基于Maya技术的角色骨骼动画制作研究

关键词：Maya；骨骼动画；三维建模；计算机图形技术应用

中图分类号：TP3 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）28-0112-03

0 引言

Maya是一款顶尖的三维动画制作软件，不仅能够制作出各类角色动画，还能模拟出丰富的动力学特效动画。利用Maya的脚本语言或表达式编辑器，用户还能实现更为复杂或自动化的动画效果。Maya动画的本质在于借助先进的计算机图形图像技术，将虚拟世界与现实世界完美地融合在一起[1]，以此满足用户多样化的需求。本文将以Maya为平台，深入探讨骨骼动画的生成过程及其相关技术。

1 骨骼动画

骨骼动画主要通过为模型设置一套骨骼绑定系统，将模型的蒙皮绑定至骨骼之上，随后通过为模型控制器添加关键帧动画，来实现模型合理且生动的变形效果。骨骼动画主要分为FK动画（正向动力学动画）和IK动画（反向动力学动画）[2]。FK动画常用于表现角色肢体的自然伸展动作，如角色走路时挥动手臂等，其特点是父层级关节控制子层级关节进行运动，所有骨骼关节的运动轨迹呈现出完美的弧形，使得整体动作自然流畅。而IK动画则多用于处理物体与角色之间的交互性事件，如角色手举重物等场景，其特点是子层级带动父层级进行运动，在动画过程中主要关注末端骨骼的位置状态进行直线变化，而其他关节的旋转运动轨迹则由Maya自动计算得出。

2 骨骼动画制作

2.1 骨骼动画制作流程

完整的Maya骨骼动画制作包括角色建模、材质与贴图制作、骨骼绑定、蒙皮权重处理、动作制作、镜头输出等过程，具体如下：

1） 制定方案。根据动画的背景、主题及内容情节要求，明确动画中的角色形象、角色动作设计以及场景特效等要素。

2） 创建模型。创建模型是动画制作中最基础且至关重要的环节。在骨骼动画中，通常采用多边形建模方法。建模时须特别关注模型的布线策略：对于运动较少、幅度偏小的部位，线条分布应适当减少；而对于运动幅度较大的部位，如肘膝关节、嘴角和眼角等，则须增加线条密度以确保动画的流畅性和真实性。

3） 绘制材质贴图。材质与贴图用于模拟对象的外表属性与质感，包括颜色、纹理、光泽等，从而赋予对象逼真的视觉效果[3]。为提高动画的真实度和观众的代入感，必须为模型精心附上材质和贴图。

4） 架设骨骼并绑定模型。在骨骼动画制作中，须先为模型创建骨骼系统，随后将模型与骨骼进行绑定，确保骨骼能够驱动模型产生预期的变形效果。

5） 设计与制作动作。根据动画的剧情设计，利用Maya软件自带的动画制作与编辑工具，精细地设计并制作角色的面部表情、姿势动作等，力求每个动作都符合角色性格和剧情发展。

6） 设置灯光与摄像机。灯光与摄像机是动画制作中不可或缺的元素。通过设置不同类型的灯光，可以突出角色主体、渲染场景氛围。同时，选择合适的摄像机角度、位置及运动方式，能够创造出丰富、自然、流畅的画面效果[4]。

7） 渲染输出。综合场景设置、物体材质与贴图、灯光等因素，利用程序绘制出完整的画面或动画片段，并最终进行输出。

2.2 动画实例

骨骼动画是一种相对复杂的动画类型，它要求动画师深入了解运动规律，并手动为模型精心制作每一个关键动作。以下以《哪吒之魔童降世》动画片中的哪吒走路为例，详细分析骨骼动画制作的要点。

2.2.1 确定动画设计方案

动漫角色哪吒被设计为一个独特的丑化形象，拥有双丸子头、烟熏妆眼睛、参差不齐的牙齿、塌塌的蒜头鼻以及魔丸额头印记。通过分析动画内容的要求，确定哪吒走路时应展现出速度快、幅度大的特点。

2.2.2 建立哪吒模型

在Maya软件中，依据提供的三视图，采用多边形建模技术创建出三维的哪吒模型。该模型包含了头部、眼睛、眼球、四肢等所有关键部分，模型全部采用四边面构建。同时，确保身材比例与原画三视图保持一致，脸部布线疏密得当，关节处布线数量适当增加以增强运动灵活性。

2.2.3 添加材质和贴图

在Photoshop软件中导入已展开的UV模型。利用图形图像处理功能，精心绘制角色的纹理贴图。根据所选渲染引擎的不同，导出相应格式的贴图。本例选择了Arnold渲染器，并给绘制好的贴图赋予模型，以呈现出更加逼真的视觉效果。模型的最终渲染如图1所示。

2.2.4 骨骼绑定

骨骼绑定是动画制作的核心内容，其质量直接关系动画效果的表现。首先，须根据角色的身体结构和运动规律来搭建骨骼系统。鉴于走路时腰部运动的灵活性和丰富性，须特别增加腰部骨骼的关节点。随后，利用蒙皮技术将模型和骨骼紧密结合，使骨骼的运动能够驱动模型的运动。接着，分别为模型和骨骼创建控制器，以便后期制作表情动画和动作动画。最后，使用刷权重工具来绘制或调整模型的权重值。这四个环节紧密相连，共同决定了角色动作的自然度以及动画的流畅性。效果如图2所示。

