三维动画设计与制作《井底之蛙》

毕业设计报告题 目： 三维动画设计与制作井底之蛙 学 生： 陈西娅 指导老师： 钟月云 系 别： 福建工程学院软件学院 专 业： 数字媒体技术 班 级： 1302班 学 号： 3138112207 目 录一、毕业设计课题概述1（一）选题来源1（二） 设计计划11设计内容明细12设计进程计划2二、设计展开计划3 （一）市场调查31 三维动画产业32 角色绑定技术分析3 （二）课题分析与定位4 （三）创意与表现5 1新型技术中IKFK的切换控制5三、作品设计说明6四、设计感想9- 1 -一、毕业设计课题概述三维动画制作是一项技术和艺术紧密结合的工作1。在技术上，井底之蛙作品是以三维动画的形式呈现，通过Autodesk Maya三维软件和After Effects后期影视特效软件等工具来完成制作。在艺术上，本作品井底之蛙在短短三分多钟里，把作品的中心意义落井下石，幸灾乐祸，乘人之危所包含的思想情感蕴含其中。本作品选择以小见大的表达方式，联系生活实际结合三维动画技术，在视觉上，情感上，反映一种常见的社会现象，由此引起观众内心的共鸣。（一）选题来源在唐韩愈柳子厚墓志铭曾描述了在现实生活中，看见有人要掉进陷阱里，不伸手解救他，反而推他下去，又扔石头，雪上加霜。因此，符合上述现实的观念和大众追求的正能量的精神皆都隐藏在我们的动画作品井底之蛙的内涵寓意中。此作品更是讽喻了现实中在乘人有危难时加以陷害的小人，违背了基本的社会道德和做人的基本原则。我们借助三维动画的表现形式来演绎出主角青蛙与蚊子之间发生的故事。由此来告诫大众，在生活过程中，要遵循社会的道德底线和最基本的做人原则，不要搬起石头砸了自己的脚，自食恶果。（2） 设计计划以大自然的食物链为主线，表现青蛙、蚊子、蛇之间的矛盾。整个影片描述青蛙捕捉蚊子、蛇捕捉青蛙、蚊子对青蛙报复的故事。青蛙是蚊子食物链的上端，本该都是青蛙吃蚊子，但是影片却是以蚊子欺负青蛙为重点展开的故事，最后还是以蚊子被青蛙吃掉的悲剧作为反转结局，出乎大家的意料。1.设计内容明细一部好的剧本，就必须拥有一个属于这个剧本最适合也最有特点的动画角色2。动画角色的造型风格势必牵动着动画剧本的创意体现，同样，动画剧本的内容也制约着动画角色造型形式。角色必定与舞台共存，为了将整部作品更加完美的在观众面前呈现，制作团队必须分工明确，制定计划，团结合作，不断完善整部动画短片。因此，我们做出详细的人员分工。刘炎清（组长）：把握作品全局，主要负责撰写文字分镜脚本，分镜绘制；角色模型检查，布线是否合乎常理或是否精确；大场景建模，优化场景；把握场景灯光及渲染；角色运动规律指导以及推拉摇移等各镜头的使用和切换。林乙：分镜绘制，小场景建模，视频剪辑合成，音效制作，后期特效制作，动作调试。甘一玲：角色建模，动作设计，灯光调试，镜头渲染。韩静晨：角色设计，原画设计，角色建模，材质设计，动作调试。陈西娅：角色建模，表情设计，骨骼绑定，表情绑定，动作调试，镜头渲染。2.设计进程计划时 间计划与进程2014年10月16日-2014年10月19日寻找相关的国内外动画短片素材，观看时事、新闻、社会热点等。进行分析和讨论。2014年10月20日2014年10月26日对上周总结讨论出来的几个剧本进行分析和讨论，确定大概的剧本方向以及主题。2014年10月27日2014年10月31日跟指导老师讨论剧本以及主题，听听老师意见，再进行剧本的完善。分工开始学习自己负责的每一块内容。2014年11月01日2014年11月05日从多个剧本中，最后确定一个剧本剧本，并跟指导老师商讨。进行完善。2014年11月06日2014年11月11日根据故事大纲完善出剧本和开始制作文字分镜。2014年11月12日2014年11月16日修改剧本，使故事情节的发展尽量流畅直至定稿。分工查找角色以及场景的图片。2014年11月16日2014年11月20日根据剧本设计出具体的人物角色三视图和主要的场景设计（线稿）。