计算机图形学在影视动画领域的应用与发展

1计算机图形学在影视动画领域的应用与发展一、计算机图形学在影视动画领域的发展国际上习惯将利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域通称为CG。动画是通过连续播放一系列画面，给视觉造成连续变化的图画。它的基本原理与电影、电视一样，都是视觉原理。人类具有“视觉暂留”的特性，就是说人的眼睛看到一幅画或一个物体后，在1/24秒内不会消失。利用这一原理，在一幅画还没有消失前播放出下一幅画，就会给人造成一种流畅的视觉变化效果。CG技术最先源于美国。自1968年美国科学家第一次在实验室中将自己亲属的照片扫描进计算机以来，计算机图形已经在美国发展了整整34年，其中1975年开始举办的计算机图形艺术联合展不仅极大推动了美国CG动画的发展。拥有先进计算机技术的美国，如今CG动画已经广泛深入到影视制作，在影视每年给国家带来了近千亿美元的经济利润。可以说，CG已经在美国形成了一种产业，深刻影响着美国的经济和文化发展。而CG动画指电脑制作动画，就是电脑原先就制作好了的动画，主机只需要播放就可以了。跟它相对应的是即时演算动画，是一段程序需要主机进行计算才能播放出的动画。从1991年的《终结者2》到2010年的《阿凡达》，我们感受到CG在质上的飞跃。如今影视动画特效制作已成为CG领域发展的前沿。CG技术实现了我们原先梦中的一些镜头，将导演天马行空般的想象力搬上了银幕。而3D动画电影堪称电影业中当之无愧的“高科技板块”，它代表着电影业发展的趋势。世界上第一部完全用计算机动画制作的电影《玩具总动员》突破了数字技术在电影业中的运用限制，给电影制作开辟了一条全新的道路。与此同时，2005年推出的《魔兽世界》就是最好的例子，它以恢宏的场面、美轮美奂的背景、高度仿真的环境、扣人心弦的故事，让无数魔兽玩家体会到了CG的神奇魅力。图1终结者图2阿凡达图3魔兽世界2现如今CG动画已成为影视动画中不可或缺的组成部分，可以说，CG已经在美国和日本等国形成了一种产业，深刻影响着他们的经济和文化发展。二、计算机图形学在影视动画领域的作用及优势在最近的十几年里，CG动画以高端科学技术为依托，以无限的创意为内容，彻底颠覆了传统视觉时代，开辟了流光溢彩的图像新时代，CG动画给影视动画领域带来了近千亿美元的经济利润以及前所未有的便利和体验。首先，由于人力物力的局限性，影视中有些场景很难实现。例如，《珍珠港》中日机横行肆虐的浩大场景。2004年电影大片《特洛伊木马屠城》，其中声势浩大的抢滩登陆场面，城池的鸟瞰，《阿甘正传》片头中羽毛徐徐飘落的镜头的婉约。这些镜头在现实中拍摄起来会非常的困难。CG动画的运用均可称为画龙点睛的神来之笔，没有这些CG动画的加入，如何能展现出这些美妙和壮观的场面。其次，还有些镜头是非真实场景，是必须通过电脑特效来完成的，例如彗星撞地球、机器人变形、以及追述到恐龙时代的那些场景，更甚者遥望遥远的未来时空……电影应该是影片的想象空间非常广阔，为观众描绘了一个神奇莫测的奇妙世界。在CG动画的配合下，使观众达到了身临其境的感觉。再者，一次又一次的近距离交火使传统动画片的制作人们清醒过来，传统动画在娱乐性上是无法与CG动画竞争的，CG动画的制作比起传统动画片的制作来说是非常有效率的。首先在CG动画本身制作方面，已经节省了一定开支。一部动画影片，若普通传统动画公司，整个从业人员约有3000到4000人，每月产量可以达到200本，这种工作效率是非常惊人的。由于CG动画无需实质性的纸张，几乎完全动用计算机制作，节省了物理成本，也有助于环保。因为CG动画的制作不像传统动画那么多工序，所有速度方面也远远比传统动画更快。一般需要2年便可完全完成一部电影作品。另外，在收益方面，全CG动画电影成为好莱坞最赚钱的电影类型。最后值得一提得是，说CG“很效率””很节省”其实未必准确，我们不能以偏概全。因为CG动画写实的制作费用非常高昂。