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摘要
论文以制作一部三维动画短片为目的，深入学习和研究了三维动画制作软件——Maya和其他图形图像制作软件。
在短片制作过程中，通过查阅大量的相关资料，分析和研究了国内外影视级三维动画制作的各个步骤。
同时对个人三维短片制作过程中应注意的问题进行了深入研究，不但概括出了角色建模的布线原则，还总结出了个人三维动画短片的制作流程。
论文以《在劫难逃》这部三维动画短片作为实践基础，展示了三维动画制作的各个环节，并且进一步解释了制作过程中的相关三维动画技术,做出了相应的用法总结。
计算机技术作为现代科学技术的基础和核心，已经而且将继续对人类文明社会的进步与发展产生深刻影响。
而三维动画技术作为计算机技术的一个新兴产业，其发展的速度在某种意义上影响着CG行业的发展，它的发展不仅弥补了过去二维动画存在的一些不足，而且为以后可以更好的完善铺平了道路。
【关键词】三维动画；
制作流程；
CG行业
Abstract
Papertoproducea3Danimatedshortforthepurposeofin-depthstudyandresearchofthethree-dimensionalanimationsoftware-Mayaandothergraphicimageproductionsoftware.Intheprocessofvideoproductionprocess,throughaccesstoalotofrelevantinformation,analysisandstudyofthedomesticandinternationalfilmandtelevisionclass3Danimationproductionsteps.Meanwhile,individualthree-dimensionalvideoproductionprocessshouldpayattentiontoissuesin-depthstudy,notonlysummarizedtherolemodelingofroutingprinciples,butalsosummeduptheindividualstepsintheproductionofthree-dimensionalanimatedshort.Papersof"
doomed"
This3Danimatedshortasapracticalbasis,showingallaspectsofthree-dimensionalanimation,andfurtherexplainedtheprocessofmakingtherelevantthree-dimensionalanimationtechnologyalsomadeuseofthecorrespondingsummary.
Computertechnologyasthefoundationofmodernscienceandtechnologyandthecore,hasbeenandwillcontinuetheprogressofhumancivilizationanddevelopmenthaveaprofoundimpact.Thethree-dimensionalanimationtechnologyasanewindustryofcomputertechnology,thespeedofitsdevelopmentimpactinasense,thedevelopmentoftheCG,itsdevelopmentoverthepasttwo-dimensionalanimationisnotonlytheretomakeupforsomeshortcomings,butalsoforthefuturetobetterimprovepavedthewayfor.
【KeyWords】3DAnimation；
ProductionProcess；
CGIndustry
目录
第1章绪论1
1.1研究背景与意义1
1.2课题来源1
1.3主要工作2
第2章理论基础与分析3
2.1软件介绍3
2.2三维动画片制作流程4
2.3动画相关技术5
第3章动画角色制作过程6
3.1角色建模6
3.2角色材质7
3.3骨骼绑定设置9
