影视动画三维CG制作流程研究

影视动画三维CG制作流程研究
中影电影数字制作基地有限公司靳宇雷振宇王建雄柳学成孙浩惠
【摘要】随着计算机图形学（CG）技术的快速发展・三维CG制作被广泛地应用于影视动 画制作中。影视动画三维CG制作具有流程复杂、制作工具众多等特点，会造成制作流程中各 环节相互耦合、数据难以互导等问题。为解决这些问题，我们基于Cortex VFX开发了 一套适 合于影视动画三维CG制作的数据交换格式，实现了三维CG制作各环节的分割，并实现了主 要制作软件对该数据格式的兼容。借助于该数据交换格式，提升数据导入速度50%以上.并 通过自定义的渲染方式降低内存消耗20%左右；另外.我们还开发了基于缓存技术的动画播 放技术，提升动画播放速度150%以上。通过该制作流程在动画短片《蚊子总攻》中的示范应 用.验证了其能较好的提高彩片制作人员的生产效率和质量。
【关键词】影视制作流程 三维CG动画 Cortex VFX 数据格式
1引言
随着计算机图形学（Computer Graphics,简称 CG）技术的快速发展和广泛应用，三维CG制作被 广泛地应用于影视动画制作中.CG技术几乎成为 了 “大片”的代名词。例如2011年全国电影票房排 行榜前5名——变形金刚3、功夫熊猫2、金陵十三 钗、加勒比海盗4、龙门飞甲，无不是应用CG技 术完成了大量影视特效的制作，尤其是功夫熊猫2, 画面几乎完全由CG技术制作而成。
目前国外相应的三维CG制作技术已经非常成 熟，女［1 Sony Picture Imageworks 公司 2007 年在 SIGGRAPH发表一篇文章⑴，详细介绍了他们在 制作《冲浪企鹅》这部动画电影时如何将三维CG 制作分成建模、动画、特效等多个环节，并描述了 数据是如何在这条生产线上的各个环节之间进行交 换和加工;John Haddon等人“」使用Cortex搭建了 三维CG制作生产线并用于进行数据的交换.最后 成功的将其应用在电影《第九区》的制作中；工业 光魔公司⑷采用统一自定义的数据格式存储并计算多
种材质的动力学效果，包括毛发、肌肉、布料等等。
国内在三维CG制作方面相对起步较晚。刘晓 春□在2006年就对电影制作中的数字化工艺进行了 深入研究，并将其与传统的电影制作工艺进行了详 细的对比.但其更多的还是从传统电影制作工艺的 角度来分析数字化工艺替代的方法；徐正则⑷在 2007年以全CG动画电影《魔比斯环》为例介绍了 此类电影的制作流程.但其并没有进一步研究每个 步骤所需要的关键技术；除此以外，还有许多人对 三维CG数字制作中的某项关键技术和软件进行了 研究和介绍，如数据格式的转换"］和GPU渲染器 的应用⑻等等。
虽然三维CG数字制作技术已经成为了影视行 业中的热门技术，但是目前国内大部分影视制作公 司依然保留原有的小作坊式的以镜头为单位划分制 作流程的方式。由于这种方式造成制作中各环节之 间不具有独立性，使得整个流程只能采用单一软件 来完成影片制作，或每台工作站中需要安装大量软 件，而其中绝大部分仅用于数据的转换工作，造成
了电影制作公司制作成本的浪费。而国外先进的三 维CG数字制作流程又不符合国内制作人员的习惯， 造成抵触情绪较大，难以得到推广和应用。
因此.本文将介绍我们在中影电影数字制作基 地有限公司动画分公司和视觉特效分公司相关制作 人员的协助I'-.设计的符合国内影片制作人员习惯 的三维CG数字制作流程，其中重点介绍流程的规 划、数据交换格式的定义和实现以及在我们自定义 格式下对制作软件性能的改进方法。
2三维CG数字制作流程
徐正则在其文章中将三维CG影视作品的制 作流程划分为14个步骤：（1） “抛售”故事；（2） 写成开发文档；（3）描绘故事板；（4）为有天赋的 配音演员录音；（5）编辑们开始制作草图版的视频 校审片；（6）艺术部门创作视觉形象和整体感觉； （7）塑造模型及其精确的轮廓；（8）陪衬模型；（9） 镜头布局；（10）制作镜头中的动1B1I; （11）为物品 和角色添加光学属性；（12）打灯光；（13）渲染； （14）剪辑完成最终版。其中三维CG数字制作技术 涉及到整个流程中的（7）〜（13）这7个步骤.工 作量巨大，决定了影片质量的高低。