2014年11月20日2014年11月23日最终确定人物角色以及主要的场景设计和完整的文字分镜。2014年11月24日2014年12月13日根据人物三视图和场景规划图进行建模和绘画分镜头。2014年12月13日2014年12月25日全部场景角色模型UV整理和材质贴图绘制。2014年12月25日2015年01月07日根据分镜头剧本，调节人物动作和表情。2015年01月07日2015年01月19日根据分镜进行不同场景的打灯。2015年03月09日2015年03月23日开始渲染图片。续上表2015年03月23日2014年03月27日初步合成动画短片，讨论需要修改的部分，安排接下来的任务。2015年03月27日2015年03月31日音效制作与收集。2015年04月01日2015年04月07日二次合成，最后提出需要修改的部分。2015年04月07日2015年04月17日修改动画短片细节问题到结束。2015年04月18日2015年04月28日准备所有毕业设计答辩资料。表1.1设计进程表二、设计展开计划 （一）市场调查 1.三维动画产业分析随着国内改革开放的进一步提高，经济发展到一定程度，产业升级需要跟上时代的改革。中国经济在不断的发展，伴随着人们生活质量的提高，人们的精神消费也逐渐被需要。而三维动画正是一种精神消费产品。故此，中国在发展过程中政策逐渐偏向于三维动画产业，从而促进了三维动画产业的发展。如图2.1美食大冒险。图2.1美食大冒险为了融入当今数字化时代，响应市场需求和社会潮流，推动和普及3D技术的应用，为社会提供急需三维数字化技术的人才。笔者立足骨骼结构。研究三维角色绑定技术。 2.角色绑定技术分析动画角色是有生命的，我们需要读懂角色，“演”活角色3。故此，在三维动画中，“动”也是一门技术。角色绑定是三维动画中角色动画的基础，角色动作的质量高低直接关系着动画作品的成败，因此，角色绑定也起着决定性的作用。角色骨骼系统的是否严谨关系着角色动画运动曲线是否流畅，是否逼真。角色绑定的每一个步骤甚至是细节都影响着动画的最终效果。角色绑定包括骨骼绑定与表情绑定，它们共同的作用是为了让角色拥有更加丰富的生命特征，使角色更加活灵活现。所有的绑定都是为了动画而设定的，是根据整个动画风格和运动规律来设定的。三维动画角色的动作、表情的僵硬，严重制约着动画作品的趣味性。由此看来，搭建一套科学的骨骼系统是实现三维角色模型从僵硬静止的模型到动作演变的前提条件。因此，研究三维角色绑定技术是我们必不可少的任务。Autodesk Maya 作为三维动画领域中的著名软件，其强大的功能众所周知。Maya拥有着全面的功能，而且开放性非常好。Maya的开放性就是利用Maya的Mel语言来更好的开拓Maya的其他隐藏功能4。Maya的程序内容是Maya软件的精髓所在。主要包括三大部分：一是，表达式（Expression）；二是，MEL脚本和Python脚本；三是，Maya的API部分。Mel脚本与表达式，在绑定中也是相当重要，Maya中几乎所有的功能都可以通过Mel脚本来实现。其中Advanced Skeleton高级骨骼插件就是用Mel语言编写的以及使用Mel程序创建IKFK无缝切换技术。表达式是以Mel语句为基础的程序，我们可以为物体的某个属性编写表达式来制作动画，还可以使用表达式实现物体之间某些属性的关联。绑定的时候使用表达式是为了更加方便进行属性关联，所使用的关联则根据表达式的运算方式不同，实现的效果也不同，比如我们可以通过表达式将物体A的移动属性赋值于物体B的旋转属性，或者通过判断物体C的旋转属性，来控制物体B在什么时候缩放等操作。我们经常看到的国外大片如变形金刚、超能陆战队等，全是使用Maya软件作为其首要的动画制作软件。 图2.2超能陆战队 图2.3变形金刚 如图2.2超能陆战队和图2.3变形金刚都是通过Mel语言来实现IK和FK的自动对位。