3.4蒙皮与权重11
第4章动画场景制作过程13
4.1场景建模13
4.2场景材质14
第5章道具的制作过程16
5.1道具建模16
5.2道具材质16
5.3道具设置18
第6章动画设置20
第7章渲染22
7.1灯光设置22
7.2摄像机设置22
7.3渲染及其设置22
第8章后期合成24
第9章总结与展望25
参考文献26
致谢28
第1章绪论
1.1研究背景与意义
随着一部《阿凡达》（Avatar）的热映，三维动画的魅力又一次展现在国人面前。
不必说北美近七亿美元的票房收入，单单国内十四亿的人民币的收入也是中国史无前例的。
到底詹姆斯·
卡梅隆用了什么魔力把大家都聚集到电影院？
难道只是铺天盖地的宣传？
难道只是因为御用了萨姆.沃辛顿？
当然不仅仅是这些。
他把人们吸引到电影院用的是技术，三维动画技术。
他让大家觉得，不去影院就不能感受这部巨片带给大家的奇幻魅力与视觉震撼。
三维动画又称3D动画，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一门新兴技术。
三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型场景，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光。
当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面。
三维动画从简单的几何体模型如一般产品展示、艺术品展示，到复杂的人物模型；
三维动画从静态、单个的模型展示，到动态、复杂的场景如房产酒店三维动画、三维漫游、三维虚拟城市，角色动画。
所有这一切，动画都能依靠强大的技术实力为您实现。
中国的三维动画技术起步较晚,就现在的技术来看与欧美、日本的差距是巨大的。
但是三维动画技术所引领的动漫产业的良好的发展势头和速度让无数拥有CG梦想的年轻人看到了希望[1]。
经过数年如火如荼的飞速发展，动漫产业已在我国渐成燎原之势，这个21世纪最夺人眼球的朝阳产业，正以它欣欣向荣的发展现状和广阔无边的发展前景，在中国市场经济的发展中逐渐崭露头角，并会在未来起到越来越重要的战略作用。
2006年至2010年《国家十一五时期文化发展规划纲要》中明确确定要着力发展民族动漫产业，大幅度提高国产动漫产品的数量和质量[2]。
1.2课题来源
热爱动漫，深深被三维动画技术所吸引的我，一直以来就希望能做一部属于自己的三维动画短片，而自身技术水平的限制，我的第一部短片没有太多的高级技术。
经过近阶段的学习和实践，我认为自己的知识和能力已经有了很大的提高，我想再一次的挑战自己。
《在劫难逃》的故事情节是根据一截四格漫画改编，故事围绕一只老鼠和奶酪展开，情节诙谐幽默，结局让人意想不到。
把它作为毕业设计首先是因为其角色的动画不会太长，场景建模也是我力所能及的，各种特效在一般的计算机上也能够承担[3]。
1.3主要工作
本三维短片将使用主流的三维软件Maya、图形图像处理软件Photoshop、后期合成软件AfterEffects和Premier共同完成。
（1）利用Maya结合Photoshop进行动画制作
1）Polygons和Nurbs结合完成角色和场景、道具建模
2）UV贴图的展开和材质的赋予。
3）创建完整的两足动物骨骼和IK/F骨骼绑定设置，柔性蒙皮在角色上的应用，权重的划分。
4）关键帧动画制作和编辑
5）设置灯光和摄像机
6）渲染出图
（2）利用AfterEffects和Premier进行后期制作
1）AfterEffects中进行后期合成处理，加入特效
2）Premier中加入音效，进行最后剪辑和输出影片。
第2章理论基础与分析
2.1软件介绍
制作一部三维动画一般要使用很多的图形图像软件。
本三维短片动画部分使用Maya结合Photoshop完成。
后期合成选择AfterEffects和Premier共同完成。
Maya是美国Autodeskt公司出品的世界顶级的三维动画软件，应用对象是专业的影视广告，角色动画，电影特技等。
Maya功能完善，工作灵活，易学易用，制作效率极高，渲染真实感极强，是电影级别的高端制作软件。
Maya是Alias|Wavefront（2003年7月更名为Alias）公司的产品，作为三维动画软件的后起之秀，深受业界欢迎和钟爱。