2. 1存在问题
目前中影基地现有三维CG制作流程中，已经 将其划分为建模、动画、材质、布景等环节。通过与 相关制作人员的交流.我们发现存在如下2个问题：
1）    上述制作流程仅适用于每个镜头画面内三维 CG的制作，而每个镜头由独立的个人或小组完成. 最后再将所有镜头画面进行简单的叠加。这就造成 三维CG制作各环节之间并没有真正独立出来，不 同制作人员制作出的各镜头画面风格难以统一，因 此后期还需经过大量的返工、调色等工作。
2）    同一镜头画面的制作过程中，各环节使用软 件不同.造成各环节之间传递数据时消耗较多工作 量在数据格式的转换中；而且在建模、贴图、材质、 绑定这些环节中所有数据信息皆全部复制到下一环 节.造成存储空间的浪费.也对未来的修改环节造 成发生数据冲突的危险；在其它环节，如灯光、布 局等，虽然数据采用引用的方式避免了存储空间的
浪费，但是后续环节引用了前面各环节的所有数据. 造成系统计算资源的浪费。
2.    2三维CG数字制作流程定义
为了解决这些问题，我们通过与相关制作人员 的交流，设计三维CG数字制作流程如图1所示， 并计划将影片制作人员按照不同的制作环节进行划 分，摆脱以往按镜头划分的制作模式。
Model
Texture & Shader
Lighting &
Rig    Animation
            Special Effects
Tracking & Matching —► Final Layout
Layout
图1三维CG数字制作流程
1）    布景（Layout）
在这个环节中需要搭建出一个比例正确的简单 场景，并且具有摄像机及其运动轨迹。这个环节生 产的模型不要求精细但是要求比例基本正确.主要 是给导演和摄影提供一个艺术感觉，同时指导后期 精细场景的制作。产生的数据并不作为最终影片中 所需索材.而仅仅作为相应的参考。
2）    建模（Model）
建模环节是整个制作流程的基础环节。在该环 节中，根据布景环节中提供的粗模.建立更精细、 比例更准确的模型。其它环节只能通过引用的方式 查看该环节中的模型数据，而无法修改。
3）    绑定（Rig）
该环节引用建模环节中的模型数据，并为其添 加必要的绑定，用于动画的制作和摄像机的跟踪与 匹配。该环节中只能添加和修改绑定数据，而无法 修改模型数据。
4）    摄像机跟踪和匹配（Tracking & Matching） 该环节分为2个部分，Tracking根据真实拍摄
场景反求摄像机轨迹以及图像中特征点的空间位置， Matching负责虚拟场景和真实场景的匹配。该环节 中需要引用绑定好的动态模型数据和不需要绑定的 静态模型数据.并将它们与实拍场景相匹配。该环 节不一定需要建模和绑定工作全部做完.因此，可
以与前面两个环节同时进行。
5)    最终布景(Final Layout)
在得到比较完整的模型数据、绑定数据、摄像 机跟踪和匹配数据之后.进行整体场景的布局。
6)    动画(Animation)
该环节需要根据模型绑定数据、摄像机数据以 及最终布景的数据设计虚拟物体的动画。其中除了 动画信息以外.其它类型的数据采用引用的方式查 看.而无法直接修改。
7)    贴图和材质(Texture &Shader)
该环节引用模型的相关数据•完成三维物体表 面的贴图和材质。
8)    特效(Special Effects)
该环节中根据影片的需求制作一些特效动画添 加到场景中，如风、雨、雪、爆炸、火等等。
9)    灯光和渲染(Lighting & Rendering)
上述各环节完成后，在灯光和渲染环节中对所 有资源进行整合，打灯光然后最终渲染出可供合成 使用的图片。该环节中引用上述各环节中所有数据. 但无法进行修改，只能根据需要打灯光并查看最终 渲染结果。
采用上述三维CG数字制作流程具有如下3个 优点：
1)    后续环节采用引用的方式调用前置环节的数 据.保证了各环节数据的独立，避免了后续环节修 改前置环节数据后造成的数据冲突的问题•同时降 低了数据的冗余度；
