【精品】计算机3D技术在电影中的应用

摘要

数字电影、3D电影的概念已经深入人心，在以前电影最吸引人的是剧情和演员的表现，而现在加入了一些令人目不暇接的电脑特技画面。也正是计算机3D数字技术的不断发展才推动了数字3D电影有了更大的表现空间。如今的计算机3D技术已经不是狭隘的“电脑特技”，它极大地丰富电影的视听表现力，放飞了艺术家想象的翅膀，在银幕中呈现出了太多现实中不可能出现的画面。尤其是在大银幕和IMAX影院里，观众享受着数字3D 技术所带来的观影革命，计算机3D技术对整个影视动画产业都产生了深远的影响，计算机3D技术在电影中的应用也创造了巨大的商业价值！

关键词：3D技术电影应用

ABSTRACT

Digital cinema, 3D movie concept has gained in the previous film's most interesting is the story and the performances, but now adds some dizzying computer graphics screen. 3D digital technology is what the computer only to promote the continuous development of the digital 3D film with greater space for expression. Today's computer 3D technology has not narrow the "computer graphics", which greatly enriched the film's audio-visual expression, the artist imagination flying, the screen in too much reality shows can not screen appears. Especially in the big screen and IMAX theater, the audience enjoyed the digital 3D technology to bring movie-viewing revolution, 3D computer animation technology to the film industry have had a profound impact, computer 3D technology in the application of the film also created great commercial value!

Keywords:3D technology; movie; application

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (2)

文献综述 (1)

引言 (4)

1.计算机3D技术概述 (5)

1.1什么是3D (5)

1.2什么是计算机3D技术 (5)

1.3计算机3D技术的发展历程 (5)

1.4计算机3D技术相关软件 (7)

2.计算机3D技术在电影中的应用 (9)

2.1跟踪技术在电影中的应用 (9)

2.2模型技术在电影中的应用 (10)

2.3动画技术在电影中的应用 (16)

2.4特效技术在电影中的应用 (20)

2.5渲染技术在电影中的应用 (27)

2.6合成技术在电影中的应用 (30)

3.计算机3D技术在电影中的应用趋势 (33)

3.1软件技术的应用趋势 (33)

3.2计算机3D技术在电影中的应用前景 (34)

参考文献 (35)

致谢辞 (36)

附录 (37)

文献综述

3D时代的到来，让人们更加深刻的见识到了计算机3D技术的魅力，他能让艺术家的思维无限的延伸，带给了电影无限的表现空间，同时也能带给观众震撼的视觉体验，这就意味着3D技术能创造巨大的市场价值。自然关于3D技术的研究也是越来越热。

好莱坞关于的3D技术研究自然比国内成熟许多，但国内近些年发展也很迅速，如解双箭的《计算机3D技术在电影中的应用》，便阐述了一些3D相关的技术，结合了影片《泰坦尼克号》、《美梦成真》和《急速60秒》等影片剖析了计算机制作中的特效制作和色彩调节，重点分析了汽车的色彩设计；马楠、李红陛、赵爱平的《3D在电影中的应用》结合影片《后天》分析了3DS MAX在其中的应用，其次结合Maxscript分析了3DS MAX中的粒子动力学系统并大体概括了可以应用的领域；殷荣庆的《3D 技术剖析》详细地论述了3D成像过程中遇到的问题以及为解决问题所采用的技术,分析当今图像处理技术的发展,阐述这些技术的运用将促进计算机系统整体性能的提高；刘洁的《计算机动画技术发展研究》概述了计算机动画的原理，详细分析了计算机动画的发展。运用独特的视角理解了现代计算机动画技术，对于计算机动画的不足与前景进行了展望，使得计算机动画呈现出了清楚的脉络；陈凡、陈栩翔的《数字电影3D技术浅析》和高五峰的《数字3D立体电影的技术与发展》介绍了3D成像原理、放映设备以及3D电影的发展史；金悦、译章、鉴校的《数字3D电影的进展》结合影院放映、真人表演的现场实景拍摄和现场立体报道等发面作了概

