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摘要：随着虚幻引擎的快速发展，其功能更加全面，虚幻引擎凭借在实时渲染方面的优势，能够实时渲染出高质量的画面效果。现在虚幻引擎已经应用在三维动画制作领域，使用虚幻引擎制作三维动画可以进行实时渲染，多工作任务并行，方便实时修改，极大地提高了制作效率。本文对传统三维动画制作流程和使用虚幻引擎制作三维动画流程进行分析比较，阐述使用虚幻引擎制作三维动画的优势、现状和未来的发展趋势。
关键词：虚幻引擎;三维动画;实时渲染;影视动画
中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2021）15-00-02
虚幻引擎是一款为开发游戏而推出的开发工具，它集成了游戏开发所需要的核心功能，用户使用它可以快速地开发出游戏作品。如今有很多大众熟悉的游戏都是使用虚幻引擎开发的，如《战争机器》《堡垒之夜》等。虚幻引擎不断发展，现在它已经不只是单一的游戏开发工具，而是应用于动画、建筑、影视、虚拟现实、增强现实等领域的实时三维创作工具。虚幻引擎凭借实时渲染功能，在三维动画制作方面的优势不断凸显。
1 虚幻引擎
虚幻引擎是在1998年推出的一款游戏开发工具，它集成了游戏开发所需要的渲染、物理系统、碰撞检测、音效、动画、人工智能、脚本编辑等核心功能，用户可以直接在虚幻引擎中使用这些功能，开发游戏作品。从1998年推出虚幻引擎1至今，虚幻引擎历经了多次迭代，2014发布了虚幻引擎4，目前已发布的最新正式版本是虚幻引擎4.26，2021年5月26日发布了虚幻引擎5抢先体验版。经过二十多年的发展，虚幻引擎的各项技术得到了较大的提升，功能也越来越完善，渲染效果也更加真实。虚幻引擎4支持实时光线追踪、动态光源等功能，在渲染方面实现了进一步的提升，用户可以使用虚幻引擎4轻松地制作出逼真的画面效果。在虚幻引擎4这个版本中还推出了蓝图可视化编程工具，用户可以使用蓝图中的可视化节点进行编程，没有编程语言基础的用户也能使用虚幻引擎开发游戏或交互类产品，大大降低了虚幻引擎的学习门槛，吸引了更多用户加入虚幻引擎开发者队伍。随着近几年手机、虚拟现实、增强现实等设备的发展，虚幻引擎获得了多个平台的支持，使用虚幻引擎开发的内容，一次开发可以部署到移动平台、主机、虚拟现实、增强现实等多平台设备上，提高了开发效率，降低了开发成本。2021年5月推出了虚幻引擎5抢先体验版，这个版本较上一个版本有较大的革新，它新增了一些跨时代的功能，比较受行业关注的是虚拟化微多边形几何体系统和全动态全局光照解决方案。有了虚拟化微多边形几何体系统功能后，用户不再需要将高模烘焙到低模，可以直接将超高面数的模型导入虚幻引擎中流畅使用，可以获得精度更高的画面效果，优化了以往的制作流程，减少了手动降低高模等烦琐的工作。用户可以使用全动态全局光照解决方案制作动态、真实的画面效果，场景中的间接光照可以随着环境的光照发生实时改变，让场景中的光照效果更加生动真实，用户可以不用再制作光照贴图纹理坐标，不用再烘焙光照贴图，只需要把灯光放置到场景中，就能实时获得最终的光照效果[1]。虚幻引擎具备完善的功能，可实时渲染照片级的画面效果，受到了众多游戏开发者和公司的欢迎，在游戏引擎领域占据了较大的市场比例。现在虚幻引擎已经广泛应用于游戏开发、动画制作、影视制作、虚拟现实、增强现实等领域。
2 传統三维影视动画创作流程
