引擎实时技术在动画电影中的应用研究

何菲菲

（云南艺术学院，云南昆明 650500）

1 引擎实时技术的概述

本文所研究的引擎主要指游戏引擎，指将编写游戏的各功能模块整合到一起的程序，也是使三维软件互通的媒介。引擎实时技术是指在引擎内以较高帧率运行的、交互式的三维实践形式。目前市面常用引擎有虚幻引擎 (Unreal Engine)、Unity 3D，都具有强大的整合能力和出色的实时渲染能力，本文主要以虚幻引擎为例。引擎用途非常广泛，目前在影视制作、游戏开发、地产漫游、虚拟现实开发、增强现实开发等领域都有所运用。

目前引擎实时技术发展已经较为成熟，主流引擎已经可以实时制作并预览出质量较高的画面效果。在游戏领域使用引擎实时技术进行制作的成功案例数不胜数，在动画市场上也已经出现使用引擎全流程制作动画的尝试，例如使用虚幻引擎全流程制作动画剧集，更新速度相对较快，画面效果基本达标，但与电影的视觉标准还存在一定距离。实时渲染技术是引擎的重要发展基础，引擎画面表现是基于实时渲染运算产生，实时渲染表现效果的提升要依靠显卡的实时光线追踪功能，模拟接近现实的光照、阴影等视觉信息。现今随着显卡性能提升和引擎实时技术发展，动画剧集选择使用引擎进行制作逐渐成为行业共识，也为动画电影制作带来新的可能性。

2 传统流程制作动画电影现存问题

2.1 动画电影的概述

动画电影是指使用动画形式创作而成的电影艺术。动画电影有别于一般的儿童动画，主要针对全年龄层。其形式多样，有二维动画、三维动画、定格动画等多种形式，能够塑造情感丰富的情节和故事。动画电影有其特殊的艺术表现力，脱离了真人表演的束缚，可以运用夸张的表演形式与天马行空的设定相结合，与观影者共情，产生奇妙的情感联结。

本文研究的动画电影类型是三维动画电影，通常耗费大量人力物力，但其结果却具不确定性，有耗时长、投入高、流程繁琐的缺点。《西游记之大圣归来》《白蛇:缘起》等高水准三维动画电影，均使用传统离线渲染流程进行制作。

2.2 线性流程下修改困难

传统离线渲染流程是线性流程，从绘制设定稿开始到分镜、动画预演、场景制作直至合成环节均需按照阶段分步进行(图1)。线性流程修改困难点在于，若需要修改前期环节，则此环节后所有工作均需重新设计和制作，会出现需要人力进行处理和修正的大量重复工作。

图1 传统三维动画离线渲染流程图

2.3 人工工作量繁重

三维动画制作对于人力的消耗一直是较为突出的问题，传统三维动画制作流程，尤其是涉及到场景制作、渲染等模块需要人力手工制作、改进并完成。因三维软件预设功能限制，程序化手段较少能够介入，即使有专业技术美术工作人员编写程序进行优化，美术人员的人工工作量也依然繁重。

2.4 三维插件管理复杂

三维插件管理困难体现在插件种类多、适配性低。三维动画电影的制作通常是团队共同协作完成，三维插件需依附于三维软件进行工作，团队必须统一软件和版本，统一所需插件种类与版本，才能够顺利进行团队合作。当工作人员需要满足不同需求时，如破碎、爆炸等效果，可能会选择不同特效插件进行制作，由于不同环节工作人员的电脑存在差异性，系统配置不能保证完全相同，在团队中进行插件管理可能会出现无法统一的问题，导致无法打开工程或工程占用内存极大。

2.5 离线渲染时间长、成本高

传统三维动画电影以三维制作软件为核心，通过模型搭建场景，以光影、特效渲染气氛，添加带动画信息的角色，用单机或调用渲染农场进行离线渲染为流程展开。通常2K 电影所用渲染时间约为每帧一小时，渲染时长不可预期，且经常出现因修正画面表现而多次渲染的情况。

