动画电影中制作自然环境的思路及渲染效率

　　摘要：在以往的动画电影中作为画面重要构成部分的自然环境出于技术和成本的限制往往被处理得相对简单。随着观众欣赏水平的日益增长和动画技术的不断发展,对动画电影中自然环境的表现力和感染力提出了新的需求和新的动力。本文从满足拍摄的需求为出发点,分析动画电影中自然环境的构造,对地形地貌、植被种类、分布特点、美术设计等方面进行阐述。并以此为前提,介绍在动画电影中制作自然环境的思路,在不同软件中制作植被的技术特点,使用不同方式实现程序化分布,以及如何提高渲染效率。

　　关键词：动画电影; 自然环境; 渲染;

　　Planning and Production of Natural Environment in Animation Films

　　Liu Dexin

　　我们可以把动画电影与实拍电影在很多方面看作是一样的。动画电影中的角色(Character)设计、道具(Props)设计、场景(Sets)设计,与实拍电影中的选角、服装、道具、置景等工作非常相似。最明显的不同在于实拍电影的外景可以根据剧情的需求到适合的自然环境中去拍摄,动画电影需要根据美术设计用数字技术在电脑中创建出适合拍摄的自然坏境(Environment)。

　　1 影响动画电影中自然环境的两个方面:地形地貌和植被

　　1.1 地形地貌和拍摄范围

　　动画电影中的地貌大多钟爱山地、丘陵、森林、河流的混搭。一方面使美术师更好发挥想象力,另一方面也使观众的视觉感受更加丰富。反而平原地形出现的并不多见。

　　美术设计的天马行空落实到制作层面首先要考虑的是文件的运算量,提前规划自然环境中的主要拍摄区和次要拍摄区是必要的。主要拍摄区需要根据故事板对沿途做出规划,如果有追逐戏,沿途都应该被视为主要拍摄区,并且要考虑如何处理不同环境间的衔接问题。

　　摄像机常用的拍摄焦段一般在35～75mm,视觉夹角为65～32度。即便摄像机进行“推拉摇移”,除了俯拍全景外能拍摄到的区域仍然是非常有限的,镜头背后有将近300度区域是不会出现在镜头里的。因此为了控制文件的数据量和提高环境的可控性,不仅要将不同场次的环境单独制作,每个场次的环境文件也会根据拍摄需要进行更细致的划分。比如以主拍摄区为圆心将次要拍摄区的地形每60度一份分成6份来进行管理,在制作渲染前移除掉不需要的部分将大大提高生产效率。以上是针对圆形和矩形场景的规划建议,如果线形场景可以考虑分段式的方法进行文件管理。

　　如图1所示,比如规划半径为15米的主拍摄区(红色区域),主拍摄区里的植被有可能会与角色发生互动,又或者造型比较独特,需要根据故事板和设计图更多的使用道具(Props)来逐个摆放。其次为半径15～60米的次要拍摄区(黄色区域),此区域的模型精度需要逐步降低,此区域的植被布置可以使用程序来完成。60米到100米的范围则考虑使用背景绘制。这只是一个假设范围,但基本已经可以满足常规拍摄的需求。如果影片中的环境出现了上千米的范围那就是另外一个考虑方向了,因为极大的场景通常是用来拍全景使用的,模型和材质的精度要求更低。

　　图1 摄像机焦段范围的取景范围和需要规划的场景范围   

　　图2 左边标注摄像机焦段范围35～90mm,右边标注场景范围5～100米   

　　1.2 植被的规划

　　在现实世界中影响植被的主要因素是生长的地理位置和气候,植被的设计应该在尊重客观现实的前提下进行创作,比如常见的植物有乔木、灌木、蕨类植物、草、野草杂草、苔藓等。植物种类规划的越细致美术设计的自然环境也会越丰富、越生动。自然界中的植物种类过于丰富,美术设计方面如果艺术家能根据植物学对常见的具有代表性的植物事先进行收集分类并作为美术设计的参考将是非常值得的。

　　美术设计阶段不仅要考虑植物的设计风格,也要重视植物与角色、与场景的搭配效果。要重视植物与角色、与场景的比例关系,每种植物都有自己的体积,不仅要反复推敲植物个体的美观性,更要注意群体效果是否统一和谐。过于有特点的单体设计摆放在一起未必能达到美观的群体效果。在环境的制作中植被是通过程序被复制安排在场景中的,“过于有特点的植物”更容易在视觉上产生重复感,另外如果动画电影中的植被与现实生活过于不符,会在视觉上产生“排斥感”(极端的设计风格不在此讨论范围),降低画面的美观度。

　　作为丰富画面的重要组成部分,不同形态、大小的石块和土块,断枝落叶是必不可少的。它们会被随机散落在地面上让环境更加生动。

　　图3 不同植物的比例和种类的规划示意   

　　2 地形地貌和植被创建以及植被的自动化分布

　　2.1 地形地貌的创建

　　根据摄像机的拍摄需求会将地形地貌分成远中近不同的文件来制作。对于远景来说很多软件都提供地貌生成器或者便捷的编辑方式可以快速高效的来进行制作,它的特点是面数相对较少,渲染精度较低。此类模型不太会直接用于高模的制作,一般可以作为范围示意来使用。中近景模型可以是独立的场景,也可以在远景模型的基础上逐步进行细化。模型师会根据美术设计和分镜脚本对地形的主要结构不断地细化,并留意摄像机拍摄的位置。

