三维场景光影效果控制与渲染的研究与实现

论文摘要

动画场景设计在整个动画作品的创作过程中,无论是作为三维动画还是二维动画都是不可或缺的关键环节。在动画作品里,动画场景通常为动画角色的表演提供服务的,它所表现的是整个动画作品的风格,展现故事发作的历史背景、文化风貌、天文环境和时期特征。动画场景既有单个镜头空间与景物的设计,也包含多个相连镜头所构成的时间关键要素。单就一部动画影片而言,动画角色之间的交流和故事更多时候是在“单个镜头空间与景物的设计”这个环节,也就是动画场景的固定镜头。三维动画和二维动画中的场景设计在实现方式上有着本质的区别,三维软件中是一个全息的立体空间,观察视角随着摄像机而移动,对于三维中的动画场景来说,场景固定镜头的效果即整个场景的全局效果。因此构思好三维固定镜头中的光影效果是设计者重要的设计任务。本文从一项三维动画场景设计项目出发,探索一种对三维场景光源效果控制的方法以及非真实性渲染的效果的实现。本文以一部三维动画短片项目的场景光影设计为线索,重点研究自己所承担的场景光影渲染任务。该动画项目对于场景中的镜头需要展示出不同时间段的光影效果。同时在动画风格上需要体现NPR非真实性渲染的效果即——三维立体建模,二维卡通渲染。依据动画剧本中的情节,该场景需要多次变换光影效果,而在Maya中光影调节需要反复的光源调节与测试渲染,需耗费大量的时间。基于对制作周期的有限性考虑,在对剧本和场景原画的分析基础上归纳出四种时间段,在实验的基础上提出了一种针对三维光影效果进行快速控制的可行方法。同时,依据动画风格要求,在Maya中找到实现NPR非真实性渲染效果几种方法。经过对比与分析确定使用Vector渲染器进行NPR效果的输出。在实验的基础上发现Vector渲染器的劣势和不足,通过分析与思考,最终使用Photoshop将Maya Software渲染器与Vector渲染器输出的渲染图进行合成,从而获得具有二维卡通效果的立体场景效果图。本文主要研究内容有以下方面:首先研究三维场景常用的光源创建方法和Maya内置光源的种类,并依据项目中的三维场景(室外景)研究自然光源的特质与时间性特点,以及灯光阵列的创建。接下来对在Maya中光源的布光规律、设置与管理进行了具体的研究。依据动画项目的制作要求,尝试将三维模型进行二维卡通化处理,重点研究在MAYA中实现NPR非真实性渲染方法,并对这几种NPR方法进行对比、分析和验证,并做出功能性、适用性、拓展性方面的评价。最终确定使用Vector渲染器对三维立体模型进行NPR非真实性渲染。获得色彩鲜艳、明快并具有卡通轮廓勾边的效果。同时,针对实验中所发现的Vector渲染器的劣势进行了分析,并结合Photoshop合成来弥补渲染效果图的不足。着重分析三维场景中出现的时间性光影效果,结合Maya的Mel脚本编写一个光影效果控制系统,然后对该系统在Maya场景中的实际应用性进行了研究,证明本研究方法在三维动画场景设计领域有一定的适用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本文研究背景
• 1.1.1 三维动画场景设计的特点和范围
• 1.1.2 本文研究的范围
• 1.2 相关研究
• 1.2.1 动画场景的用光研究
• 1.2.2 动画场景光源的时间效应与分类
• 1.2.3 Maya 软件内置的光源类型
• 1.2.4 Maya 三维场景中布光、设置与管理
• 1.2.5 灯光阵列的概念和特点
• 1.3 本文研究的目的和意义
• 1.4 论文的组织框架与结构
• 2 基础原理与技术
• 2.1 三维软件 Maya 的工作原理和特点
• 2.1.1 Vector 卡通渲染器的工作原理和特点
• 2.1.2 Maya Mel 脚本的工作原理和特点
• 2.2 Maya 场景中模拟自然光影效果的初步研究
• 2.2.1 依据时间效应来对场景中的光影效果进行分类模拟
• 2.2.2 灯光阵列的组合和排列要点
• 2.2.3 三维场景光影设计的整体流程
• 2.2.4 在Maya 中设计场景光影效果所涉及到的各个模块
• 2.2.5 开发环境的定义
• 2.3 本章小结
• 3 场景模型与灯光阵列的创建
• 3.1 三维场景设计的前期准备
• 3.1.1 手绘场景草图
• 3.1.2 使用Photoshop 细化参考图
• 3.2 试验与分析
• 3.2.1 参考图导入Maya
• 3.2.2 使用NURBS 和Polygon 方式进行场景模型的建立
• 3.2.3 天空纹理的编辑
• 3.2.4 利用Fur 创建场景的草地效果
• 3.2.5 制作景深效果
• 3.2.6 灯光阵列的建立
• 3.3 本章小结
• 4 在Maya 中实现NPR 非真实性渲染效果
• 4.1 引言
• 4.1.1 Maya 材质球的种类和质感
• 4.1.2 Maya 内置的渲染器
• 4.2 基于 Vector 渲染器实现非真实渲染效果
• 4.2.1 在Maya 中实现NPR 非真实性渲染效果
• 4.2.2 在MAYA 中实现非真实性渲染效果的实验与研究
• 4.3 试验与分析
• 4.3.1 Vector 渲染器渲染三维场景的实验
• 4.3.2 Vector 渲染器的卡通轮廓勾边效果
• 4.3.3 使用Maya Software 渲染器进行参数调节与测试渲染
• 4.3.4 Vector 渲染器和 Software 渲染器的效果对比
• 4.3.5 使用Photoshop 对渲染图进行后期合成
• 4.4 本章小结
• 5 基于时间效应的光影效果快速实现系统
• 5.1 系统简介
• 5.1.1 窗口布局
• 5.1.2 系统流程图
• 5.2 系统的实际应用
• 5.2.1 Maya 场景静帧矢量效果图的融合
• 5.2.2 场景光影控制系统的特性与效果
• 5.2.3 Vector 渲染器与 Flash 动画
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录