在总控制器上添加了IKFK的切换开关属性，以便达到IKFK的无缝切换，以及结合动画师对Maya软件中Graph Editor动画曲线编辑器的使用。才能调试出更加真实的动作。（2） 课题分析与定位绑定其实是在赋予静止的模型动的能力5。骨骼绑定是三维动画最有难度的工作之一。三维动画角色绑定是通过表情系统和骨骼系统结合模型蒙皮的设置，才能塑造出栩栩如生的动画角色。角色绑定是三维动画角色制作动作的基础，是实现模型与骨骼相互关联的重要方式，是运用控制器来控制角色表情、角色动作的必不可少的前提条件。角色骨骼绑定过程包括：根据角色模型和动作设计师的要求创建一套完整的身体骨骼与定位方式；创建骨骼筋，通过IK和FK来辅助骨骼的创作。控制器和驱动器的创建；将角色原始模型和骨骼框架关联起来，即蒙皮设定；角色动作测试阶段；修改控制器以及权重。角色表情绑定过程包括：切割角色头部；删除历史，复制角色原模型头部，移动至一侧；调整头部面部细节做出所需要的表情；缝合角色头部，使用融合变形将调整后的模型融合到角色原模型上；做驱动关键帧，建立线控。（3） 创意与表现1.新型技术中IKFK的切换控制IKFK切换控制的操作方法各不相同，有的动画师喜欢带有过度的切换控制，有的则喜欢一帧切换控制。事实上，无论哪种方法都存在它的利与弊，动画效果的好坏，主要还是在于动画师。尽管如此，拥有一个好的IKFK控制绝对是降低工作难度、提高动画效果的必备条件。 （1）新型技术IKFK切换控制的具体应用在作品井底之蛙中，由于高潮部分，主角青蛙在躲避石头的动作比较复杂。由此可见，为了方便动画角色的设置，骨骼系统要与适当的控制器进行绑定。故此，解决IKFK的切换控制是三维骨骼系统中的至关重要的问题。通过添加自定义属性及连接程序节点实现IKFK切换控制。IKFK切换控制要实现一种完全的切换，就是当用IK控制器时FK控制器被隐藏，只能在视图中看到IK的控制器；相反，FK控制时，IK也不可见，那么这个切换属性是不可以放在IK或者FK的控制器上，而需要一个中立的控制器来添加这个属性。此外，在完整的角色设置中，手部也有很多的控制，如图2.4手掌控制器所示，手的握拳动作或者单个手指的弯曲，都需要通过自定义属性实现，因此建立一个手掌的控制器将IKFK切换属性及手指控制的属性都放在这个控制器上比较合适。图2.4手掌控制器将IKFK切换控制实际应用在角色动作上，如下图2.5动作1、图2.6动作2。 图2.5动作1 图2.6动作2三、作品设计说明在井底之蛙这个动画短片中的高潮部分则是青蛙躲避石头和捕捉蚊子，然而，这个高潮部分便是靠角色的动作和表情来体现的，通过角色连贯的动作和丰富的表情，给观众带来看动画短片的满足感。根据分镜剧本，对角色进行内在的性格特性分析，这是动作设计和表情设计的关键所在。动作设计师根据剧本和角色的需要制定出一套角色所需要的的动作与表情。最后，根据角色动画构建出角色所需的骨骼框架和表情模型。作品中主角青蛙需要的表情有惊讶、开心、闭眼抿嘴、斗鸡眼歪嘴、挤眉抿嘴、睁眼闭嘴、闭眼歪嘴、被石头砸到后脸部的各种形变等一系列丰富的表情。如下图3.1惊讶、图3.2被石头砸的表情所示。 图3.1惊讶 图3.2被石头砸的表情作品中主角青蛙需要的动作有紧握拳头、沉思、环抱石头、懒散地躺着睡觉、跳跃、躲避石头等一系列拟人的动作。如下图3.3动作1、图3.4动作2所示。 图3.3动作1 图3.4动作2三维动画角色骨骼系统配置前必须要做好准备工作。检查好要配置骨骼模型有无穿帮，模型表面是否存在裂痕或破损，判断模型布线精度是否符合角色标准，是否会影响模型变形，模型的历史结点是否清除干净等，这对后期刷骨骼权重有着至关重要的作用。分析角色模型的骨骼结构，充分掌握该角色运动方式，了解该角色模型在动画中负责的动作类型，从而更加准确的配置出符合要求的角色骨骼系统。