从1995年问世的世界第一部全电脑制作的动画《玩具总动员》至今，三维影视动画已发展了二十多年，三维影视动画制作已经形成了一套较为成熟的制作流程，制作软件以数字内容创建软件为主，在数字内容创建软件中能制作模型、绑定角色、制作动画、灯光渲染等内容。三维影视动画片的制作过程大致可以为分前期、中期、后期三个部分。前期有动画剧本写作、创作分镜头、设计动画角色场景;中期有模型制作、角色绑定、动画制作、材质、灯光渲染;后期为合成。整体的流程是设计、模型、绑定、动画、灯光渲染、特效、合成的线性流程。这种线性制作流程显著的特点是环环相连，需要上一个环节制作完成以后才能进行下一个环节。因此制作周期比较长，如果某一个环节出现问题，就会影响后续的所有环节，修改的成本较高[2]。传统三维动画渲染采用的是离线渲染的方式，这种渲染方式速度慢，在制作一些大型项目时还需要大型渲染农场，渲染成本高，渲染完成后才能看到画面效果。如果出现问题需要返回前面的环节进行修改，再重复后续的操作，则需要多个环节配合修改，费时费力，修改成本很高。目前随着4K、8K等超高清技术的发展，市场对三维动画的画面效果要求越来越高，渲染的运算量和成本也不断提高。对画面要求极为严格的三维动画电影，渲染的计算量更是天文数字，渲染一部动画电影需要使用数千台计算机，不间断地渲染几个月甚至一两年的时间[3]。例如，动画电影《小门神》，该片的渲染工作量非常大，在渲染高峰阶段同时动用了两千多台计算机[4]。
3 虚幻引擎在三维影视动画创作中的应用
虚幻引擎在早期是一个游戏开发工具，提供了游戏开发所需要的核心功能。经过了二十多年的发展，虚幻引擎的功能更加全面，在实时渲染方面有着较大的优势，能够实时渲染高质量的画面效果。现在的虚幻引擎已不是单一的游戏开发工具，而是应用于电影、建筑、广告、动画等众多行业的实时三维创作工具。虚幻引擎非常重视在动画行业的应用，陆续推出了角色动画工具、动画蓝图、实时连接插件、多轨迹编辑器等动画工具，让虚幻引擎在动画制作方面更加方便快捷。近几年虚幻引擎不断通过项目测试，开发出动画相关的功能。2015年用虚幻引擎4制作的动画短片《放风筝的小男孩》发布，这个短片展示了虚幻引擎在表现大型场景和真实环境方面的优秀能力。2020年维塔数码团队使用虚幻引擎4制作了动画短片《狐獴》，该片中动物角色的毛发非常细腻真实，展示了虚幻引擎在实时毛发方面的优秀效果。随着虚幻引擎在动画制作方面实时渲染等优势的发展，国内外已经有许多使用虚幻引擎制作的三维动画陆续推出，如《奇迹谷扎法利》就是第一部使用虚幻引擎4制作完成的动画片。这部动画片的场景、灯光、渲染、特效都是利用虚幻引擎4完成的，使用了虚幻引擎的实时渲染，节省了大量的时间，动画师可以实时获得最终的画面效果[5]。 相比传统的三维动画制作流程，使用虚幻引擎制作动画有很大不同，首先需要在数字内容创建软件中制作角色场景模型，通过贴图制作工具制作模型贴图，并在数字内容创建软件中给角色架设骨骼绑定控制系统，完成角色动画，然后把模型、贴图、动画资源导入虚幻引擎中，在虚幻引擎中完成场景搭建、灯光、渲染、特效、镜头等任务。使用虚幻引擎制作三维动画的流程是非线性的，很多任务是可以并行的，场景、动画、灯光、特效制作都可以同时进行，并通过实时渲染输出最终的效果[5]。动画团队中各个成员可以实时看到光照、动画和材质的动画效果，可以从不同的角度查看动画场景[6]。在制作过程中可以对某个任务中存在的问题及时进行修改，不会对其他任务的进行造成影响，这种多任务并行的制作流程是一个非常大的优势，可以节省制作周期[7]。
在制作动画角色模型和动画的前期阶段会不断调整修改，在传统的三维动画制作流程中，动画师不能实时看到动画和场景的最终效果，需要等待较长时间，经过渲染输出才能看到最终效果。采用虚幻引擎动画流程，动画师可以通过虚幻引擎的实时连接插件将动画数据从数字内容创建软件流送到虚幻引擎中，在制作动画的同时，在数字内容创建软件和虚幻引擎中使用相同场景，在数字内容创建软件中制作动画的同时，可以在虚幻引擎中看到实时渲染的动画效果[6]。