述，并对其中应用到的设备和技术作了介绍；李相的《3D电影美学初探》介绍了3D电影美学与传统电影美学的不同之处，并结合贴近、景深和对别等方面具体介绍了3D电影美学的特点和优势；李昱的《《泰坦尼克》中的电影特技》则以介绍了一些关于模型以及群及动画方面的技术，同时全面的剖析了《泰坦尼克号》在拍摄时针对不同镜头所采用的解决方案，在影视拍摄时运用了大量的传统特效并做了分析；刘少凯的《浅析计算机动画技术的发展》介绍了计算机动画技术的原理应用以及发展过程，其中应用部分大体的介绍了在各个领域可以应用的地方；司继涛的《三维动画与三维特效》分别阐述了三维动画和三维数字特效的具体内含，深入剖析了三维动画的创作过程与创作实质，三维特效的实现对象和实现算法，分析了三维动画与三维数字特效的区别与联系；杨卓、孙明的《浅谈3D动画的发展》从3D动画的概念入手，对整个制作过程和软件工具进行简要的归纳，通过3D的简单认知，对中国3D行业的发展和需求以及现状进行了分析概括；魏尊亮的《论计算机动画技术与电影制作》计算机动画的生物学基础着手, 剖析了制作电影计算机动画需要的软件和硬件,进而对计算机动画进行了分类，并对电影中三维动画遇到的一些问题提出了解决方案，例如造型方法和如何减少制作成本等；龙江的《电脑动画设计在电影特中的应用研究》介绍了电脑动画的分类，通过影片《泰坦尼克号》等剖析了三维动画与电影艺术是如何完美结合在一起的，同时对相应的软件做了概述；胡元家的《电脑动画的发展历程及其前景》主要介绍了三维动画的发展历程，并结合影片《侏罗纪公园》和《花木兰》等对具体的软件做了概述，同时本文对其发展前景做了展望；郭世光的《浅谈数码动画软件MAYA》阐述了数码动画软件Maya的神奇功能，包括角色动画的逼真再现，粒子系统和动力学的强大展现，介绍了Maya的高级模块及其新型强

力的制作工具，并详细的介绍了Maya的工作流程与个性化的操作；王正刚的《论计算机图形图像软件应用》就当前中国计算机图形图像软件的应用进行了论述，包括Photoshop、Painter、Maya、CAD、Aftereffects等等，同时对他们的发展方向、利弊也进行了评述和分析。

整个行业之中关于三维动画技术的论文有很多，每位作者也有着自己独特的观点，可以说对中国计算机3D技术的发展做出了一定的贡献！

引言

计算机3D技术的基础理论是计算机图形学，计算机图形学理论不断的发展和完善推动着计算机3D技术产生了一次又一次的革命。如今的计算机3D技术逐渐被应用到了教育、建筑、医学、工业、旅游、广告、影视等各个领域，尤其是在影视动画领域中的应用极大地丰富了影视语言的视听表现力，凭借着计算机3D技术艺术家一次又一次的在银幕中创造出了视觉奇迹，带给观众前所未有的视听享受，同时创造了巨大的商业价值！

好莱坞作为电影艺术的殿堂，其每次推出的影片都会在世界电影史上划下浓墨重彩的一笔。而纵观其票房大片，不论是曾经创造观影记录的《铁达尼克》，还是再次缔造票房纪录的《阿凡达》等等都充分的应用了计算机3D技术。在本文中将对计算机3D技术的感念及其发展历程进行概述；其次将对计算机3D技术在各大影片中的应用进行剖析；再次通过这些案例的分析本文将提出一套科学合理的技术组合，以用于商业影片中的制作；与此同时本文将会对计算机3D技术在电影中的应用前景进行展望。希望通过本篇论文能让读者充分的了解计算机3D技术，通过一些列案例的解析能优化技术组合，以减小影片的制作成本，获得更大的商业价值！

1.计算机3D技术概述

1.1什么是3D

3D是three-dimensional的缩写，就是三维图形。在计算机里显示3D 图形，就是说在平面里显示三维图形。之所以要在计算机里显示三维图形，就是要追求更高的真实感，如果要在人眼里感觉图像是真实的，必须要分析人眼的特性，人眼具有近大远小的特性。根据这一特点想要在计算机中产生类似的效果，必须使计算机中的图像色彩灰度有一定的层次性，三维物体的凸出部分显示高亮灰度，凹下去的部分显示暗度，这样会在计算机中计算出图像的高光、中间调和暗调，并能产生一定的阴影，这样在人眼中就会产生立体的感觉。①

