基于三维扫描仪的偶动画补间研究-东京国际动画片博览会2008 看板娘 立体POP 等身大模型
刘勇+阳君杰
摘 要：动画技术是动漫产业中重要的一环。我国动漫产业困惑的集中表现是越来越大手笔的资本投入和越来越低效率利润回报，先进和适用动画技术无疑是突破困惑方式之一。文章通过对三维扫描技术进行研究，通过三维扫描仪为三维造型为动画制作提供角色支撑，让传统泥塑艺术与当下的数字艺术在这里得到连接与互通。其重建技术为传统偶动画提供了一种新型的技术方向，它具有低成本，独立性强的特点，可以为小成本动画制作提供良好的技术支撑，也为高校实验动画寻找到了一种新的创作方式。
关键词：偶动画；三维扫描；数字重建；数字补间
检 索：www.artdesign.org.cn
中图分类号：J 文献标志码： A 文章编号：1008-2832（2014）09-0099-03
Research of Tweens Based on 3D Scanner Complement
LIu Yong， YANG Jun-jie
（university of South China， Hengyang 421001， China）
Abstract ：animation technology is an important part of the animation industry. Focus on the performance of Chinas animation industry confusion is more and more large capital investment and low efficiency of increasing returns， advanced and applicable technology is a breakthrough animation confused way. The article research of 3D scanning technology， the 3D scanner for 3D modeling to provide role support animation， digital art traditional clay sculpture art and contemporary get connected with the intercommunication here. The reconstruction technique provides a new direction for the traditional puppet animation technology， it has the characteristics of low cost， independence is strong， can provide good technical support for low cost animation， experimental animation for colleges and universities to find a new way of creation.
Key words ：animation； 3D scanning； digital reconstruction； digital complement
Internet ：www.artdesign.org.cn
一、偶动画现状与三维扫描技术结合的设想
通过市场观察，我们发现在众多的动画形式中，传统的泥偶动画仍旧有着不凡的市场表现，比如《酷狗宝贝》《小鸡快跑》《人兔的诅咒》等等。然而在我国泥偶动漫制作道路上，除去靳夕导演的《阿凡提的故事》系列片这部经典作品之后便再少有可圈点之作。究其原因主要是泥偶动画成本太高，费事费力。例如《小鸡快跑》一剧，光角色骨架就投入数千万美元，此外还需要50位顶级艺术家捏偶造型拍摄，500台惠普旗舰计算机不停的渲染，耗时4年方才完成。制作的高成本成本仍然是制约我国动画产业化发展的瓶颈。为了缓解这一问题，业界普遍认为在降低动画成本的手段上计算机（CG）辅助是一个重要的方向。