3 使用引擎制作动画电影策略

图2 使用虚幻引擎制作动画电影策略

3.1 使用高自由度的非线性流程

非线性流程易于协作。引擎的非线性流程是在模型、纹理贴图、绑定、动画、特效等软件中进行制作后，导入引擎中进行整合，在引擎内搭建场景和环境，最后进行实时预览和输出 (图3)。非线性流程与线性流程相比，使用引擎便于协作和管理，多环节可同时进行制作。非线性流程也便于修改，某一环节进行变动，对于其他环节影响较少。传统影视制作流程与引擎制作影视动画流程各环节对比来看，非线性流程在渲染速度、流程合作、剪辑能力、程序优化方面都有一定优势，在画面质量上较弱于离线渲染效果(表1)。

图3 引擎三维动画流程图

表1 传统影视动画制作流程与引擎影视动画制作流程对比

3.2 程序化手段介入动画电影制作

3.2.1 智能化蓝图功能

以虚幻引擎为例，引擎内的蓝图 (Blueprint)功能是由可视化程序节点组成的程序编写系统，美术人员若有程序需求不需编写代码而是可以通过连接蓝图节点实现。传统制作三维动画电影时，若需批量重复性资产分布在场景内，通常使用生成群体粒子的方式摆放，调节单体资产较难操作。在虚幻引擎中可以使用程序化手段介入，通过搭建蓝图解决批量化资产分布问题，例如建立资产蓝图库，将同类型资产进行整合，通过编写蓝图进行特殊化区分，可以做到单独修改具备特殊功能和需求的蓝图资产，而不会影响其余同种资产属性和表现。在需要对群体资产进行修改时，只需修改此蓝图的资产信息即可进行庞大数量的资产信息实时更新和替换，与传统流程中粒子生成的方法相比，不需重新生成和演算，节省时间成本。另外，在工程中通过编写程序化蓝图来制作工具，能够为动画电影定制针对性的实用工具。如通过蓝图功能制作自定义曲线，使动画资产以一定规则附着在曲线周围进行游动，以达到模拟鱼群生态效果的功能 (图4)。虚幻引擎中的蓝图功能具有高自由度和高效率的特点，运用在动画电影制作流程中，能够提高项目整体的可控性。

图4 《FishSchool》使用虚幻引擎制作蓝图工具数据来源:虚幻引擎官方商城

3.2.2 程序化材质功能

程序化材质需要通过材质、材质实例、材质功能、材质层综合实现，将材质的各个通道均进行通用预设，例如通道纹理信息、通道纹理的强度、叠加纹理信息等，在材质基础上创建不同材质实例，材质实例可以理解为以材质为基础的子材质，通过调节材质预设参数产生风格迥异的材质表现。在进行资产材质批量化更新时，只需更改此资产的材质编写方式和设置，即可实时批量更改资产材质信息，例如批量化调节全局资产的显示与隐藏、灯光的明与暗等。材质功能是将常用材质节点组或较为复杂的节点打包进行使用的快捷功能，需要时直接调取，不需重新编写材质节点组。材质层是将已有材质或材质实例通过遮罩进行材质叠加，产生层次丰富的质感。在动画电影制作中，可以通过混合不同预设材质层，做出实时材质变化。比如希望将冰雪的材质覆盖在土地材质之上，可以加入遮罩的覆盖方式，通过调节遮罩的强度和分布，产生冰雪层覆盖土地的薄厚变化和分布区域变化。程序化材质将纹理和材质相关内容进行程序化编写，建立材质库，能够减少工作人员重复劳动。