使用虚幻引擎制作动画可以很方便地与动作捕捉结合制作动画，虚幻引擎推出了一些支持动作捕捉的工具。在虚幻引擎4中推出的实时连接插件可以捕捉真人表演的动作数据，将其直接传输到游戏引擎中，再将动作数据传递给动画角色，动画团队可以在有灯光、特效场景的画面中实时看到动画角色。2020年虚幻引擎发布了面部实时连接，这是一款可以捕捉人物面部表情的苹果手机应用程序，它可以通过苹果手机捕捉人物面部的动画效果，并将动画数据传送至虚幻引擎的虚拟角色。该应用的面部识别功能采用了苹果公司推出的增强现实开发工具，再结合苹果手机的三维摄像头，可以识别人物面部表情变化，实时连接插件可以将识别到的表情动画数据传输到虚幻引擎。使用该方案进行表情动画捕捉，获取的动画数据质量较高，能应用到动画制作中，而且硬件设备成本较低，是一种简单可行的表情动画捕捉方案[8]。
4 结语
虚幻引擎具有优秀的实时渲染效果，是一款成熟的动画制作工具，国内外许多团队都在尝试使用虚幻引擎制作动画。相比较传统三维动画制作流程，虚幻引擎有实时渲染、多任务并行等优势，实时渲染可以让动画团队在制作过程中及时看到动画效果，可以在制作中实时调整修改，可以省去传统三维动画制作长时间的渲染等待，多任务并行的工作方式可以让动画、场景、灯光、渲染、特效等工作同时进行，可以实时看到动画渲染效果。这样的动画制作方式，极大地提高了效率，节省了制作的周期和成本。目前虚幻引擎制作动画有许多的优势，但也存在一些不足。目前国内外使用虚幻引擎制作三维动画还处于起步阶段，相关技术人才储备不足，相关院校的动画专业教学还是以传统的动画制作流程进行教学，传统三维动画的制作人员转向虚幻引擎制作动画也存在一定的技术门槛，使用虚幻引擎制作三维动画的团队和动画作品占比还较少。目前虚幻引擎的实时渲染与传统三维动画中的离线渲染综合相比还不具备明显的优势，对品质要求高的三维动画电影主要还是以传统三维动画制作流程为主。但随着技术的不断更新，使用虚幻引擎制作三维动画的优势会更加凸显，将解决目前动画制作上的难题，未来虚幻引擎会在三维影视动画领域得到更广泛的应用。
参考文献：
[1] 虚幻引擎.虚幻引擎5现已推出抢先体验版！[EB/OL].虚幻引擎官网，https：//www.unrealengine.com/zh-CN/blog/
unreal-engine-5-is-now-available-in-early-access，2021-05-26.
[2]赵锐.原力的虚幻引擎之路[EB/OL]. bilibili，https：//www.bilibili.com/video/BV1Yt4y1k7YP？from=search&seid=12470294694739159899，2020-12-19.
[3] 本刊记者.瑞云渲染：中国技术助力世界电影[J].中国电影市场，2014（06）：13-15.
[4] 徐然.“工匠”王微 和他的《小门神》[N]. 21世纪经济报道，2016-01-01（016）.
[5] 常姣姣，张国龙.基于三维图形引擎的动画创作探究[J].中国传媒科技，2019（04）：78-80.
[6] 麦克·西莫.维塔数码实时毛发短片《狐獴》幕后揭秘[EB/OL].虚幻引擎官网，https：//www.unrealengine.com/zh-CN/spotlights/behind-the-scenes-on-weta-digital-s-real-time-hair-and-fur-short-meerkat，2020-12-10.
[7] 薛红杰.虚幻4制作动画的一点经验之谈[EB/OL].知乎，https：//zhuanlan.zhihu.com/p/30655930，2017-11-22.