2)    各环节的相对独立，减少了重复的劳动.提 高了自动化的水平，例如当模型被修改后，相应的 动画和渲染工作可自动完成，而动画师只需要专心 于设计角色的动画.而无需关心角色的建模和材质 的变化；
3)    制作人员按照制作流程各环节进行划分.使 其能够专注于某一项技术，提高其相应的技术水平. 避免了 “全而不精”的问题，因而能提高影片的制 作效率和质量。
3数据交换格式
在当今三维CG数字制作领域，从技术角度相
关软件可分成两大类：一类是能够完成特定功能的 软件.包括渲染器、流体仿真器、毛发生成器等. 例如 RenderMan、MentalRay, Realflow 等；另一 类是综合通用软件.如Maya、Houdini等。
以往通用软件试图集成三维CG数字制作相关 的全部功能，使得制作人员可以在一个软件内完成 从建模到渲染的全部环节；随着技术的发展，很多 只能完成特定功能的软件.其性能已经远远超过这 些综合通用软件中的类似功能.于是很多影视制作 公司尝试将这些通用软件作为制作流程的总线.而 其它特定功能软件作为插件的形式应用在制作流程 中；现如今.三维CG数字制作技术已经成为了一 门热门技术，越来越多的艺术家和研究人员投入其 中，而每个人所喜欢使用的软件不同，这就造成公 司内部数据格式混乱.冗余度和冲突都大大增加。
为了解决这一问题，1 mage—Engine视觉特效 工作室耗时四年时间开发Cortex VFX视觉特效开 发框架，并已经将其成功的应用在许多成功的三维 CG影视作品中。
3.    1 Cortex VFX 简介
Cortex VFX是一个开源项目，其提供了 一组
为视效行业定制的高质量C+ +库和Python库。
Cortex VFX为开发人员提供的是可重用模块，而
不是一款面向最终用户的软件。
(Maya ) ( Houdini ) ( Nuke )(RenderMan)(..........〉
⑪J G
Parameters, Converter
Cortex Core Algorithm, User-defined Algorithm
图2 Cortex VFX特性图
因此.我们可以在其基础上根据自身特点实现 动画、渲染、文件K)等多方面的定制和开发。Col tex VFX g前已经支持Maya、Houdini等综合软件 的插件编写，也支持RenderMan等渲染插件的调 用.还支持Alembic文件等格式文件的导入导岀。 它的特性图如图2所示。
3. 2数据交换格式的定义
高效的三维CG数字制作流程不应该以某个软 件作为基础，而应该以影片的核心——数据-一-作 为贯穿整个流程的纽带。本文采用Cortex VFX作 为构建三维CG数字制作流程的框架.并针对中影 基地自身特点和影片制作的实际需要提出场景描述 文件的数据结构，并开发相应的数据导入、导出以 及转换插件。
3. 2. 1模型树
模型树是一个类似XML的自定义文件，用于 保存一组模型的层级关系•如图3所示。其中变换 矩阵用于确定模型的空间位置和姿态；儿何信息确 定模型的顶点、法向、UV、拓扑结构等信息；动 画信息确定模型中儿何信息的变化情况；材质编辑 器确定模型的材质、贴图等信息；特效动画确定应 用于该模型中的风、雨、雪、火等特效信息。每个
叶子节点上存储的是相关信息的必要参数和路径•
而不是真实的模型、贴图等信息，这就降低了数据 发生冗余和冲突的儿率。
模型树
变换矩阵
特效动画
变换矩阵
- *
撲型树1
Alembic文件具有一个开放的计算机图形数据 交换架构，它将复杂动画场景提炼成一组分过程、 应用软件独立的结果数据，目前已经成功应用在许 多电影的制作中。因此.模型树的每一个叶子节点 我们用Alembic文件来存储。
3. 2. 2摄像机路径
一个动画场景中往往需要在从不同角度设置多 台摄像机，其中部分摄像机还具有-段或数段运动 轨迹，因此这些信息也需要存储.具体包括摄像机 的参数和一系列变换矩阵。
3. 2. 3灯光树
为了模拟现实世界中的光线.在动画场景中往 往需要增加多个灯光或灯光组。这些灯光的空间信 息、姿态信息、成组信息以及灯光的类型、特性、 动画等信息用灯光树来表示，并存储成我们自定义 的文件，见图4。