举例来说，若要拍摄一个窗帘在阳光下轻轻飘动的镜头或者是一片树叶随风飘落的过程，恐怕搭景拍摄要比用CG作成同样效果来得方便廉价得多；但是，若要拍一个成千上万人大场面的全景，用CG绝对会更划算了。所以，若是灵活运用CG技术，只是在影视方面就可带来无穷的效益。图4传统动画图5CG动画3三、计算机图形学在影视动画领域的应用前景步入21世纪以后，CG这个新兴的技术行业在影视动画创造出巨大的经济价值。尤其在美国、日本、韩国等国家，动画电影得到了普遍认同和接受，并成为国民经济收入的重要来源。目前，权威资料显示，全世界的CG行业产值约为5000亿美元，在美国、日本、欧洲等国家和地区，正以强劲的势头飞速发展。CG，正逐渐成为国民经济支柱的一个崭新分支，更从一个行业发展成为庞大的产业体系。1、在影视特效方面CG动画的运用均可称为画龙点睛的神来之笔，没有这些CG动画的加入，如何能展现出这些美妙和壮观的场面。还有些镜头是非真实场景，是必须通过电脑特效来完成的，例如彗星撞地球、机器人变形、以及追述到恐龙时代的那些场景，更甚者遥望遥远的未来时空……电影应该是影片的想象空间非常广阔，为观众描绘了一个神奇莫测的奇妙世界。在CG动画的配合下，未来将使观众达到了身临其境的感觉。例如，福克斯公司为之投入4亿美元，把数码技术用于虚拟场景之中的《阿凡达》，把从世界各地拍摄的场景经过加工，营造出让人惊叹的外星球奇异气氛，大部分场景都将观众带入神奇美丽的潘多拉星球，并通过2D、3D、IMAX技术播放影片。该电影中所运用的电脑特技已经达到了随心所欲的程度，视觉的震撼力超过大多数的同类(非全CG)影片。2、在全CG动画影视方面CG动画是一种虚幻的现实。这是实现电影蒙太奇的途径之一。试想由观众亲涉其间，控制角色的举动，从而对场景产生互动后果，这是怎样一个梦幻般的体验啊！于是，传统三维动画电影和全CG动画电影进行了一次刺刀见红的较量。1995年，世界上第一部完全用电脑动画制作的电影《玩具总动员》上映，该片不仅获得了破记录的票房收入，而且给电影制作开辟了全新道路。影片中所有的场景和人物都由CG构成，虽然在我看来剧情和人物举止并无多少可圈可点之处，在中国上映时甚至还有小孩子看了一半嚷着要退场，然而它的意义前面已经说了，绝不在于观赏性。要知道，片中人物即使是一个丰富的表情或是一些细微的举动，都要动用成百上千的CG画面整合而成，而CG场景的塑造其艰辛程度更是圈外人所难以想像的。所以，未来CG动画中的许多细节都必将处理得更加得当，在选色方面比传统卡通片更加鲜艳、亮丽、突出物体的质感。总而言之，在未来，CG动画与影视动画的完美结合必将以一种令人瞠目结舌的狂潮冲击人们的日常生活。游戏、影视、动漫热无疑站在了这股浪潮的最前端。预计未来3至5年内，CG产业将成为全国IT业和娱乐业的支柱产业之一。CG产业将大力带动电信产业、硬件设备、软件技术等产业的发展，进而推动文化娱乐、媒体、影院、网吧、玩具等周边产业和衍生产业的发展。四、计算机图形学在影视动画领域中面临的挑战性问题随着计算机的高速发展，CG动画正在日新月异的影响我们的生活，不管在好莱坞大片中难分真假的CG动画建模，还是电视里五彩缤纷的后期包装特效，都成了我们生活中不可或缺的精神消费。但是专业人员进行制作时，会发现计算机技术在运用中会出现诸多问题。这些问题会使CG动画在制作过程中面临挑战。下面我们就来分析一下这些具有挑战性的问题。1、CG作品制作难度较大，一些技术性问题尚未解决。CG作品中那么多的特效镜头，制作难度到底在哪呢？其实不过三字：不可控。破碎，爆炸，烟雾，火焰，雪崩等动画的生成，往往依赖于利用计算机程序求解物理模型，此时，给定一组初始条件以及系统物理参数给电脑，电脑运算的结果，却不是人为可以控制的。那么问题来了，对导演来说，不按剧本各种特效画面乱飞，简直不可接受，也不符合艺术表达效果。明明脚本要来一个自上而下的特技爆破，结果运算出来的实际表现是空中爆4炸，这是闹哪样呢？于是只能通过大量的数据计算来规避风险。真人电影要拍大雨滂沱，好歹还能人工造雨，到CG这就必须要靠艺术家日以继夜的重复尝试。