)量是大于等于模型點(diǎn)。賦予模型貼圖時(shí)，UVs應(yīng)盡可能分布于第一象限（UV編輯器的右上方區(qū)域），這樣在繪制貼圖和導(dǎo)出到其他程序的時(shí)候不容易出錯(cuò)；如果使用重復(fù)（四方連續(xù)）貼圖，UVs則可以任意遍布。當(dāng)一個(gè)模型上使用了多重紋理，也就是多個(gè)貼圖的時(shí)候，根據(jù)需要我們還可以創(chuàng)建UV Set（UV集），用來管理模型上不同的UV貼圖。例如一個(gè)重復(fù)紋理的墻面貼上一張小廣告插畫。 

對(duì)UV偏移值設(shè)置關(guān)鍵幀可以制作有趣的貼圖動(dòng)畫，常見于游戲的廣告牌、河流、瀑布、坦克履帶等。 

【貼圖映射】先簡單區(qū)分一些英文術(shù)語：Shader（材質(zhì)），Texture（紋理），Map（貼圖），Image（圖片），Bitmap（位圖）。[Shader]材質(zhì)通俗的說也就是材料，它表現(xiàn)出顯而易見的視覺特征，例如：閃亮的金屬器皿，潮濕的泥土，生銹的鐵器，熾熱的熔巖，腐爛的樹皮等。也就是說材質(zhì)本身是一種可形容的物體。

[Texture]紋理是物體表面的紋路，它不是具體的物體，而表示一類特征，可強(qiáng)化材質(zhì)的表現(xiàn)。例如同樣質(zhì)地的木板上不同風(fēng)格的木紋，人物不同的皮膚，墻面不同的破損等。

 

[Map]本意是地圖，Mapping有映射繪制的含義，因此Map可以認(rèn)為是有針對(duì)用途的具體圖片，它在maya中是服務(wù)于模型渲染的。 

計(jì)算機(jī)上的圖片通稱，它可以是通常的jpg，bmp，png，GIF格式，也可以是HDRI，EXR，IFF等包含特殊信息的專有格式。 

位圖也稱點(diǎn)陣圖像，用來解釋圖片的像素組成。事實(shí)上多數(shù)計(jì)算機(jī)圖片都是位圖，因?yàn)閂ector（矢量圖）需要專門軟件處理。BMP是無損的位圖，而jpg，png等是經(jīng)過壓縮的位圖。

 

以maya的慣例來說，Shader和Texture使用頻率較高。前者是必不可少的構(gòu)成，后者通常指所有附加到材質(zhì)上的紋理貼圖（含程序紋理和外部圖片）。Map和Image一般只有在展UV和貼圖賦予的操作步驟中才會(huì)提到。

在maya中紋理分為2D紋理和3D紋理，前者依賴于模型UVs的分布情況，而后者是直接在填充于三維空間中的函數(shù)圖形，效果直接顯示在模型表面。2D紋理使用較為廣泛，包含外部的圖片和軟件的程序紋理；3D紋理是maya內(nèi)置程序紋理，用于一些三維特效的細(xì)節(jié)輔助，如煙塵飄動(dòng)、天空云彩分布、導(dǎo)彈尾煙等。

 

maya中創(chuàng)建3D紋理時(shí)候場景會(huì)多出一個(gè)方塊圖標(biāo)，可用于控制紋理的朝向和運(yùn)動(dòng)。

 

如果使用2D紋理的時(shí)候選擇投影模式（紋理圖標(biāo)上右鍵：Create as projection），也可以忽略模型UVs將平面貼圖應(yīng)用于三維投影。 

貼圖的投影方式有平面Planar、可調(diào)球形Spherical、圓柱體Cylindrical、圓球Ball、立方體Cubic等，由模型的外輪廓或者用戶特殊的貼圖需要進(jìn)行更改。 