变换矩库    变换矩阵
—十    I〔I- ~l |    ▼—
灯*拗    |灯先动Bi    灯先期    •“…
W 1灯光树结构
3. 2. 4渲染分层信息
分层渲染技术用于在后期合成中更容易控制画 面效果.如减弱阴影，物体遮挡，高光特效等；对 于某些大场景，我们还能利用该技术加速动画的生 成过程；我们还可以通过分层渲染设置，使用不同 的渲染器渲染同一个场景中的不同物体(或相同物 体)。这些信息会直接影响最终渲染的效果。
3. 2. 5绑定数据
绑定数据用于模型动画的制作和摄像机的跟踪 与匹配。根据软件的不同，绑定涉及到的方式方法 众多，很难直接导出。不过由于绑定属于中间数据， 最终渲染时并不需要.因此本文暂时使用原始的 MAYA文件或FBX文件来保存绑定数据。
3. 2. 6场景描述文件
前面介绍的都是一个动画场景中所需要的最小 元素，除此以外，还需要一个可以整合这些信息的 组织方式，我们称之为场景描述文件(Scene Dl scription File,简称SDF)。该文件记录了组成一个 动画场景的所有元素以及它们的组织结构.并可以 指导各环节的制作和整合，如图5。
场景描述文件
].
i    i~    ~~~    .♦__
模型树    摄像机路径    灯光树|渲染分层信息    中间数据
绑定数据
图5场漿描述文件结构
3. 3数据交换格式的应用
以往三维CG数字制作流程中不同环节之间传
递的数据为整个工程文件，这就造成卜游环节可以 根据自己的需求直接修改上游环节的工作.而无需 告知上游环节相关情况。这就造成难以控制影视制
作流程中各环节的独立性和数据的安全性。
Maya提供了一个Locator节点，在该节点中只
能通过二次开发的模块载入自定义的数据并完成绘
制.但是却不能利用Maya修改该节点中的内容。 Houdini等其他综合通用软件中也存在类似Locator 的功能。因此•在本文设计的三维CG数字制作流 程中.利用Locator实现与环节无关数据的封装。 例如在灯光环节中，制作人员只能够调整场景中的 灯光数据，因此我们将模型树、摄像机路径等信息 通过二次开发的模块载入到Locator中，并由Loca-tor负责渲染；场景中的灯光信息则由Maya原生节 点负责处理（如果该环节采用Maya软件作为工作 软件）；该环节中不需要处理和绘制的数据，如绑定 数据等，则被忽略掉以节省系统资源。该封装过程 如图6所示。
Locator    Maya原生节点
渲染数据：模型树摄像机路径         灯光树
忽賂数据    
非渲染数据：“    
绑定数据    ……    
图6三维CG数字制作流程中灯光环*数据的封装
由于Locator为我们自定义绘制.因而采用这 种方式可以在Locator之外封装一层权限控制，使
图7 Maya、Houdini这些综合通用软件的工程文件在内存中的表示示意图
制作人员只能修改Maya原生节点中的数据.保证 了数据的安全性。
目前我们已经应用该数据交换格式实现了 Ma
ya、Houdini这两款综合通用软件之间数据的互导 以及三维CG数字制作流程各环节数据的封装.还 实现了基于该数据交换格式的RenderMan和Men-
talRay 渲染。
4制作软件性能的改进
在三维CG数字制作流程中，制作人员在完成 某些工作时希望能够立刻看到完成工作所产生的效 果，尤其是材质、灯光这些环节。然而目前Rer derMan、MenlalRay等CPU渲染器的渲染速度较 慢，而Maya、Houdini这些综合通用软件的实时渲 染效果又比较差.因此如何同时提高实时渲染的质 量和效率是一个趋待解决的问题•而该问题的解决. 将大大提高三维CG数字制作流程的效率。
FurryBall 81是目前用于实用的第一款影视制作 级别的实时GPU渲染软件，目前用作Maya的渲染 插件。采用该插件后，在Maya视窗内就可以实时 的看到材质、阴影、环境光遮蔽、景深等效果，渲 染速度有了质的提升。然而该软件的价格昂贵.而 且由于其深度依赖于Maya,因此通用性较差・无 法完美的整合进我们设计的三维CG数字制作流程。