2.2.5 动画设计与制作

行走动画是角色动画的基础，也是高级动画集合的基础。在制作角色行走动画之前，必须清楚角色行走动画的基本运动规律。走路的基本原理是角色走路时左右脚交替向前，两臂同时前后摆动，但两臂和脚的运动方向正好相反[5]。人在走路时，上臂以肩部为轴进行摆动，上臂带动下臂进行运动，下臂带动手部进行运动。这些摆动并非同步进行，而是呈现出一种跟随关系，摆动幅度和速度均有所不同，其中上臂摆动幅度最小、速度最慢，而手部则摆动幅度最大、速度最快。

基于真实的角色行走姿势，角色走路动画可归纳为下半身动画、胯部动画、胸部动画、头部动画、手臂动画、脊椎动画6个部分。具体制作过程如下：

1） 下半身动画制作。①制作角色重心。一个完整的行走循环包括迈出左脚和右脚两个步骤。第1帧为接触Pose，此时角色重心应较正常状态偏低。首先，通过下移重心控制器，使右脚脚尖抬起，脚跟与地面接触，左脚脚跟稍抬起，并记录第1、13、25帧为关键帧。接着，在第4帧将重心控制器移至最低位置，记录为关键帧。然后，在第7帧开始上移重心控制器，逐步将重心提升，记录为关键帧。最后，在第10帧将重心控制器移至最高位置，再次记录为关键帧。完成上述步骤后，在曲线图编辑器中调整角色重心曲线，确保其平滑过渡。②制作角色腿部动画。在第4、7、10帧位置，设置角色脚的控制器为关键帧，并将这些关键帧分别复制粘贴到第16、19、22帧。随后，在前视图中调整角色左脚的朝向，并在“曲线图编辑器”中调整左脚旋转曲线，以达到预期的动画效果，效果如图3所示。

2） 胯部动画制作。制作胯部的旋转动画时，由于右脚先行迈出，胯部应随右脚向前旋转。设置第1帧和第25帧为关键帧，胯部控制器旋转Y轴均为15度。在第13帧，胯部旋转方向相反，设置旋转Y轴为-15 度。此外，在第7帧和第19帧，分别设置胯部旋转Z轴为-5度和5度。随后，调整胯部旋转Z轴的曲线，删除多余的关键帧，并对第7帧和第19帧的关键帧执行平坦切线操作，以确保动画的平滑过渡。

在行走过程中，角色重心会随步伐发生偏移，偏向支撑身体的腿。因此，需要制作重心偏移动画。在第7帧，角色胯部重心偏移至右腿，平移X轴为-0.5；在第19帧，胯部重心偏移至左腿，平移X轴为0.5。之后，再次调整胯部旋转Z轴的曲线，删除多余关键帧，并对第7帧和第19帧的关键帧执行平坦切线操作，效果如图4所示。

3） 胸部动画制作。胸部的旋转方向与胯部相反，为向后旋转。设置第1帧、第13帧和第25帧为关键帧，分别设置胸部控制器旋转Y轴为-10度、10度和-10度。同理，设置第7帧和第19帧的胸部旋转Z轴分别为5度和-5度。之后，调整胸部旋转Z轴的曲线，删除多余的关键帧，并对第7帧和第19帧的关键帧执行平坦切线操作。最后，为使角色左右肩部显得自然放松，在第1帧位置，额外设置旋转Z轴为-10度。

4） 头部动画制作。角色行走时，头部跟随肩部运动。设置第1帧、第13帧和第25帧的头部控制器为关键帧，旋转Y轴分别为-8度、8度和-8度，随后调整头部曲线以符合行走节奏。

5） 手臂动画制作。角色行走时，若右脚迈出，则左臂向前旋转，右臂向后旋转。首先，将第1帧、第13帧和第25帧设置为关键帧，并在第13帧处调整模型左臂向后旋转、右臂向前旋转的状态。接下来，进行手臂动作的精细调整，分别选择左侧胳膊的肩部、手肘和手腕控制器的第1帧、第7帧、第13帧和第25帧位置，调整各自的动作。同理，对右侧胳膊进行相同操作。

6） 脊椎动画制作。角色行走时身体微微前倾，第4帧为前屈状态，第10帧为后伸状态。设置角色胸部控制器旋转X轴在第4帧为8度，第10帧为-8度。随后，将第4帧和第10帧的动画状态复制粘贴至第16帧和第22帧，并调整根部控制器的动画曲线以保持流畅。同时，头部随脊椎运动，第4帧设置头部控制器为低头状态，第10帧为抬头状态。同样，将第4帧和第10帧的头部动画复制粘贴至第16帧和第22帧，并在曲线图编辑器中删除第13帧和第19帧的关键帧，最后调整头部控制器的动画曲线。

2.2.6 灯光和摄影机设置

Maya软件常采用三点布光法，即在被摄对象周围布置主光、辅光和轮廓光三盏灯光。主光灯与摄像机呈45度夹角；辅光设置在与主光源高度相近的正对面，光照强度略小于主光源；背光则设在对象背部，用于勾勒对象轮廓。此外，在场景模型中正上方放置一个环境光，两侧创建两个区域光，正前方则放置一台目标摄影机[6]。

2.2.7 渲染输出

渲染输出是指使用Maya自带的渲染器将场景和角色渲染成图像或视频的过程。在渲染过程中，选择阿诺德渲染器，并设置输出文件类型为jpg格式。渲染完成后，可借助影视后期制作软件如Premiere 或After Effects进行进一步的编辑和优化。

3 结束语

随着计算机图形图像技术的飞速发展，Maya动画制作技术将日益完善，为电影、游戏等行业带来前所未有的机遇和挑战。为使动画动作流畅、表演性强且富有美感，我们应熟练掌握并灵活运用Maya骨骼动画的制作功能。