将kk_controllers.mel（控制器脚本）导入到Maya软件安装路径下Scripts文件夹中，然后启动Maya在命令行中键入kk_controllers并按下回车键。如图3.5 控制器脚本界面所示，控制器脚本是为了能够更加直观的创建控制器，减少绑定师的工作量。掌握动画模块下的骨骼工具、变形器、约束、绘制权重的高级应用，新建一层图层，将角色原始模型放置于新建层中和网格中心，锁定图层后整理冻结模型以及了解动画师的操作习惯，这给动画师带来了极大的方便。图3.5控制器脚本界面角色骨骼系统具体分析。在井底之蛙中，动画主角青蛙，以人的骨骼系统作为参考对象。人体有206块骨骼，分为颅骨，躯干骨和四肢骨等，而躯干关节主要是脊椎。人的脊椎从头部到尾骨呈“s”形。如图3.6人体骨骼所示，大致可分为：一是，腿部骨骼创建，腿部骨骼创建的关节点依次包括大腿根部，膝盖，脚踝，脚前掌，脚尖，脚后跟。可以通过打组的方式来统一骨骼和控制器的方向。二是，身体躯干骨骼创建，躯干骨骼创建的关节点依次包括盆骨，脊椎，腰椎，胸部，胸腔骨，锁骨，颈部，头部。三是，手臂骨骼创建，手臂骨骼的关节点依次包括肩膀，手肘，手腕，手掌，手指。在手掌处创建控制整个手臂的总控制器，可以添加需要属性，如图 青蛙的手指的弯曲，手指的X轴向，最重要的则是设置IKFK的切换开关的属性。最后，把腿部骨骼，手臂骨骼的父关节与人体的盆骨骨骼及胸腔骨骼进行父子链接以及给每个骨骼命名，这是为了方便后续绘制权重。这样青蛙的全身骨骼创建就完成了。如图3.7青蛙骨骼。 图3.6人体骨骼 图3.7青蛙骨骼创建骨骼筋IK和FK。如图3.8 腿部IK所示，在腿部创建三组IK:大腿根部脚踝脚踝脚掌脚掌脚尖。在手臂部位分别创建IK和FK。如图3.9手臂IK和FK所示。 图3.8腿部IK 图3.9手臂IK和FK创建控制器，使用驱动关键帧和连接编辑器，建立线控。如图3.10青蛙各部分控制器所示。 创建一个locater线框与大腿根部脚踝的IK做积向量约束。脚部的线框与打组后的三个IK做父子约束作为整个腿部的总控制器。手掌的线框与IK和FK做父子约束，以及添加相应的属性作为整个手臂的总控制器。头部从脖子到整个脑袋的连接，以及眼睛对脑袋做目标约束和脑袋对舌头做父子约束。最难的部分则是角色脸部表情的控制器，需要对融合变形做第三方线控。图3.10青蛙各部分控制器原始模型与整套骨骼系统的关联，即蒙皮设定，刷权重。蒙皮可分为两种方式：一种是柔性蒙皮，适合角色模型使用。另一种为刚性蒙皮，适合机械类模型使用。针对青蛙角色，在此选择第一种蒙皮方式。然而，刷权重需要绑定师了解骨骼控制点和骨骼控制皮肤的范围，需要很大的毅力和耐心，慢慢调试。刷权重也有两种方式：一种是使用Paint Skin Weights Tool（绘制蒙皮权重工具）如图3.11方法一；另一种是进入模型点模式，打开component editor（组件编辑器），修改模型上点的权重值。如图3.12方法二。 图3.11方法一 图3.12方法二动画师调试角色动作，查看角色的骨骼，控制器，权重是否存在问题。如图3.13修改权重。图3.13修改权重4、 设计感想知识与技术的掌握很重要，但学习的方法更加重要。学习是一件快乐的事情，尤其是学习自己感兴趣的东西，但学习的过程会遇到各种困难，尤其是在自学的时候。因此，我始终坚持着“学而不思则罔，思而不学则殆”的信念。我们的作品从商讨剧本开始到最后制作成动画短片，一路走来，我们相互争执过，相互体谅过，也一起熬夜奋斗过，其中的艰辛和酸甜苦辣只有经历过的我们，自己才能够知道。虽然我们的作品不会是最好的，但却是最用心的，希望能让喜欢三维动画的观众们带来欢乐。在钟月云老师的指导下，我们很的快的进入剧本的商讨，在经历两周的讨论下，我们以井底之蛙为最终的剧本。在组长刘炎清的督促下，我们制定好制作流程和时间安排表，每个人各负责自己擅长的一块。在这短暂的六个月中，我们享受着毕业设计给我们带来的毫无