前文我们已经将三维CG数字制作流程中的数据格 式进行了介绍，因此我们可以在该数据基础上.根据影 片制作的需求自定义渲染方式，提高制作软件的性能。
41自定义渲染方式
以往三维CG制作过程中. 各环节之间传递的数据文件包含 大量后续环节仅需查看而无需修 改，甚至完全不需要的数据。例 如在灯光环节中，模型、动画、 材质这些信息都属于仅需查看而 无需修改的数据，而绑定数据则 属于完全不需要的数据。
Maya、Houdini这些综合通用
软件的工程文件中，将所有的信息
都作为独立的节点存储在文件和内存中，在每次渲染时 都需要遍历这些节点，造成渲染效率的降低，如图7。
根据前文介绍的数据交换格式在三维CG数字 制作流程中的应用方式.当前环节的工作数据可以 利用任意软件完成.仅需查看而无需修改的数据利 用Cortex VFX根据需要绘制成一个或数个Locator 节点，完全不需要的数据则直接被忽略掉。这样做 可以大大简化工程文件在内容中的表示结构.简化 渲染流程，提高效率。如图8所示.为在灯光环节 中利用Cortex VFX设计的三维CG数字制作流程 的工程文件在内容中的表示结构。
图8灯光环节中三维CG数字制作流程 工程文件在内存中的表示爪意图
通过图7和图8的对比可以发现.采用我们设 计的三维CG数字制作流程后，工程文件在内存中的 结构复杂度大幅度降低.因而可以大幅度提升渲染的 效率。同时由于工程文件存储结构的简化和载入数据 量的减少，其相应的载入时间也得到了有效的降低。
4.    2基于缓存技术的动画播放
Maya等综合通用软件的工程文件保存动画数 据时，仅保存必要的数个关键帧数据.其它帧数据 在渲染时通过复杂的计算节点实时插值计算出来。 虽然这样做其存储空间小，但是每帧渲染前都需要 大量的计算，效率较低。虽然我们设计的三维CG 数字制作流程采用能够保存每帧模型数据的Alem-bic文件作为模型文件载体，但是此类文件所需存储 空间较大，当处理大场景时很难一次性将所有数据 从文件读入内存。目前常用的解决方案为在每帧渲 染前从Alembic文件读取相应的数据，虽然性能上 比插值计算要高.但依然难以达到实时渲染的要求。
为解决这个问题，Cortex VFX采用最近最少使 用（Least Recently Used,简称LRU）算法实现了动 画数据的渲染缓存（Cache）技术，渲染流程如图9。
Cache技术基于牺牲空间换时间的思想；而 址网换替算法则用于在内存空间不足以保存全部数据的 情况下，遵循为保证所需数据的载入而释放内存中 较少使用的其它数据的思想.维护Cache中的数据。 在每一帧的渲染中，首先判断该帧是否存在于 Cache中.若存在，则直接调用Cache中该帧的数 据，并传入到GPU中；若不存在，则调用LRU算 法读取Alembic文件中相应帧的数据存入Cache中， 然后传入GPU中；最后将GPU中的数据进行渲染。
!—＞开始新的一赎
Cache
渲染
•?否    .调用LRUJI法渎L 9取文件指定桢数拐    
        1 1 1 1
Alembic 文件
结束当前帧

图9基于缓存技术的动画播放流程
5验证
为了验证本文设计的三维CG数字制作流程. 我们将其在《蚊子总攻》这部动画短片中进行了测 试应用，得到了制作人员较好的反馈结果。如图10 所示，为该动画短片中的5个分镜头。下面在它们 的基础上对应用该制作流程n寸动画环节工程文件载 入速度、内存消耗和渲染效率进行详细的分析和验
证。
镜头 2
镜头4    錢头5
图10《蚁子总攻》动Ki短片中的5个分镜头
5.    1工程文件载入时间对比
动画环节中这5个分镜头在载入工程文件时消 耗时间情况见表1。从实验结果中很明显可以看出， 采用本文设计的三维CG数字制作流程后.工程文件
的载入时间大幅缩短，普遍提高载入效率50%以上。
表1《蚊子总攻》动画短片中的5个分镜头
在动画环节中工程文件载入时间对比
存中的数据即可，普遍可提升渲染速度150%以上。
表3《蚊子总攻》动画短片中的5个
分镜头在动画环节中消耗内存对比
    三角面数量    总帧数    Maya    三维CG数字制作流程    