图6像流星雨一般坠落的石头图7变形金刚中战火纷飞，碎石飞舞的战斗场景2、一些难点技术尚未解决例如人脸皮肤复杂的光学效应--子表面散射。子表面散射由于入射光线入射后在皮肤中与红色的血液细胞散射后再出射而造成，由此出射光线会带有一定的红色，使得皮肤看起来有正确的质感，通俗地说，子表面散射的视觉效果就是“通透”。我们常见的玉器，皮肤等，都因为这种光学现象而被正确感知，但这种光学现象计算机模拟起来比较困难。图8玉器中的子表面散射图9人类皮肤在强光照射时的子表面散射5图10复杂的光学效应--子表面散射图11老和尚的面部皮肤的高频细节3、CG作品制作产生数据较大不说那么多特效的制作，单单讨论大量的CG数字角色的运动（计算机模拟），这虽然不是一个很难的问题，可要把它给做好了，却包括了相当程度的工作量。我们可以在此估算一下特效数据：按照每个镜头3秒算，每秒24帧，产生72个时间步的数据，最后用到画面中的可能只占了全部制作出来的20%，总共产生了100*72*5=36000个时间步的数据，按照每个时间步的解算平均需要10分钟计算机时间，每一步使用200*200*200*4*25byte的内存空间（0.7G)，总共可能产生了26822GB的数据量以及6000小时（8个月）的计算机时间。在这些群组镜头中，我们可以看到：大量的CG数字角色的运动（计算机模拟），这虽然不是一个很难的问题，可要把它给做好了，却包括了相当程度的工作量。比如下图中一个电影级别头发运动的一个算例，每帧需要花费12分钟来模拟50万条头发之间相互的碰撞以及反弹。图12一个电影级别头发运动的一个算例4、CG作品创造起点较高6对于一个CG创作者，“技术”和“艺术”两方面的知识修养是缺一不可的，它们是相辅相成的。首先，大量的特效镜头，从制作上大大增加了影片的成片难度，对艺术家的经验以及整个团队的调控能力是一种考验。其次，如何增强CG作品的艺术表现力，如何提高CG行业的整体技术水平和美学素养，如何有效率地提高创作和制作水平是摆在我们面前不可忽视的课题。曾经有权威人士对CG动画应用于影视这样评价：“星战之父乔治-鲁卡斯曾说：我认为我应该算是使用虚拟角色最多的导演了，但是我不认为电脑可能对演员造成什么实质性的威胁--毕竟，我需要能与我心灵相通的演员来领会我的用意并加以演绎发挥，而虚拟演员始终不可能达到如此具有智慧和能动性的高度。”“而曾制造出侏罗纪恐龙的斯皮尔伯格的回答更干脆：虚拟演员代替真正演员？--这不可能，这根本就是一个不值得讨论的问题！至今对于大多数电影人来说，虚拟时空仍然还是只停留在幻想的阶段。”五、解决挑战性问题的可能的解决途径就目前的CG技术而言，解决上述问题还显得比较困难，所以CG技术的发展也决定着影视动画方面究竟能否在未来一展宏图。而未来CG技术则主要存在以下几个方面的发展方向，以期解决现在面临的问题。1、与图形硬件的发展紧密结合，实现实时高真实感、高分辨率渲染近10年来，基于GPU的图形硬件技术得以发展迅速，但目前还无法实现复杂的视觉特效，离实时的高真实感渲染还有很大差距。其主要原因是：①缺乏良好的数据组织方法，基于GPU方法由于硬件的架构原因，数据组织无法如同CPU方法一样的组织，因此对复杂的数据结构仍无法得到很好地支持。②缺乏标准高效的GPU高层编程语言、编译器以及相应调试工具。因此如何解决这些问题将是未来CG工作者研究的重点方向。图13利用GPU的高计算能力2、从追求绝对的真实感向追求与强调图形的表意性转变人们创造和生成图片的终极目的不仅仅是展现真实的世界，更重要的是表达所需要传达的信息。例如，在一个所需要描绘的场景中每个对象和元素都有与其相关需要传达的信息，可根据重要度不同，采用不同的绘制策略来进行分层渲染再加以融合，最终合成具有一定表意性的图像。为此，研究者已经开始研究如何与图像处理、人工智能、心理认知等领域相结合，探索合适表意性图形生成方法。3、利用日益增长的计算性能，实现具有高度物理真实的动态仿真高度物理真实感