提高传统动画的拍摄效率，提高偶的制作，补间精度都离不开对数字化平台开发和利用，所以我们也将思路投向可以整合的数字平台，其中三维扫描仪是一项倍受关注但又缺乏深入研究的领域。三维扫描仪本来只是用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）的仪器。从现有的应用范围来看，它所搜集到的数据常被用来进行简单几何形的三维重建计算。但是在复杂形态三维数据的复制或重建过程并非仰赖单一技术，各个行业都有不同的重建技术，每种重建技术背后都隐藏着其优缺点，而三维扫描仪这个设备本身在设计上和技术上也有高低之分。
二、三维扫描在数字泥偶重建中的局限性与改良方式
对于三维扫描仪在工业领域的运用，我们常常这样简要的表达：它能快速精确地完成某一件的仿制加工或是模具的设计，你只需对着需仿制或复制的物品进行扫描，得到物体的计算机的三维图像（数字模型），再与数控加工设备进行联接，一件与真实物品完全一样的仿制品就完成了。但是这是一个非常简化了的理想状态，在实际中泥偶扫描的过程中我们常常遇到许多问题。比如：扫描前预处理喷涂物质的普适性；模偶四肢，衣褶，盔甲等遮挡物下的死角的数据取得；扫描数据的平滑方式；重建后的数据分享与理解等等问题。
基于上述泥偶扫描局限，我们以动画《糖罐的秘密》主角为例，来呈现在三维扫描补间过程中面临的问题和解决方案。《糖罐的秘密》是我校动画专业的学生张银波的课程作品，讲述了一个山区小学女生宿舍温情小故事，主要涉及了5位小女孩以及一个乡村小学的环境背景的造型。endprint
（一）泥偶造型
雕塑橡皮泥是一种价格低廉且快捷和方便的塑形材料，它兼具油泥和粘土的优点，在粘土动画中广泛运用。基于泥偶的制作将会影响后期扫描，故在造型设计的初始阶段我们就规避后续的麻烦，首先上角色造型以圆鼓为佳，避免尖锐的死角与黑洞，而后需要对角色进行光顺处理，使角色表面更利NURBS运算（图1）。如果需要粗糙肌理，可在后期通过贴图处理。
（二）喷涂
光学三维扫描仪对于高反光物质和高吸收物质都会产生扫描误差或空洞，针对橡皮泥泥偶，我们采用美达工业探伤剂FA-8，这种探伤剂色泽纯白，环保快干，不易掉粉。更为我们看重的是他是水溶性粉末，在模偶抄数后非常容易清洗。 这种探伤剂通过压缩空气空气罐雾化白垩粉，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面。形成精致而且超薄的亚光白，可以最大限度的给扫描探头提供足够的反差且均质的影像。（图2）
（三）运动单元分解
模偶动画的视觉特征其一就是动作机械化，切不可失去，这也是区别完全CG三维动画的情趣所在。对于运动单元的分解，应该以方便抄数为主，而不是无限度的生理解剖。由于动画后期会设计面部表情，可以多做一些面部表情头像。
（四）数据点的平滑与简化
受测量过程中随机误差以及数据采集时对空间连续光带的离散采样等因素的影响，采集后获取的数据一般是不光滑的（图3），其中的部分数据点会轻微偏离原始位置，因此，一般需要对数据进行平滑处理。对于本实验系统采集到的数据，直接采用平均算法进行处理，首先将轮廓数据进行分行，对于每一行数据图（图4为所截取女娃背部的一行数据中的一段，在右下角的部分有较明显的小的锯齿状的起伏。）经过上述处理后，数据点的位置会有所变动，但是由于采集到的数据十分密集，这种位置的变动不会导致整体曲线形状的失真，只会使数据点变得更加平滑。数据平滑过程需在数据杂散点消除过程之后进行，否则杂散点将会对平滑结果有显著影响。
数据点的简化在三维泥偶重建时有着必要性，因此只要在能满足造型条件下，必须得到的数据进行简化，使得简化后的数据既保留了物体表面的有用信息，又在数量上大大降低，从而实现对数据的高效处理 。对数据简化可以通过以下两种方法来实现：第一种，在数据采集阶段根据要求对数据进行简化。在数据采集阶段，我们可以根据分辨率要求以及被测物体表面的形状对数据进行合理简化。可通过调整竖直方向采样间隔以及光带图像采样间隔来实现。竖直方向采样间隔越大，获取的数据量就越小，同样，在对光带图像进行采样时，不必对每一个像素都进行计算，可以以一定间隔对光带进行采样，从而实现对数据的简化。这种方法在数据简化的效果上是十分可观的，会使数据量成倍地下降，但是此时也会降低获取数据的分辨率。第二种方法是在获取数据的基础上，利用一定的算法来实现对数据的简化。根据数据密度的需要从中均匀剔除部分冗余点即可。经过上述处理后，数据点的位置会有所变动，但是由于采集到的数据十分密集，这种位置的变动不会导致曲线形状的失真，只会使数据点变得更加平滑。