[8] 瑞安·馬耶达.全新苹果移动系统应用面部实时连接闪亮登场[EB/OL].虚幻引擎官网，https：//www.unrealengine.
com/zh-CN/blog/new-live-link-face-ios-app-now-available-for-real-time-facial-capture-with-unreal-engine，2020-07-08.
作者简介：李何（1989—），男，四川万源人，硕士，讲师，研究方向：游戏设计与制作。
关键词：虚幻引擎;三维动画;实时渲染;影视动画
中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2021）15-00-02
虚幻引擎是一款为开发游戏而推出的开发工具，它集成了游戏开发所需要的核心功能，用户使用它可以快速地开发出游戏作品。如今有很多大众熟悉的游戏都是使用虚幻引擎开发的，如《战争机器》《堡垒之夜》等。虚幻引擎不断发展，现在它已经不只是单一的游戏开发工具，而是应用于动画、建筑、影视、虚拟现实、增强现实等领域的实时三维创作工具。虚幻引擎凭借实时渲染功能，在三维动画制作方面的优势不断凸显。
1 虚幻引擎
虚幻引擎是在1998年推出的一款游戏开发工具，它集成了游戏开发所需要的渲染、物理系统、碰撞检测、音效、动画、人工智能、脚本编辑等核心功能，用户可以直接在虚幻引擎中使用这些功能，开发游戏作品。从1998年推出虚幻引擎1至今，虚幻引擎历经了多次迭代，2014发布了虚幻引擎4，目前已发布的最新正式版本是虚幻引擎4.26，2021年5月26日发布了虚幻引擎5抢先体验版。经过二十多年的发展，虚幻引擎的各项技术得到了较大的提升，功能也越来越完善，渲染效果也更加真实。虚幻引擎4支持实时光线追踪、动态光源等功能，在渲染方面实现了进一步的提升，用户可以使用虚幻引擎4轻松地制作出逼真的画面效果。在虚幻引擎4这个版本中还推出了蓝图可视化编程工具，用户可以使用蓝图中的可视化节点进行编程，没有编程语言基础的用户也能使用虚幻引擎开发游戏或交互类产品，大大降低了虚幻引擎的学习门槛，吸引了更多用户加入虚幻引擎开发者队伍。随着近几年手机、虚拟现实、增强现实等设备的发展，虚幻引擎获得了多个平台的支持，使用虚幻引擎开发的内容，一次开发可以部署到移动平台、主机、虚拟现实、增强现实等多平台设备上，提高了开发效率，降低了开发成本。2021年5月推出了虚幻引擎5抢先体验版，这个版本较上一个版本有较大的革新，它新增了一些跨时代的功能，比较受行业关注的是虚拟化微多边形几何体系统和全动态全局光照解决方案。有了虚拟化微多边形几何体系统功能后，用户不再需要将高模烘焙到低模，可以直接将超高面数的模型导入虚幻引擎中流畅使用，可以获得精度更高的画面效果，优化了以往的制作流程，减少了手动降低高模等烦琐的工作。用户可以使用全动态全局光照解决方案制作动态、真实的画面效果，场景中的间接光照可以随着环境的光照发生实时改变，让场景中的光照效果更加生动真实，用户可以不用再制作光照贴图纹理坐标，不用再烘焙光照贴图，只需要把灯光放置到场景中，就能实时获得最终的光照效果[1]。虚幻引擎具备完善的功能，可实时渲染照片级的画面效果，受到了众多游戏开发者和公司的欢迎，在游戏引擎领域占据了较大的市场比例。现在虚幻引擎已经广泛应用于游戏开发、动画制作、影视制作、虚拟现实、增强现实等领域。
2 传統三维影视动画创作流程