3.2.3 场景关卡功能

关卡为资产搭建构成的数字世界，多个关卡可以理解为多个互不干扰的数字世界，关卡的整合和切换常出现在游戏场景切换中，目前在动画制作中运用较少。将引擎中的关卡功能使用在动画电影制作中，场景可分为主场景和覆盖在主场景之上的若干次场景。例如场景需要制作破坏前和破坏后的内容，相同部分可以保留作为主关卡，不需要重新搭建，只需通过设置子关卡将所变化内容进行显示和隐藏设置即可。还可将不同时段灯光信息放入关卡，通过切换子关卡达到日夜切换的目的，不会对主关卡和其他次关卡产生影响。第三种应用方式是使用关卡流的方法制作动画电影。关卡流是指将关卡通过不同触发条件进行切换，一旦达到触发标准，则切换到预设关卡。在动画电影制作中，可以通过关卡流切换场景信息，不需要进行手动操作。关卡功能在动画项目中的使用，体现了运用程序化思维进行动画制作的思维方式，也是未来动画制作和动画工业化流程发展趋势。

3.3 引擎与软件协同合作

引擎可与多种三维制作软件协同合作，补充实时动画电影制作流程(图5)。各个软件不需要依附其他软件即可进行独立工作，相对比传统流程管理插件具备一定自由度，也具备了多方协作的可能性。

图5 虚幻引擎与各软件协同合作

3.3.1 特效

在引擎中实现高质量特效的方法是使用三维计算机图形软件Houdini进行特效制作。Houdini已有针对虚幻引擎的对接插件，用户可直接将Houdini中制作的工程文件节点通过插件直接对接进虚幻引擎，并在虚幻引擎中保持从Houdini传递过来的参数化数据，用户能够通过Houdini制作更多预置程序和预置功能，并且可以根据项目的需要进行修改和重复使用。传统动画流程中，Houdini与三维软件对接的方式主要通过输出数据资产的形式进行沟通，修改模式是通过重新导入和更新资产进行调整，不能像引擎内一样可以实时对节点进行调节。

3.3.2 材质纹理

材质纹理软件Substance Designer可以程序化制作出复杂材质和高清纹理，通过暴露智能材质参数到引擎，可以理解为在引擎内拥有了一个程序化材质，在引擎内部即可实时调节材质各通道参数和纹理叠加强度等效果，产生不同的材质表现，而不需要再次经过纹理二次加工并重新导入。传统动画流程中，只能选择从材质纹理软件导出纹理信息后，再导入到三维软件中的方式进行沟通。

3.3.3 地形

地形软件World Machine、World Creator同虚幻引擎地形模块相结合，在地形软件内设置基础信息，通过计算生成特定地形或随机地形 (图6左)，加上自然风力侵蚀、流水侵蚀、热力侵蚀等效果打造程序化自然地形，地形的细节都可以自由调控，使用高度图(图6中)的形式导入引擎，这种导入方式与传统制作动画流程在使用地形信息有共通之处，引擎优势在于地形的特殊通道如流水侵蚀图(图6右)的使用，首先通过侵蚀图作为遮罩进行材质层区分，而后可选择使用笔刷绘制地形材质，自由模拟多层不同材质覆盖土地的自然效果。

图6 从左至右地形渲染图、地形高度图、流水侵蚀图

3.4 通过实时渲染预览和输出

3.4.1 预览

现阶段实时光线追踪技术 (RTX)逐渐成熟，在引擎中不需要烘焙也可以产生比较理想的效果，比如模拟真实环境中的环境光遮蔽 (Ambient Occlusion)、全局光照GI(Global Illumination)、反射(Reflection)、阴影 (Shadow)等效果，以达到与离线渲染画面相近的表现。在机器性能允许的情况下，引擎内可实时观看动画电影的成片效果。若在实时预览窗口中发现有穿帮或不甚完美的部分，可随时进入对应环节进行调节。正因实时渲染的存在，各个环节才能够同时进行制作，并作为支流汇总到实时渲染的主干上。若在制作时发现前期环节出现问题，例如模型需要修改与替换，那么直接替换引用信息即可看到最新变化，不需要重新渲染低分辨率样片进行预览确认。