1.2什么是计算机3D技术

简单的说就是虚拟三维技术。这种技术是基于计算机图形学理论的，就是在计算机中通过特定的程序运算使生成的图像具有三维立体的效果，3D技术的应用范围极其广泛。最初的3D技术应用于汽车制造业和军事领域，经过计算机图形学理论的不断发展和软硬件技术的不断进步，3D 技术的应用领域不断的扩展，逐渐的应用到教育、生产、娱乐、科研、医学、航空、学术等等众多领域。尤其在电影领域的应用让我们充分的感受到了3D数字技术的魅力。

1.3计算机3D技术的发展历程

1.3.1计算机3D动画技术的发展历程

三维动画作为电脑美术的一个分支，是建立在动画艺术和电脑软硬件技术发展基础上而形成的一种相对的独立新型的艺术形式。运用计算机图

①参见邵亮：“3D”，https://www.wendangku.net/doc/d51878821.html,/view/4376.htm，2010年6月9日阅。

形学技术制作动画的探索始于80年代初期，当时的动画探索和制作只能在一些大型SGI工作站上才能运行，因为他要求的运算数据是巨大并且复杂的。但当时基于DOS系统开发的3D studio也是一款强大的动画软件，处于绝对领先的优势。1994年随着微软windows系统的开发和流行，大多数的软件生产商都开发了基于windows平台的软件，当时也有一款性能优秀的三维动画软件移植到了PC平台上，那就是softimage。1995年随着windows95的出现，3DS也出现了超强升级版本3DS MAX1.0，这两款的出现迅及的抢占了PC平台的市场，也创造了巨大的商业价值。而由于当时SGI工作站的造价是昂贵的，大部分的生产厂商是可望而不可及，于是各个三维软件的开发商都将视线瞄准了PC平台。1998年，加拿大的alias公司将其强大的三维动画软件Maya也移植到了PC平台上，Maya 的出现可谓是3D技术发展的一个里程碑，其优良的性能逐渐受到了各大生产厂商和CG艺术家的青睐。Maya这一超强工具包也逐渐推动着各个相关领域的发展，从建筑装潢、影视广告片头、MTV、电视栏目，直到全数字化电影的制作Maya功不可没。而如今，在PC机上能够运行的三维动画软件也是越来越多，每款软件都有其不可替代的优势，在各个领域中发挥着的巨大的作用，极大地改变了人们的生活方式，推动了社会进步。

1.3.2计算机3D动画技术在电影领域中的发展历程

最初的3D动画技术更多的是应用在动画片及动画电影中，这期间迪斯尼公司制作的多部动画电影极大的推动了3D技术的发展。1995年，由迪斯尼发行的《玩具总动员》上映，这部纯三维制作的动画片取得了巨大的成功。三维动画迅速取代传统动画成为最卖座的动画片种。迪斯尼公司在其后发行的《玩具总动员2》、《恐龙》、《怪物公司》、《虫虫特工队》都取得了巨大成功。另外,梦工厂发行的《蚁哥雄兵》《怪物史瑞克》等三

维动画片，也获得了巨大的商业成功。而随着摄影机反求技术的发展，真人实拍加电脑三维合成受到了各大电影制作公司和导演的青睐，《侏罗纪公园》、《星球大战》、《泰坦尼克号》、《蜘蛛侠》《金刚》、《魔界》、《变形金刚》、《2012》等一系列影片的出现让我们充分的领略到了3D动画技术的魅力。尤其是在2010初，著名导演詹姆斯·卡梅隆推出了力作《阿凡达》，又将3D动画技术推向了一个新的高度，也开辟了3D电影元年。可以说如今的电影制作已经离不开3D技术了，3D技术可以创造的视觉奇迹和巨大的商业价值可谓有目共睹。①