Maya集成了Alias|Wavefront最先进的动画及数字效果技术，它不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还结合了最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染和运动匹配技术。
MAYA因其强大的功能在3D动画界造成巨大的影响[4]。
Photoshop是Adobe公司旗下最为出名的图像处理软件之一，集图像扫描、编辑修改、图像制作、广告创意，图像输入与输出于一体的图形图像处理软件，深受广大平面设计人员和电脑美术爱好者的喜爱。
三维动画制作中，Photoshop在材质模块发挥重要的作用。
AfterEffects是Adobe公司推出的一款图形视频处理软件，适用于从事设计和视频特技的机构，包括电视台、动画制作公司、个人后期制作工作室以及多媒体工作室。
而在新兴的用户群，如网页设计师和图形设计师中，也开始有越来越多的人在使用AfterEffects。
属于层类型后期软件。
三维动画的后期制作中AfterEffects必不可少，它的强大的特效编辑和图像合成能力让三维动画填色不少。
Premiere是Adobe公司出品的一款视频编辑软件，是一种基于非线性编辑设备的视音频编辑软件，可以在各种平台下和硬件配合使用，被广泛的应用于电视台、广告制作、电影剪辑等领域，成为PC和MAC平台上应用最为广泛的视频编辑软件。
它是一款相当专业的DV（DesktopVideo）编辑软件，专业人员结合专业的系统的配合可以制作出广播级的视频作品。
在普通的微机上，配以比较廉价的压缩卡或输出卡也可制作出专业级的视频作品和MPEG压缩影视作品。
三维动画的后期制作中，Premiere主要的工作就是片段剪辑、添加音效、合成输出影片[5]。
2.2三维动画片制作流程
一个完整的影视类三维动画的制作总体上可分为前期制作、动画片段制作与后期合成三个部分。
每个制作公司都会根据自己公司的风格制定自己的制作流程，然后严格按照流程进行动画制作。
一部动画影片一定要有自己的制作流程，《在劫难逃》也不例外，但是因为所有的工作都是由我一个人完成，所以就可以灵活的安排各个流程的顺序，不必亦步亦趋的按照基本制作流程[6]。
在参考了很多大公司的制作流程后，再结合自身情况总结出了属于自己的一套制作流程，如图2-1所示：
图2-1动画制作流程图
《在劫难逃》的前期制作包括文学剧本创作、分镜头剧本创作、造型设计、场景设计，在这个阶段要充分发挥自己的想象力，先将文学剧本完成，然后根据文学剧本再加上老鼠的造型和场景的设计将分镜头构思好，以方便动画设置时关键帧的间隔时间和关键帧动作的摆放。
前期制作主要是对剧本的构思，这部分的就不进一步做解释[7]。
动画片段制作部分是在Maya中完成的。
在前期设计的基础上将老鼠和场景的模型还原到三维软件中，接下来就是在已经完成的建模上赋予材质，材质贴图的赋予要结合Photoshop等二维图像制作软件共同完成。
在此基础上我结合自身情况将角色和场景分开来制作，先将角色建模，材质，骨骼绑定，蒙皮和分配权重完成，再进行场景的建模，材质和设置。
动画是根据分镜头剧本与动作设计，将老鼠的动作对老鼠进行关键帧的设置，俗称K动画[8]。
渲染在动画的关键帧制作完成之后，首先要给动画添加灯光和摄像机，这是给动画添彩的部分，动画的风格在这个环节也将尽可能的体现出来。
当一切设置都完成并且单帧渲染图符合要求的时候就要开始渲染整个动画的序列帧，而随着一张张序列图的生成，动画片段制作部分也告一段落。
《在劫难逃》的后期制作是AfterEffects和PremierPro共同完成的。
将之前所做的动画片段的单帧导入AfterEffects，加入特效、片头和片尾，然后再导入PremierPro进行片段剪辑、添加音效、合成输出影片[9]。
2.3动画相关技术
本动画主要利用maya实现建模，材质，动画及渲染过程，并应用Photoshop完成贴图绘制，后期制作由AfterEffects和PremierPro共同完成。
主要技术概括如下：
（1）Polygons和Nurbs建模
（2）UV和贴图材质。
（3）金属材质
（4）创建完整的两足动物骨骼和控件
（5）柔性蒙皮在角色上的应用
（6）权重分配
（7）关键帧动画制作和编辑
（8）场景灯光布置和相关渲染设置