無論2D紋理還是3D紋理，投影模式如果在動(dòng)畫模型上使用，很容易發(fā)生紋理偏移，并且顯示效果較難控制。

這里僅介紹2D貼圖的UV映射。將模型的UVs進(jìn)行分割縫合伸展移動(dòng)，就是展UV的工作。不管采用何種初始UV映射，在UV編輯器中的操作效果都是一樣的，這個(gè)由用戶的習(xí)慣和技巧決定。Maya2015后新增的Unfold3D展UV插件，極大的提高了工作效率。*Unfold3D原是獨(dú)立的外部模型UV展開軟件，被Autodesk收購后成為maya的內(nèi)置功能。展UV常有這樣的規(guī)則：平均分布，無重疊面和反面。除了顯示正反面（藍(lán)色正面，紅色反面），我們還可以在maya的UV 編輯器中查看UV的伸展情況：白色表示范圍內(nèi)貼圖匹配圖片尺寸（合理），紅色表示范圍內(nèi)貼圖將被拉伸（模糊），藍(lán)色表示范圍內(nèi)貼圖將被壓縮（銳化）。

 

不過很多時(shí)候，我們可以根據(jù)細(xì)節(jié)要求，將模型上的UV進(jìn)行不對(duì)等縮放，也可以在某些不需要在意的地方隨意處理UV，甚至游戲中為了節(jié)省貼圖容量而采用重疊使用的UV布線。大致上，除了平均分布，我們很多時(shí)候需要在意的是UV接縫--斷開UVs區(qū)域的貼圖連續(xù)性。UV接縫常分布在模型隱蔽處，例如人物頭部模型的后腦中間，大腿模型的內(nèi)側(cè)中線等，這樣做是為了減少后期貼圖繪制時(shí)候的工作量，盡可能的減少接縫對(duì)模型貼圖效果的不良影響。 

沒有燈光我們是看不到三維場景中的模型的，之所以能在maya默認(rèn)視圖中看到模型的明暗，那是因?yàn)檐浖�默認(rèn)就提供了一個(gè)和攝像機(jī)同方向的平行光，這個(gè)默認(rèn)燈光會(huì)在加入新的燈光后自動(dòng)關(guān)閉，避免影響渲染結(jié)果。*如果渲染時(shí)完全不考慮默認(rèn)燈光的影響，可以在渲染設(shè)置窗口的RenderOptions欄去掉EnableDefaultLight的勾選。模型的面是如何計(jì)算出光照的明暗效果呢，于是引入一個(gè)數(shù)學(xué)概念：法線。數(shù)學(xué)中的法線指的就是平面的垂直虛線，對(duì)于圓弧曲面是垂直于點(diǎn)切線的直線。在計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)中，除了面，每個(gè)頂點(diǎn)也具有法線向量，并且法線是以射線的幾何概念存在。因此，Maya中，法線分為面法線和頂點(diǎn)法線兩種，并且由射線的朝向來區(qū)分正反方向。三維軟件中的燈光就是數(shù)學(xué)上的射線（光源點(diǎn)+發(fā)射的光線），當(dāng)它無限延伸的一端接觸到模型表面，會(huì)類似物理上光在平面上的吸收和反射，將模型表面照亮。

在視圖菜單上，不勾選Lighting->TwoSidedLighting，場景中的模型反面（法線負(fù)方向）以黑色顯示。我們可以通過這個(gè)設(shè)定來判斷模型面的正反。 

模型面的正反不只影響建模命令的效果，還和一些材質(zhì)的渲染效果、特效中粒子的碰撞有關(guān)。有別于現(xiàn)實(shí)的物理反射（法線始終垂直反射面），由于三維燈光是根據(jù)模型表面的法線方向來判斷材質(zhì)照明的，我們可以在軟件中人為的改變法線朝向而“欺騙”燈光對(duì)物體表面的判斷。因此Maya中對(duì)模型執(zhí)行SoftenEdge（軟化邊）命令后，在材質(zhì)和燈光的作用下模型會(huì)顯示出柔和的過渡。創(chuàng)建一個(gè)基本多邊形球體，執(zhí)行MeshDisplay->HardenEdge（硬化邊），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)的模型棱角分明，不那么討喜。事實(shí)上，這才是模型真正的初始法線形態(tài)，軟件默認(rèn)幫我們進(jìn)行“美化”而已。*Maya2015及早期版本的HardenEdge命令在Polygons多邊形模塊的Normals菜單下。 