1.4计算机3D技术相关软件

1.4.1三维动画软件

三维动画相关的软件有很多，Autodesk公司出品的诸多软件在业内都是首屈一指的，包括Maya、3DS MAX和Softimage XSI，这三款软件都有着强大的建模、动画、特效功能。当然由于其侧重点的不同及相关功能的差异性各自应用的领域也有所不同。Maya由于扩展性非常的优越，流程管理和处理大场景的能力可见一斑，在整个领域中逐渐处于主导地位。当然相关的软件还有Houdini、Lightwave和Cinema 4D。这些软件在大量影片中得到了运用，包括《后天》、《阿凡达》等。

1.4.2跟踪软件

如今人们似乎已经对银幕中的恐龙与人对战、金刚与美女对话等等都不陌生了，而这些场景在现实之中是不可能发生的，都是通过数字艺术家将在三维软件中生成的角色动画与实拍场景进行了合成。而这中间就缺少不了一种极为关键的技术，那就是摄影机反求技术，通过摄影机反求技术

①参见魏宏宇：“三维动画发展前景”，https://www.wendangku.net/doc/d51878821.html,/view/87262.html，2010年6月9日阅。

才能将实拍与三维制作合成的天衣无缝。在摄影机反求软件中最为常用的两款软件就是Boujou和Matchmove，我们所熟知的大部分影片都使用到了这两款软件，包括《金刚》和《2012》等。

1.4.3后期合成软件

后期合成是对在三维软件中分层渲染出来的图片进行再加工的处理，包括颜色校正、特效添加等。同时后期合成也将解决抠像、剪辑、音效合成等问题。在这个领域中的软件可谓是多如牛毛，其中有只能运行在SGI 工作站上的Flame、Flint、Inferno、Smoke等，这四款软件均是Autodesk 公司为电影合成领域而开发的，其功能都非常的完善。在PC机上使用率最高的合成软件便是Composite、Nuke、Shake、Fusion和AE等，这些软件相对于SGI工作站上的软件最大的软肋便是剪辑功能和对音效的处理上，但由于其造价成本相对较低，所以使用率也非常的高，他们合成了大量我们熟知的电影包括《铁达尼号》《阿凡达》、《精灵鼠小弟》等。

1.4.4其他相关软件

除却众多的三维动画软件和后期处理软件等，还有一些软件的应用也在整个特效领域的制作中发挥着举足轻重的作用。因为没有任何一款软件可以独立完成所有的效果，必须要众多软件的配合。这其中有我们熟知的Potoshop，影片中大量的场景和贴图绘制都会依赖于Potoshop；针对于精模制作的Zbrush，《魔界》中的咕噜就出自他手；专为流体动力学模拟提供解决方法的Realflow，我们熟知的影片《后天》中的洪水就是通过它来模拟完成的。当然，数字特效软件有很多，这里就不一一介绍。

2.计算机3D技术在电影中的应用

计算机3D技术概括起来分为跟踪、模型、动画、特效、渲染、合成这六个模块，通过这六项技术根据前期的分镜头设计稿就可以完成影片中出现的所有数字特效。当然电影依据数字技术可以分为两大类，一类是动画电影，例如《功夫熊猫》；另一类便是真人实拍和三维合成的电影，例如影片《侏罗纪公园》。跟踪技术一般只应用在真人实拍和三维合成的电影里，但在本文中将不进行分类论述，因为只有一项跟踪技术的差异，在其他方面则大同小异。下面将对各项技术在电影中的应用进行论述。

2.1跟踪技术在电影中的应用

跟踪技术即摄影机反求技术，指将实拍中的摄影机数据解算出来，在将解算出的摄影机数据导入到三维软件和后期软件中。一般的工作流程会将解算出来的数据导入到三维动画软件之中，在三维软件中在进行建模、动画等相关工作。请看下图：

这是跟踪技术在影片《2012》中的应用，从第一张图中我们便可以看出镜头中只有一辆车是实际拍摄的，而经过跟踪技术处理之后，计算机获得了准确的摄像机运动信息。在第二张图中我们可以看出所有计算机生成的CG场景完美的和实拍素材结合在了一起，良好的解决了阴影、遮挡、角度和运动的信息。《2012》中所采用的跟踪软件是Matchmove，这是Autodesk公司出品的专和Maya配合的跟踪软件，功能自然是非常强大了。