第3章动画角色制作过程
3.1角色建模
角色建模是模型师根据前期的造型设计，通过三维建模软件在计算机中还原出角色模型。
这是三维动画中很基础的一项工作，这个环节完成的好坏关系到以后几乎所有的制作流程，所以角色建模要注意的事项很多，既要使模型还原度高，又要考虑到后面的制作步骤[10]。
建模常见方式有：
多边形建模——把复杂的模型用一个个小三角面或四边形组接在一起表示；
样条曲线建模——用几条样条曲线共同定义一个光滑的曲面，特性是平滑过渡性，不会产生陡边或皱纹。
细分建模——结合多边形建模与样条曲线建模的优点面开发的建模方式
多边形建模经常被业内人士称为Polygon建模。
在国内，角色建模一般使用Polygon这种建模方式，《在劫难逃》中的老鼠就是由Polygon建模完成的。
从一个方块到一只老鼠可以运用的工具只是挤压，加线和调点等简单的工具。
所以角色的布线就至关重要，加什么样的线，加在哪里都是对建模师技术和经验的考验。
在制作老鼠的建模的过程中，我总结出了自己的建模原则。
《在劫难逃》角色建模布线原则：
（1）尽量避免三角面
（2）特殊部位应采用环行线
（3）关节处至少有三根环线
（4）用最少的线完成还原度最高的模型
结合上述原则，老鼠的建模布线如图3-1所示：
图3-1角色建模的布线
3.2角色材质
材质贴图，材质即材料的质地，就是把模型赋予生动的表面特性，具体体现在物体的颜色、透明度、反光度、反光强度、自发光及粗糙程度等特性上。
贴图是指把二维图片通过软件的计算贴到三维模型上，形成表面细节和结构。
对具体的图片要贴到特定的位置，三维软件使用了贴图坐标的概念。
一般有平面、柱体和球体等贴图方式，分别对应于不同的需求。
模型的材质与贴图要与现实生活中的对象属性相一致[11]。
《在劫难逃》中角色的材质赋予只是应用“以面为单位赋予”，因为老鼠的模型表面没有生成用毛发（毛发要求的电脑配置过高，一般的PC机很难进行正常的解算），只是单纯的面，而《在劫难逃》是用卡通的表现方式，所以角色的材质采用单色，既简单明快又生动可爱。
在材质球的选择上，因为老鼠的皮肤基本没有高光，再结合整体的风格就选用了Lambert材质球。
以面为单位的材质赋予就相对的简单很多，只需要在Maya的Hypershade视窗中选择Lambert材质球，给材质球相应的颜色，然后选择模型的面赋予即可。
用这样的方法对角色进行材质赋予只需要四个Lambert材质球就完成了老鼠全身的材质。
图3-2所展示的就是在Maya中Hypershade面板的角色材质球。
图3-2Hypershade面板中的角色材质球
材质球赋予老鼠后，老鼠就不再是毫无生气的灰色模型，而更像是一只真是存在的可爱小老鼠。
图3-3所展示的就是赋予材质后的老鼠。
图3-3赋予材质后的角色
3.3骨骼绑定设置
骨骼绑定设置分为两个步骤：
创建骨骼和绑定设置。
创建骨骼就是依据角色的动作精细程度和给角色创建虚拟骨骼。
绑定设置是在骨骼的基础上创建控件来控制骨骼的运动幅度、运动方向。
《在劫难逃》的主角老鼠是以拟人的手法表现的，所以创建骨骼时选用的是典型的两足动物骨骼。
在Maya中为用户提供的关于骨骼创建的命令不多，但是运用这些命令足以很快的创建出一套类似人类骨骼的虚拟骨骼[12]。
图3-4所展示的就是老鼠身体的整套骨骼。
图3-4老鼠身体骨骼
当然在K动画的时候，Maya是不允许给骨骼K帧的，这就需要给骨骼绑定控件，控件一般由CV曲线来制作，其形状并不影响以后的关键帧设置，所以CV曲线的只要在模型之外，容易选择即可，形状上就不做要求，像是环形，立方形等都经常被使用。
根据本片角色的运动规律，老鼠四肢的骨骼都选用FK（正向动力学），所以不需要制作手柄。
而老鼠的尾巴的骨骼则选用SplineIK（线性反向动力学），就需要给骨骼制作线性IK。
线性IK与控制器的绑定一般用簇作为纽带。
在此基础上，将CV曲线和手柄或骨骼绑定的方法就是利用Maya提供的各种约束（Constrain），像是控制移动方向的点约束（Point）、控制旋转方向的旋转约束（Orient）等等[13]。
图3-5所展示的就是老鼠骨骼的绑定设置。
图3-5骨骼绑定设置
3.4蒙皮与权重
由于骨骼与模型是相互独立的，为了让骨骼驱动模型产生合理的运动。
把模型绑定到骨骼上的技术叫做蒙皮。