菜單Display->Polygon->FaceNormals/VertexNormals，顯示模型的面和頂點(diǎn)法線。面法線是由組成它的點(diǎn)的空間分布決定，和頂點(diǎn)法線朝向無關(guān)；而一個(gè)點(diǎn)上有4根線段相連，所以有4條方向不同的頂點(diǎn)法線。執(zhí)行SoftenEdge（軟化邊）后，會(huì)發(fā)現(xiàn)和點(diǎn)連接的所有線段的法線都統(tǒng)一了方向，這是多條頂點(diǎn)法線均值后的結(jié)果。此時(shí)模型表面也變得圓滑了很多。*Display->Polygon->Soft/HardEdges，顯示模型的軟硬邊分布情況：虛線是軟邊，實(shí)線是硬邊。

“軟邊”雖然能給模型效果增色，但是并非什么情況都適用：當(dāng)面和面之間夾角不大于90度，“軟邊”會(huì)產(chǎn)生一種錯(cuò)誤的亮部，模型失去轉(zhuǎn)折處的細(xì)節(jié)。小于等于90度夾角的面，需要增加線來均攤頂點(diǎn)法線的夾角，至少保持兩線以上。

maya可以選擇模型局部線條進(jìn)行軟化，但不推薦使用更改法線工具自行調(diào)節(jié)，因?yàn)槿菀壮霈F(xiàn)不正確的燈光效果。此外，還可以對(duì)多邊形法線進(jìn)行鎖定以防止更改。*不小心使用VertexNormalEditTool的時(shí)候，會(huì)同時(shí)鎖定法線（LockNormals），需要解鎖法線（UnlockNormals）才能使用硬邊和軟邊修正。游戲模型通常使用整體“軟邊”，當(dāng)遇到需要銳利的轉(zhuǎn)折，例如刀刃，通常的做法是從線條處分割模型，因?yàn)槟Ｐ偷倪吔邕叄˙orderEdges）就是硬邊�，F(xiàn)在很多游戲引擎也可直接支持模型上的軟硬邊劃分。*3dsMax中的SmoothingGroups（平滑組）相當(dāng)于maya的SoftenEdge（軟邊）。

為了深入解釋上述現(xiàn)象--模型法線對(duì)燈光和材質(zhì)的影響，這里順便提到兩個(gè)技術(shù)概念：平面著色（FlatShading）和頂點(diǎn)著色（GouraudShading）。所謂著色，并不是我們通常所理解的貼圖顯示，而是模型各頂點(diǎn)色調(diào)的融合結(jié)果--也就是由材質(zhì)色彩和燈光作用后得到的計(jì)算值，UV貼圖只是后期的疊加輔助。平面著色時(shí)一個(gè)面上只有一種材質(zhì)色彩，模型表面會(huì)呈現(xiàn)不同的純色塊，燈光的高亮點(diǎn)在模型上呈現(xiàn)出銳利的邊界；頂點(diǎn)著色通過點(diǎn)之間的色彩線性插值，可以平滑多個(gè)面之間的色彩過渡，柔和燈光的強(qiáng)弱漸變，不過計(jì)算速度慢于平面著色。*平面著色和頂點(diǎn)著色的平滑效果對(duì)比，有點(diǎn)像多邊形和工業(yè)曲面的區(qū)別。Maya視圖看到的模型實(shí)時(shí)材質(zhì)效果，屬于頂點(diǎn)著色（Shading->SmoothShadeAll）。如果選擇視圖菜單Shading->FlatShadeALL，則是將全部可見模型轉(zhuǎn)為平面著色顯示。

對(duì)于模型自身來說，頂點(diǎn)法線是平面著色和頂點(diǎn)著色的切換關(guān)鍵：平行于面法線的頂點(diǎn)法線不產(chǎn)生插值，硬邊模型實(shí)時(shí)效果采用平面著色；均值化（不平行于面法線）的頂點(diǎn)法線，通過線性插值平滑色彩，因此軟邊模型實(shí)時(shí)效果采用的是頂點(diǎn)著色。從以下圖示可以看出“硬邊（法線垂直面）”和“軟邊（法線均值化）”對(duì)照明的影響。

【總結(jié)】三維模型由這些要素構(gòu)成：點(diǎn)線面，UVs，法線。對(duì)以上基礎(chǔ)概念有了清晰認(rèn)識(shí)之后，接下來材質(zhì)燈光內(nèi)容的學(xué)習(xí)將會(huì)很容易。