从1995年问世的世界第一部全电脑制作的动画《玩具总动员》至今，三维影视动画已发展了二十多年，三维影视动画制作已经形成了一套较为成熟的制作流程，制作软件以数字内容创建软件为主，在数字内容创建软件中能制作模型、绑定角色、制作动画、灯光渲染等内容。三维影视动画片的制作过程大致可以为分前期、中期、后期三个部分。前期有动画剧本写作、创作分镜头、设计动画角色场景;中期有模型制作、角色绑定、动画制作、材质、灯光渲染;后期为合成。整体的流程是设计、模型、绑定、动画、灯光渲染、特效、合成的线性流程。这种线性制作流程显著的特点是环环相连，需要上一个环节制作完成以后才能进行下一个环节。因此制作周期比较长，如果某一个环节出现问题，就会影响后续的所有环节，修改的成本较高[2]。传统三维动画渲染采用的是离线渲染的方式，这种渲染方式速度慢，在制作一些大型项目时还需要大型渲染农场，渲染成本高，渲染完成后才能看到画面效果。如果出现问题需要返回前面的环节进行修改，再重复后续的操作，则需要多个环节配合修改，费时费力，修改成本很高。目前随着4K、8K等超高清技术的发展，市场对三维动画的画面效果要求越来越高，渲染的运算量和成本也不断提高。对画面要求极为严格的三维动画电影，渲染的计算量更是天文数字，渲染一部动画电影需要使用数千台计算机，不间断地渲染几个月甚至一两年的时间[3]。例如，动画电影《小门神》，该片的渲染工作量非常大，在渲染高峰阶段同时动用了两千多台计算机[4]。
3 虚幻引擎在三维影视动画创作中的应用
虚幻引擎在早期是一个游戏开发工具，提供了游戏开发所需要的核心功能。经过了二十多年的发展，虚幻引擎的功能更加全面，在实时渲染方面有着较大的优势，能够实时渲染高质量的画面效果。现在的虚幻引擎已不是单一的游戏开发工具，而是应用于电影、建筑、广告、动画等众多行业的实时三维创作工具。虚幻引擎非常重视在动画行业的应用，陆续推出了角色动画工具、动画蓝图、实时连接插件、多轨迹编辑器等动画工具，让虚幻引擎在动画制作方面更加方便快捷。近几年虚幻引擎不断通过项目测试，开发出动画相关的功能。2015年用虚幻引擎4制作的动画短片《放风筝的小男孩》发布，这个短片展示了虚幻引擎在表现大型场景和真实环境方面的优秀能力。2020年维塔数码团队使用虚幻引擎4制作了动画短片《狐獴》，该片中动物角色的毛发非常细腻真实，展示了虚幻引擎在实时毛发方面的优秀效果。随着虚幻引擎在动画制作方面实时渲染等优势的发展，国内外已经有许多使用虚幻引擎制作的三维动画陆续推出，如《奇迹谷扎法利》就是第一部使用虚幻引擎4制作完成的动画片。这部动画片的场景、灯光、渲染、特效都是利用虚幻引擎4完成的，使用了虚幻引擎的实时渲染，节省了大量的时间，动画师可以实时获得最终的画面效果[5]。 相比传统的三维动画制作流程，使用虚幻引擎制作动画有很大不同，首先需要在数字内容创建软件中制作角色场景模型，通过贴图制作工具制作模型贴图，并在数字内容创建软件中给角色架设骨骼绑定控制系统，完成角色动画，然后把模型、贴图、动画资源导入虚幻引擎中，在虚幻引擎中完成场景搭建、灯光、渲染、特效、镜头等任务。使用虚幻引擎制作三维动画的流程是非线性的，很多任务是可以并行的，场景、动画、灯光、特效制作都可以同时进行，并通过实时渲染输出最终的效果[5]。动画团队中各个成员可以实时看到光照、动画和材质的动画效果，可以从不同的角度查看动画场景[6]。在制作过程中可以对某个任务中存在的问题及时进行修改，不会对其他任务的进行造成影响，这种多任务并行的制作流程是一个非常大的优势，可以节省制作周期[7]。
在制作动画角色模型和动画的前期阶段会不断调整修改，在传统的三维动画制作流程中，动画师不能实时看到动画和场景的最终效果，需要等待较长时间，经过渲染输出才能看到最终效果。采用虚幻引擎动画流程，动画师可以通过虚幻引擎的实时连接插件将动画数据从数字内容创建软件流送到虚幻引擎中，在制作动画的同时，在数字内容创建软件和虚幻引擎中使用相同场景，在数字内容创建软件中制作动画的同时，可以在虚幻引擎中看到实时渲染的动画效果[6]。