而权重划分就是给每根骨骼分配其能够驱使的模型范围，因为权重划分是用笔刷圈定模型范围的，所以业内人士也称之为“刷权重”。
蒙皮和权重是不可分割的。
蒙皮之后的刷权分配是必不可少的，当然刷权重的烦杂与否与模型的精准和骨骼的位置有密切的关系，只要模型和骨骼都很完美，权重就只要稍稍一刷就可以[14]。
蒙皮相对于其他工作算是简单的。
首先确定是刚性蒙皮还是柔性蒙皮，刚蒙一个点的权重只能被一个骨骼控制,柔蒙能被多个骨骼控制,拉伸效果好。
所以《在劫难逃》的老鼠选择了柔性蒙皮。
然后只需要选择全身骨骼和模型做SmoothBind即可。
《在劫难逃》中老鼠的建模和骨骼还算是精确，所以权重就不是特别麻烦，但是刷权重是一项精细的工作，一定要每根骨骼的运动都只驱动应该驱动的模型部分，一旦出现牵连的错误就会影响到将来动画的设置[15]。
图3-6所展示的就是刷权重的过程。
图3-6权重分配（刷权重）过程
当然，刷完权重之后一定要仔细检查。
检查的方法就是活动每个控制器，查看其驱动是否合理。
至此，《在劫难逃》的角色部分就制作完成了。
第4章动画场景制作过程
4.1场景建模
场景建模相对于角色建模简单了许多。
场景建模一般涉及不到动画设置，只需构建模型，而且基本不限制模型的类型，只要符前期的造型设计即可。
场景的建模方式可以随意选择，不论Polygon还是NURBS都可以使用，这就使建模师有了很大的空间发挥，也使场景建模方便了许多，但是一般影视级作品场景异常宏大，像是《阿凡达》中潘多拉星球上的参天大树和漂浮在空中的山脉都是要一一用模型构建出来的。
所以场景建模师的任务也是相当繁重的[16]。
《在劫难逃》中的场景非常简单，是Polygon和NURBS建模组合使用完成的。
NURBS的特点是平滑、柔和，所以用来在平面掏洞最合适，场景中老鼠的洞口就是用NURBS的投射曲线到面工具（ProjectCurvesOnSurfaces）,掏洞完成后再转换成Polygon完成墙上的踢脚线。
地面是一个Box。
墙上的小纸片用面来完成。
场景建模应尽量减少面的使用，这样才能节省电脑的运算量。
图4-1所展示的就是整个场景建模的布线。
图4-1场景建模
4.2场景材质
场景的材质运用了和角色材质一样的“以面为单位赋予”和材质贴图。
而材质贴图中就用到了“UV”。
“UV”这里是指U向和V向的纹理贴图坐标的简称（它和空间模型的X,Y,Z轴是类似的）.它定义了图片上每个点的位置的信息.这些点与3D模型是相互联系的,以决定表面纹理贴图的位置.就好像虚拟的“创可贴”,UV就是将图像上每一个点精确对应到模型物体的表面.在点与点之间的间隙位置由软件进行图像光滑插值处理。
这就是所谓的UV贴图[17]。
墙的踢脚线运用的是加颜色的Lambert材质球，选择面赋予即可。
而墙面和地面则是给材质球添加的贴图，贴图是从相应的网站下载的图片再经过PhotoShop的加工、导出后，通过Maya的材质球连接在模型上。
图4-2所展示的就是Maya中Hypershade面板中的场景材质球。
图4-2Hypershade面板中的场景材质球
材质球赋予场景后，灰色的墙壁和地面就有了属于自己的颜色。
图4-3所展示的就是赋予材质后的场景。
图4-3赋予材质后的场景
墙上的纸片需要将模型的UV输出到PhotoShop中，再根据模型UV进行绘制。
这样就需要用到Maya的UV工具，而纸片只是由面组成，所以Maya自动完成的UV经过稍微的编辑就可以直接使用。
拥有贴图的材质球赋予纸片后，纸片上就有了文字。
图4-4所展示的就是赋予贴图后的纸片。
图4-4输出UV绘制的材质贴图
第5章道具的制作过程
5.1道具建模
《在劫难逃》中的道具不仅仅是老鼠夹和奶酪，还有最后老鼠被老鼠夹夹死时，出现的内脏和血。
老鼠夹得制作运用到了Polygon和NURBS的众多工具。
老鼠夹的模型要参照实物来创建，这样才会给人以真实的感觉。
从网上下载真实世界中的老鼠夹，对照其构造、比例，在虚拟三维软件中构造其模型。
老鼠夹得弹簧是Polygon的Helix（螺纹）工具制作，设置其相应的宽高比例即可得到弹簧的效果。
其余的小部件是Polygon结合NURBS完成的。
场景建模的宗旨是无所不用其极的形似，所以用Polygon还是NURBS都是无所谓的，只要能用最少的线来构造出
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