还有一款跟踪软件Boujou在电影中的应用也是非常的广泛，诸如《变形金刚》、《爱丽丝梦游仙境》等影片均采用了Boujou的跟踪技术。

2.2模型技术在电影中的应用

模型是动画师根据前期人员的造型设计，在计算机中用三维制作软件制作三维模型，一般需要制作的模型包括场景、道具和角色，这些模型的制作都分为低模、中模和高模的制作，下面将进行论述。

2.2.1Polygon建模

即多边形建模技术。多边形是一个三维数字结构，由三个或更多在空间中具有X、Y、Z坐标的点的集合，这些点以特定的次序连接起来形成了面，面的集合便成为一个模型。①Polygon建模特别适合建造一些棱角鲜明的角色。在影片《变形金刚》中，我们在荧幕上看到了曾经只在书本中或、杂志中才能看到的变形金刚。请看下图：

这两张图是影片《变形金刚》中的角色模型，在第一张图片中可以明

①参见Mick Larkins、Eric Keller：《MAYA7从入门到精通》，电子工业出版社2006年版，第76页。

显的看出角色带有明显的棱角。这两个模型主体（不包括部分琐碎零件）的建造所采用的便是Maya软件中的Polygon建模技术，Maya中的Polygon 建模工具非常的灵活且简单易用，这两个角色都是从一个Box开始建起，采用挤出、插入环形边、加线、合并、倒角、光滑命令做出来的，通过点的不断调整达到最后理想的结构。当然，Maya中的Polygon建模技术还可以解决真人角色模型的建立，请看下图：

这是我们非常熟知的影片《加勒比海盗》中的角色模型，采用的也是Maya的Polygon建模技术，用到的命令和上述一样。由此我们可以看出Maya的Polygon建模技术是非常强大的，在电影中的应用是非常广泛的。

2.2.2NURBS建模

即曲面建模。NURBS（非均匀有理B样条）曾是有机体建模的方式之一，但功能强大的计算机、细分表面和其他技术的发展为多边形建模注入了新的活力，NURBS在有机体领域的应用越来越少，现在多用于建筑、飞船、工业制品和其他无机体模型的制作。①请看下图：

①参见Mick Larkins等：《MAYA7从入门到精通》，电子工业出版社2006年版，第112页。

这是影片《汽车总动员中》的汽车模型，采用的便是Maya中的NURBS 建模技术，从两张图片中我们便可以看到，模型的表面非常的光滑，这样的模型通过Polygon技术也可以完成，但是会非常的浪费成本，而采用Nurbs技术便非常的简单。例如轮胎的制作，在NURBS中只需要一个旋转命令即可完成，这样的模型制作采用NURBS中的旋转、放样、挤出、裁剪、缝合、倒角、重建面命令便可实现。NURBS建模技术在电影中的应用是非常广泛的，《星球大战》中的飞船、《阿凡达》中的战斗机等都是通过这种技术完成的。

2.2.3Subdivision建模

即细分表面建模。细分表面建模被称为是计算机建模中一种“新”的东西，它集合了Polygon建模与NURBS建模的优势，可以同时允许使用大部分Polygon和NURBS里的工具，这是它独特的一个特性。但是Subdivision最大的优点还是在其分级本性，细分表面能够创建不断提高的细节层次。并且在模型的制作过程当中可以不断地切换显示高级或低级，而且在低级细节时对模型的修改会自动传递给高级模型。而且细分表面技术允许只在需要的地方增加相应的细节，这也节省了计算量。①请看下图：

①参见Mick Larkins等：《MAYA7从入门到精通》，电子工业出版社2006年版，第149页。

这两张图中的模型出自影片《最终幻想》和《超人归来》，其中《最终幻想》中的摩托车模型和《超人归来》中的人物头部模型便采用了Maya 中的Subdivision建模技术，由于其集合了Polygon和NURBS的一些优点，所以在使用起来也是非常的复杂，国内艺术家用此项技术的相对较少。但是它的优势逐渐凸显，在电影中的应用也是越来越广泛。