（五）残缺数据补全
由于受到扫描对象、现场环境、扫描速度和时间等的限制，导致三维物体的某些部分获取的数据不完整，比如眼窝，指（趾）缝，这种现象在被扫描对象的外形比较复杂（如女娃的脚底，发髻）这些洞的产生主要原因是因为由于较低的反射率、扫描仪位置设置（即视点）等的限制，或者仅仅是由于激光扫描仪的扫描光束的直线探测而造成。而这些修补工都是手工进行的。要提高工作的效率，就必须对该软件的应用熟练掌握，并清楚各个功能的使用条件，且要清楚各个功能之间的差别所在。（图5）对残缺数据产生的空洞的处理方法可总结如下：
1.对于那些具有多重边界空洞，可选择合适的（可能不是圆盘的）拓扑结构来构造三角面片。
2.根据重采样原理，对采集得到的数据进行重新采样，以便补齐缺损的数据。
3.在扫描过程中，尽可能在多视点的情况下进行扫描，以便获取完整的数据。
4.利用体模糊的方法来对残缺数据造成的空洞进行填补。
三、补间平台的拓展与技术对接
在动画制作时，在两个关键帧中间需要做“补间动画”，才能实现角色的运动。在传统的泥偶动画制作中其实是没有“补间”这个概念的，因为他是线性拍摄的，每一张都为下一张提供动作起点。“补间动画”是计算机动画出现后才有的概念，是指两个关键帧之间的插补帧是由计算机自动运算而得到的过程。当标准偶（图6）在3d-max或其他软件重建后即可以对整个动画进行补间制作了，动画补间可以使动画在观影状态下更为流畅和真实，也可以进行艺术化的电影语言描述（图7）。例如蒙太奇镜头，人物面部特写，环视，重复的节奏。他直接的降低了传统拍摄的劳动量和物质成本。其中最主流的拓展设备是——动态捕捉仪。它可以通过在演员的头、膝盖、其他关节处贴好反光球捕捉点，演员按照导演指定的要求进行表演时把反光球的数据被摄像机捕捉后实时存储到控制电脑里。动作捕捉技术不仅弥补了三维制作在角色动作调节上花费大量时间的弊病，更提升了三维艺术家把握作品艺术质量和掌控动画角色表演最终效果的控制力。
尽管目前一些三维动画师对运动捕捉技术的看法还存在分歧，但运动捕捉在海外却早已被广泛应用，电影大片《金刚》《星球大战》《角斗士》《极地特快》中都有运动捕捉技术的体现。运动捕捉技术能够弥补动画师创作经验的不足，对角色动画、群体场景、影视特技、电脑游戏等方面有着不可低估的作用。
四、技术创兴与局限性
动画创作最大的魅力就是它的虚拟性，这种虚拟是指动画的角色设计与场景设计“脱离”了生理与物理规律，创作者可以充分展开自己的创意，任意挥洒创作灵感。但从另一个方面来解读这种“脱离”，它仍旧是基于现实的生理规律与物理规律的，只是在规律上的夸张或简化。恰如神话故事的产生，既是对现实世界的背离，又是对现实世界的反应。矛盾的状态严重的考验着动画人的智慧，这种困惑也是激发动画从业人员不停的创新实践。我国的画制作也正面临着基于虚拟平台完成真实世界实现的严重考验。一方面是效率问题，这直接影响到影片的制作成本，是否有利润的收效，这关系到动画制作人的生存；另一方面是是如何打动观众，使之有情感投入，这直接体现为影片的艺术质量的展现。
项目来源：湖南省教育厅《小成本偶动画数字化补间技术研究》编号12c0357；衡阳市科技局《基于三维扫描技术的偶动画制作研究》编号2012KG60
参考文献：
[1]吴福生，丁玉成，卢秉恒.基于点云数据复杂曲面产品的快速开发[J].西安交通大学学报.2001（06）97.
[2]许智钦，孙长库.逆向工程技术[M]中国计量出版社.2002.
[3]袁亮，黄利.浅谈数字媒体艺术对动画设计的影响[J].电影评介，2009（01）75.
[4]黄博远，黄铂钧.刘椿年一种结构灵活的数字角色骨骼自动生成方法[J].计算机工程，2007， （33）224-226.endprint