在虚幻引擎5 (Unreal Engine 5)中，最具颠覆性的改变是推出Nanite (虚拟微多边形几何体)资产计算方式，高面数模型进入引擎时转化为Nanite的形式，由于引擎计算方式的改进，在实时渲染时不必考虑是否会因面数过载而产生运行卡顿现象。在视线看不到的地方，资产的点、线、面会自动隐藏，不会参与到渲染过程，提高项目实时运行速度。Lumen (动态间接光照)渲染流程的出现也让我们看到了未来动画电影的希望，在虚幻引擎5中Lumen的效果令人惊叹，不仅光照效果可以实时更新，而且能够产生GI，阴影、反射等体现光影质量的部分也具有很大提升。预览画面效果与实际输出画面效果逐步接近，所见即所得的制作流程与传统流程相比，具有极大优势。

正是因为拥有实时渲染的引擎流程，在动画电影制作中，虚拟制片技术必不可缺，虚拟制片技术正在改变电影制作方式。Epic Games(游戏引擎厂商)与虚拟制作厂商进行合作，共同探索虚拟制片流程和方式 (图7)，《曼达洛人》剧集中，使用了虚拟制片的方式进行拍摄，LED 背景墙提供虚拟环境同时为现实世界元素提供照明，使用现实中的相机捕获整个场景进行拍摄，实时渲染的进步为虚拟制片技术提供了必要前提。国内目前较多使用绿幕实时抠像和相机实时追踪相结合的方式进行虚拟制片项目制作，使用LED 背景墙虽然效果优于绿幕，但因造价较高，目前较少应用于商业。未来随着虚拟制片需求量上涨，硬件设备的供应商增多，虚拟制片技术将为动画电影整个行业带来革新。

图7 《曼达洛人》剧集虚拟制片拍摄方式

3.4.2 输出

当进行传统渲染流程时，通常会渲染出序列帧进入影视剪辑软件进行后期剪辑和合成。可以在虚幻引擎内部使用定序器 (Sequence)进行影片剪辑和部分后期制作。定序器具有极高自由度，甚至一定程度上可以代替Adobe Premiere等后期剪辑合成软件的部分功能，引擎内也可进行镜头运动、音效变化、材质变化、切换场景等操作，设计师直接在定序器内进行设置即可出片。在多方协作方面，不同工作人员对自己的镜头轨道进行操作，最后在定序器中添加多个镜头轨道，实现多人协作而不会造成相互冲突，也体现了非线性流程的灵活之处。

制作完成后开始输出影片，若效果依旧无法达到画面要求，可在引擎中输出预设分层通道，如基础颜色、场景深度、粗糙度、金属度等。在场景比较特殊时，例如面积过大、高度过高的情况下，通过自定义体积(Volume)属性材质，将材质赋予后期处理盒，设置渲染通道信息后再进行分层渲染。Quixel(二维、三维摄影测量资产库)官方发布了使用引擎流程制作的数字短片 (图8)，画面表现可与传统渲染效果相媲美。使用引擎实时技术制作动画电影是未来动画电影的趋势，在实时渲染技术飞速发展中，必定会逐渐出现效率更高、画面表现更强的引擎和更加优化的流程。

图8 Quixel使用虚幻引擎制作短片 《Rebirth》

4 总结

使用虚幻引擎制作动画电影效率较高，通过编写程序化蓝图和智能化材质拥有更高设计自由度，场景关卡的切换和加载给动画电影制作带来灵活的内部资源管理方式，多方协作使项目制作周期大大降低，资产的体量不再是限制动画制作效率的壁垒，实时渲染的质量已经逐渐逼近传统渲染的效果，未来也必定会出现更适合运用于动画电影的引擎，技术革新也会随之带来更加颠覆性的动画电影制作流程的改变。❖