　　2.2 植被的创建

　　随着技术的发展,不同技术偏重的软件带来了各式各样的解决方案。不同格式的数据和不同工作流程的搭配不断提升工作效率和创作空间。以下内容并非针对于某个软件或者某种流程来讨论带有局限性的方案,而是站在宏观的角度来介绍不同工作流程里的共同特点。

　　为了更快捷地制作植被造型可以通过很多的插件来完成,在项目的制作中可以根据使用的软件选择不同的插件或者素材包。既有像SpeedTree这样以手动调整为主的创建型植物的插件,也有以提供素材包为主的插件,比如Blender插件RealTrees、C4D插件Gumroad-VertexTrees、3DMax插件EvermotionArchmodels、Forest等。像SpeedTree这种类型的植被插件是为了自由地创作植被形态而准备的,虽然相对单纯的建模方式而言确实是提高了效率,实际上如果想制作出一颗造型独特和渲染质量也很高的植被还是要花费不少时间的。素材包类型的插件提供的植被造型基本是固定的,可调节的空间很有限,或者没有调整的必要。毕竟使用素材包的第一需求是快速产生植被,往往对植被的造型没有特殊的需求。

　　根据需要植被可以是静态的,也可以是动态的。在主要表演区的植被一般会被视为道具,再进行绑定后被逐个安排在场景里。如果想让它们动起来,可以对这些植被道具制作动画或者进行动态解算。安排在次要表演区里的植被一般是使用程序来分布的。可以是一般的模型文件,也可以是有烘焙好动画的abc文件。abc文件通常被制作成2秒钟的动画循环或者更长时间的非循环文件。

　　一棵树的模型精度根据在场景中的位置,可以是几万也可以是几十万的面数,一个场景里各种植被数加起来可能是成千上万的,这些数据会对计算机的内存造成极大的压力。这种内存上的消耗对于不同的软件产生的负担不是相同的,对于算法比较新的软件负担要小的多。基于UnrealEngine5强大的计算能力,在不同的软件里制作不同的工序,最终在UE中进行渲染输出也是现在流行的制作方式之一。

　　2.3 植被的分布

　　在Maya中,为了提高渲染效率不仅需要对场景进行划分,对于植物更需要进行细致的分类,并且需要根据拍摄的范围依次减少模型的面数,做到合理分配资源。为了更快速的在屏幕上显示这些植被,通常会使用体积相当的低边模型来制作代理(Proxy)物体,再通过程序把代理物体连接到相应的高边模型上,以实现在屏幕上显示低边模型,在渲染时自动渲染成高边模型的功能。Maya中不同的渲染器提供不同的工具来实现这种功能,比如VrayScatter代理物体、Red Shif t代理物体、GPU代理物体等。植被模型需要考虑近景和远景的不同需求。对于主要拍摄区中的所有近景植被,需要根据分镜和美术设计,使用精细度较高的道具植被(Props)一对一的安排到场景中,力求实现对美术设计的最高还原。对于次要表演区的植被,将使用植被的代理物体按照需要,通过程序分布(Scatter)在地型表面上。比如Vray渲染器提供VrayScatter,Maya提供的MASH模块,3DMax插件Multi Scatter等。当然也可以根据项目需要自行编写达到分布功能的程序来实现类似的功能。

　　图4 植物模型和代理物体   

　　3 渲染优化

　　在环境制作开始前要充分对每个场次的环境数据量进行推算,比如地形地貌的尺寸和比例,地形的面数和贴图的分辨率,以及植被的种类、尺寸和比例,分布的形式,植被的间距,植被的大致数量,单个植被模型的面数和贴图的尺寸。对环境模型进行分区规划,可以在渲染前对环境进行手动或者通过程序自动对摄像机拍摄不到的区域中的模型进行删除,控制环境的数据总量在单机和渲染农场都能够承受的范围内。如果超出了硬件承受范围,更新硬件方面也应该提前做好备案,比如增加内存容量、更换新型显卡等。

　　在Maya平台中,渲染时计算植被阴影产生的数据量是一个极端数据量,容易导致死机。由于次要拍摄区的植被模型通常离镜头比较远,可以考虑将单个植被的阴影烘焙到贴图上,然后在最终渲染时关掉植被的阴影以提高渲染速度。或者为了产生阴影制作一个更为简化的模型,通常称其为阴影模型。它和环境用的植被在位置上完全重合,高模用于渲染图像,低模用于产生阴影。

　　以图5为例,红色和黄色区域需要摆放高精的道具模型,蓝色及更远处的山上都可以考虑使用程序来分布低边模型。当然把背景的远山分布好植被后处理成MattePainting来使用也是一个好想法。在分布好这些代理以后,会把当前场次的所有layout摄像机导入到场景中,根据故事板的构图对每个镜头中的植被比例做出高矮粗细的调整,使画面中的植被更符合构图的美学标准。对于整齐的草坪或草地来说大部分会使用软件自带的毛发系统来模拟,比如在Maya中使用到的XGen。

　　图5 植被分布示意   

　　4 结束语

　　环境制作是一个富有创造性、艺术性、规划性、技术性的工序复杂的工作。无论是精妙绝伦的小庭院,还是宏伟壮丽的自然风光,都会提升影片的视觉感受。