2.2.4Zbrush雕刻高级模型

一般我们在Maya中制作的模型都是相对简单的，有合理的结构和布线就行，为了保证Maya的运算速度能够很快，通常在Maya中的模型面数都是非常少的，但是这些简单的模型通常是满足不了项目的制作要求的，这就需要将这些简模以OBJ的格式导入到Zbrush中进行雕刻。请看下图：

这两张图是经过Zbrush雕刻后的模型，我们发现细节特别的多，纹

理非常的丰富，而且很具有美感。从第二张图中我们可以看出，在Maya 中生成的模型经过Zbrush处理后细节变得非常的丰富，而想要在Maya 中实现如此精致的效果是非常困难的。同时Zbrush提高了一个非常好的工具，那就是Zmapper，他可以输出基于最高精度模型的法线贴图，通过将这张法线贴图链接到Maya中低级模型材质球中的凹凸通道即可，通过渲染我们便可以看到高级细分的模型。这项技术非常的实用，这样在Maya 中我们使用的都是简模，而高模是通过贴图去表现，这样极大的减少了运算量而且还获得了模型的细节，在业内是没有人不会不这样做的。由于Zbrush优越的雕刻功能使得它在电影中的应用是非常广泛的，可以说在电影中的模型基本没有不用的，下面展示其在《阿凡达》、《指环王》、《侏罗纪公园》、《巴顿将军》中的应用。

2.2.5灯光材质技术

灯光，目的是最大限度地模拟自然界的光线类型和人工光线类型。材质贴图，材质即材料的质地，就是把模型赋予生动的表面特性，具体体现在物体的颜色、透明度、反光度、反光强度、自发光及粗糙程度等特性上。没有了灯光和材质，场景中的模型总是一片死灰。但是灯光材质的效果跟渲染的技术是息息相关的。请看下图：

以上图片是展示灯光材质技术在影片《2012》中的应用，我们可以看到模型场景通过灯光产生了阴影和层次的变化，然后经过材质阶段使模型产生了应该有的纹理和颜色，在Maya 中我们通过灯光系统和材质编辑器便可完成相应的效果。Maya 的灯光材质技术是非常先进的，诸如影片《2012》、《变形金刚》、《阿凡达》和《爱丽丝梦游仙境》等最终都是通过Maya 完成的。整个灯光材质的过程在影片中是非常重要的，因为他是给整个场景润色的过程。不过在以上的最后一张图片中是经过渲染和合成技术处理之后的，这部分技术的应用将在后文论述。

综上，我们可以看出模型技术在电影中的应用是非常广泛的，模型技术在电影中的应用让艺术家彻底的放飞了想象的翅膀，他们可以通过这样

的技术创造任意的角色、道具和场景。不仅如此，它大大的降低了影片的制作成本，尤其是一些场景和大型道具的建造，例如影片《2012》中毁灭的城市和《铁达尼号》中的船的沉没，这样的镜头如果实拍的话耗费的资金会是惊人的，但是模型技术却让这个问题迎刃而解，而模型阶段的灯光材质工作更是为影片添资加彩。

2.3动画技术在电影中的应用

《侏罗纪公园》中恐龙缓缓向我们走来，《变形金刚》中各种角色在荧幕上大战三百回合，《指环王》中成千上万的军队在对战，《阿发达》中潘多拉星球上两个种族之间的战争，这些都应用到了计算机3D动画技术。动画就是让我们在三维软件中的角色模型动起来，具有相应的感情和肢体语言。我们还将以Maya这款软件作为主导来论述动画技术在电影中的应用。

2.3.1动画设置和权重的绘制

动画设置的工作就是在已经展好UV的模型上进行骨骼绑定并且蒙皮，在一些高端的制作当中我们还会为相应的角色添加肌肉系统，使角色能够与骨骼和肌肉发生互动。动画师通过动作捕捉或是对一系列的属性K 帧就可以在计算机中生成完美的动画。这项工作我们在银幕中是看不见的但却是非常重要的一个环节，没有这一环节的工作，角色是不可能发生合理的运动的，而且这一环节的工作质量直接影响着动画的制作。请看下图：