            Maya文件 载入时间（s）    数据交换格式 载入时间（$）    载入时间 减少（％）
镜头1    数五字多换替    60    57. 88    22. 01    6L 97
镜头2    数五字多换替    103    32. 52    16. 00    5Q 80
镜头3    数五字多换替    67    54. 81    2Z 15    59. 59
镜头4    数五字多换替    50    55. 72    21. 18    61. 99
镜头5    数五字多换替    63    54. 09    23. 50    56 55
    Maya    三维CG数字制作流程            
    渲染速度 （帧/秒）    第-•遍渲染        第二遍及以后 渲染速度（帧/秒）    第二遍及以后 速度提升（％）
        速度（帧.    秒）        
镜头1    5. 4    ia 6        1& 9    250. 00
镜头2    10    2Q 4        27. 4    171 00
镜头3    5. 6    ia o        15. 0    167. 86
镜头4    5. 6    11. 0        16 0    185. 71
镜头5    4. 7    & 0        12 0    155. 32
5. 2内存消耗情况对比
这5个分镜头在载入工程文件后的内存消耗情 况见表2。从实验结果中很明显可以看出，采用本 文设计的三维CG数字制作流程后，虽然文件明显 增大，所需要的硬盘存储空间也相应的增大.但是 在内存消耗上却降低了 20%左右。
表2《蚊子总攻》动画短片中的5个
分镜头在动画环节中消耗内存对比
    Maya        三维CG数字制作流程        
    Maya文件 大小（MB）    占用内存 （MB）    Alembic 文件 大小（MB）    占用内存 （MB）    占用内存 减少（％）
镜头1    109. 18    1039. 57    336    81L 46    21 94
镜头2    4& 67    1223. 54    290    1105. 88    9. 62
镜头3    109. 47    1241 10    365    885 27    2& 84
镜头4    104. 58    HU 52    240    852. 14    23 47
镜头5    101 19    1343. 05    106    924. 80    3L 14
5. 3动画播放效率对比
这5个分镜头在进行动画播放时的效率对比情 况见表3。从实验结果中可以看出，应用本文设计 的三维CG数字制作流程后，在对镜头进行第一-遍 动画播放时的速度与应用Maya渲染其原始工程文 件的渲染速度相比提升不大。这是因为Maya在渲 染每一帧动画时都需要应用其庞大的计算节点进行 插值计算・而三维CG数字制作流程需要在第一遍渲 染时将每一帧的数据由Alembic文件读入到缓存中
二者的速度相差并不大。但是当渲染第二遍及以 后时，Maya依然要进行插值计算每一帧的数据，而 采用三维CG数字制作流程后大部分时间仅需调用缓
6结论
本文提出了一个符合国内影片制作人员习惯的 三维CG动画数字制作流程。其中重点介绍了流程 的规划、数据交换格式以及在我们自定义格式下对制 作软件性能的改进方法，用于解决目前现有影视制作 流程中存在的各环节不够独立、数据无法兼容等问 题；并将该制作流程在动画短片《蚊子总攻》中进行 了应用和示范。根据反馈结果.该三维CG动画数字 制作流程能较好的提高影片制作人员的生产效率和质 量.而且工程文件载入时间减少50%以上，内存消 耗减少20%左右，渲染效率提高速度150%以上• 参考文献
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