使用虚幻引擎制作动画可以很方便地与动作捕捉结合制作动画，虚幻引擎推出了一些支持动作捕捉的工具。在虚幻引擎4中推出的实时连接插件可以捕捉真人表演的动作数据，将其直接传输到游戏引擎中，再将动作数据传递给动画角色，动画团队可以在有灯光、特效场景的画面中实时看到动画角色。2020年虚幻引擎发布了面部实时连接，这是一款可以捕捉人物面部表情的苹果手机应用程序，它可以通过苹果手机捕捉人物面部的动画效果，并将动画数据传送至虚幻引擎的虚拟角色。该应用的面部识别功能采用了苹果公司推出的增强现实开发工具，再结合苹果手机的三维摄像头，可以识别人物面部表情变化，实时连接插件可以将识别到的表情动画数据传输到虚幻引擎。使用该方案进行表情动画捕捉，获取的动画数据质量较高，能应用到动画制作中，而且硬件设备成本较低，是一种简单可行的表情动画捕捉方案[8]。
4 结语
虚幻引擎具有优秀的实时渲染效果，是一款成熟的动画制作工具，国内外许多团队都在尝试使用虚幻引擎制作动画。相比较传统三维动画制作流程，虚幻引擎有实时渲染、多任务并行等优势，实时渲染可以让动画团队在制作过程中及时看到动画效果，可以在制作中实时调整修改，可以省去传统三维动画制作长时间的渲染等待，多任务并行的工作方式可以让动画、场景、灯光、渲染、特效等工作同时进行，可以实时看到动画渲染效果。这样的动画制作方式，极大地提高了效率，节省了制作的周期和成本。目前虚幻引擎制作动画有许多的优势，但也存在一些不足。目前国内外使用虚幻引擎制作三维动画还处于起步阶段，相关技术人才储备不足，相关院校的动画专业教学还是以传统的动画制作流程进行教学，传统三维动画的制作人员转向虚幻引擎制作动画也存在一定的技术门槛，使用虚幻引擎制作三维动画的团队和动画作品占比还较少。目前虚幻引擎的实时渲染与传统三维动画中的离线渲染综合相比还不具备明显的优势，对品质要求高的三维动画电影主要还是以传统三维动画制作流程为主。但随着技术的不断更新，使用虚幻引擎制作三维动画的优势会更加凸显，将解决目前动画制作上的难题，未来虚幻引擎会在三维影视动画领域得到更广泛的应用。
参考文献：
[1] 虚幻引擎.虚幻引擎5现已推出抢先体验版！[EB/OL].虚幻引擎官网，https：//www.unrealengine.com/zh-CN/blog/
unreal-engine-5-is-now-available-in-early-access，2021-05-26.
[2]赵锐.原力的虚幻引擎之路[EB/OL]. bilibili，https：//www.bilibili.com/video/BV1Yt4y1k7YP？from=search&seid=12470294694739159899，2020-12-19.
[3] 本刊记者.瑞云渲染：中国技术助力世界电影[J].中国电影市场，2014（06）：13-15.
[4] 徐然.“工匠”王微 和他的《小门神》[N]. 21世纪经济报道，2016-01-01（016）.
[5] 常姣姣，张国龙.基于三维图形引擎的动画创作探究[J].中国传媒科技，2019（04）：78-80.
[6] 麦克·西莫.维塔数码实时毛发短片《狐獴》幕后揭秘[EB/OL].虚幻引擎官网，https：//www.unrealengine.com/zh-CN/spotlights/behind-the-scenes-on-weta-digital-s-real-time-hair-and-fur-short-meerkat，2020-12-10.
[7] 薛红杰.虚幻4制作动画的一点经验之谈[EB/OL].知乎，https：//zhuanlan.zhihu.com/p/30655930，2017-11-22.
[8] 瑞安·馬耶达.全新苹果移动系统应用面部实时连接闪亮登场[EB/OL].虚幻引擎官网，https：//www.unrealengine.
com/zh-CN/blog/new-live-link-face-ios-app-now-available-for-real-time-facial-capture-with-unreal-engine，2020-07-08.
作者简介：李何（1989—），男，四川万源人，硕士，讲师，研究方向：游戏设计与制作。