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三维动画《抢狮头》动力学模拟制作与应用探索
发布时间：2018-11-17 19:57:24
作者：段雯锴
导言：《抢狮头》这部三维动画片是我的本科毕业创作，经过前期到后期历时十一个月的创意与制作，最终获得了2013年东京国际动画节“特别赏”大奖，可以说这部作品是对我们4年动画学习最好的一个注脚与总结。虽然影片只有短短4分钟的片长，但从学生作品的制作而言有着较高的技术难度，因为其中涉及到了大量的动力学模拟制作，为此本文将探讨三维动画短片中常用的两个动力学模拟制作方法和模拟结算渲染对制作设备的应用要求。
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《抢狮头》中的绳索与布料模拟
在制作高架上的钢丝绳时，主要是运用了刚体来实现绳索模拟的。通过挤压创建绳索模型，保留模型历史，这样曲线就可以控制模型的变化。可以在曲线上创建多个cluster，创建与cluster数量相同的刚体，用每一个刚体对应的去约束每一个cluster。当赋予刚体重力的同时对每两个缸体之间进行弹簧约束，这样绳子就会有重量感，有弹性，在运动过程中可以自动模拟出真实的效果。
但是在影片的某些情节中，自动解算的刚体并不能适用，并不是想要的效果，这时候就需要手动key关键帧。首先将要key帧的cluster上的刚体删掉，新建控制器来控制cluster，这样调整控制器就可以使cluster跟着运动，其他的动力学绳子就会产生运动。有些镜头中手动调整和自动解算都用的到，就可以在手动的地方换成曲线控制，自动的地方保持刚体控制，这样就在可控性的条件下进行绳索模拟。
影片中比较重要的技术难点就是布料的运用了。因为影片涉及到舞狮文化，在人物和狮子的设定中，都有不少的布料。影片中的布料类型，可以分为三种：一种是角色腿上穿的肥大的裤子的布料，一种是狮子皮的布料，还有一种是有部分绸子绳索也是用布料来做的。实现这些布料的制作过程中，我们使用了Qualoth布料插件来进行模拟。
我们在做角色的裤子布料时，是按照真实世界中对服装的剪裁缝合的方法来计算的。也就是说需要对服装的剪裁有一些了解。在《抢狮头》这部片子中是写实的三维风格，而且角色所穿的裤子十分蓬松，这就对布料的真实性和稳定性要求很高。做这样一条裤子之前，首先要画出裤子的剪裁图。基本上是按照裤子的剪裁与布面切割，将一个面划分成很多块小的封闭面。将线框在软件中生成曲面。再将这些生成的面转换成布料，按照剪裁图将这些布料缝合成裤子，Qualoth对面片的细分是将四边面转换为三角面来计算。再将裤子包裹住角色且做好约束，设置布料与角色的碰撞，注意控制最小碰撞和约束点是关键问题。
在制作狮子身上的布料时，相比角色的衣服，方法上略有不同。狮子身上的布是一整块，不涉及到剪裁和缝合，制作的时候先按照设计图建一个狮子布平铺的模型，再将这个模型转化成布料重新拓扑细分，再将布料与狮头做attach约束。
此外，部分绳子与绸子的制作也是通过布料的方法来完成的。比如影片高架倾斜的镜头，装饰绳绷断荡了下来，上面串的小球纷纷下落，这一桥段的绳子就是用布料来做的，用绳子上的小球对布料做碰撞，使球与绳索互相约束。
动力学模拟对于硬件设备的要求
在三维动画制作过程中，动力学模拟往往需要进行大量的结算渲染过程，这就对制作平台提出很高的要求，一个强有力的硬件保障，不但是顺利进行大规模动力模拟结算的基础保证，而且稳定快速的结算渲染平台更是提升效果质量的必要条件。在这里我将使用创作之初DIY的电脑与现在所使用的HP EliteBook8770w移动工作站进行比较，从而更为直观的看看设备对于三维动画中动力模拟与整体创作的影响。
以《抢狮头》为例，其中狮子的布料与角色的裤子，在进行布料碰撞结算时需要消耗大量的系统资源，对设备的数据计算速度与稳定性都是一个考验。片中几乎每一个能看见狮子布的地方都不可避免的要跟很多物体碰撞，让布料与复杂的模型或者跟其他布料直接碰撞，不但很容易穿帮，而且会让电脑因为计算量过大而活机。在这里我重新结算曾经出现过问题和容易穿帮的镜头，对i7 2600平台攒机和HP EliteBook8770w移动工作站这两种硬件设备分别进行渲染时间与稳定性测试，在这个90帧镜头的三次结算测试中，i7 2600平台攒机的结算结果分别为：11分02秒、活机、10分59秒，而HP EliteBook8770w的结算结果分别为：9分25秒、9分22秒、9分23秒。i7 2600平台攒机在镜头的第60帧左右经常发生卡住、假活现象，而惠普移动工作站在60帧左右只是速度减慢了一些，最终平稳的完成了结算。在此次结算测试中HP EliteBook8770w移动工作站的数据运算更快速，布料解算更加稳定，没有发生i7 2600平台所出现的崩溃，软件强行退出，甚至有存档损坏的情况。
此外，工作站强大的多线程处理能力，还可以在批量渲染工作同时进行PS贴图绘制。而移动工作站便携性的特点又让我可以把学院工作室中未完成的项目拷入移动工作站中带回宿舍继续调整，使创作变得更加高效灵活。
可见，我们在创作毕设之初使用的组装电脑虽省下了一些费用，但却出现了很多不可控制的问题。除了在结算稳定性方面，在渲染调整测试上也会发生较多问题，比如测试渲染效果的时候由于渲染速度慢，在有限时间下不能进行多次渲染调整，从而导致成片效果未达到最为理想的状态，而为了赶展映期限，我们最后并没有渲染1080P全高清画幅的成片而是退而其次渲染了720p高清画幅，也留下了一些遗憾。因此使用一个处理速度强大、经过第三方软件认证的图形工作站，无论对于物理效果解算还是渲染调试都是十分必要的。稳定高效的平台让创作者忘却设备的禁锢，专注于作品本身，这是每个创作者都希望达到的。
以上是在《抢狮头》中对动力学模拟和技术平台应用的一些探索和感悟，希望这些创作经验以及探索总结能为读者提供一定的借鉴意义。与此同时，感谢我的合作伙伴马维佳和指导老师王雷。
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