一种实时全模拟动画电影制作方法和系统与流程

本发明提出了一种实时全模拟动画电影制作方法和系统，属于动画电影、游戏和CG影视制作和生产领域。

背景技术：

动画电影是电影工业中非常重要的一种内容表达形式，随着计算机图形学的发展，动画电影的画面质量越来越好，不论儿童还是成人都为此着迷。因此，动画电影的市场规模也越来越大，发展越来越迅速，迪斯尼的动画片是其中的典型代表。

大部分人多多少都会看过一些迪斯尼的动画电影或电视剧，例如，《花木兰》，《功夫熊猫》，《白雪公主与七个小矮人》，《疯狂原始人》以及《猫和老鼠》等等，这些优秀的动画影视作品，都给观众留下了深刻的印象。然而，动画作品的制作和生产却需要大量的时间和投资，最快也需要一到两年，慢的甚至需要三到五年，投资当然也很惊人，从数千万美元到数亿美元，即使是国内的制作的动画电影，也需要数千万甚至上亿的人民币投资，才能完成整个动画电影的制作和生产。

动画电影的制作和生产如此低效率的主要原因来自其传统的制作模式和方法，现在的动画电影和电视一般的制作流程是这样的，完成剧本后，就开始进入制作周期，导演和创作团队根据剧本和自己想象开始绘制分镜头，每一个镜头都要用示意图画出来，示意图可以简单也可以复杂，每个镜头都有时间轴，长度一般从数十秒到几分钟不等。有了分镜头剧本以后，开始按照分镜头制作每一帧画面，每一秒包含24帧画面，每一帧完成后，再渲染成视频，这个时候（这个流程周期一般是几周或几个月后）导演和创作团队才能看到他们设想中的画面，结果是大多数情况下需要修改、需要重来、需要返工，因此，大量工时和金钱就是被这样的工序浪费掉，想法-执行制作-画面确认-修改-执行制作-画面确认……进入死循环！从逻辑上来看，这样的流程没有问题，但是问题在于从想法（或分镜）到画面确认（合成渲染）之间的时间周期至少需要数天或数周，所以需要为动画工业提供实时画面的新系统和方法来解决这个问题。

最近十年，特别是近五年，随着游戏产业的高速发展，特别是PS/Xbox/PC等重型游戏的技术进化，基于实时演算渲染的游戏引擎，取得了巨大的进步，使得游戏的画面质量愈来越高，已经达到或接近了电影的画面质量，这种进步主要是软件和硬件两个方面合力造就的。

软件方面，在于各种图形图像算法的优化和进化，如光线追踪算法，各种表面的散射算法，水的算法以及各种特效算法。这些图像算法的进步基本上都体现在游戏引擎的进化当中，商业的游戏引擎请参考，Unreal，Unity和Crytek，开源的游戏引擎请参考，Ogre，Source等，这些游戏引擎是实时演算渲染系统在游戏工业的成功案例。

硬件方面，主要的推动力来自CPU和GPU的不断升级，CPU不断地提升多线程和多核的计算能力，请参考Intel和AMD的CPU系列产品。当然实时演算渲染最大推动力来自于GPU的升级，从最初几个计算核心，到几十个计算核心，再到几百个计算核心，以及现在的数千个上万个计算核心，这保证了实时演算渲染需要的计算能力。

软件算法的优化和强大的计算能力结合，让实时系统的图像质量得到了极大的提升，达到甚至开始超越传统动画和CG工业带来的视觉水平，而且完全超越了用户的心理预期，请参考综述文章《A Game Engine as a Generic Platform for Real-Time Previz-on-Set in Cinema Visual Effects》，文章地址：https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01226184。

技术实现要素：

因此，本发明针对上述传统动画电影和CG工业的制作和生产困境，基于最新的实时演算系统，重新构建了新的动画电影和CG工业的生产流程，为此提供了全新的方法和系统。

1. 一种实时全模拟的动画电影制作方法和系统，其特征在于，包括如下步骤。

a)根据剧本描述和导演要求，构建起一个或若干个实时动态的3D虚拟世界，这些虚拟世界包含了剧本描述的和导演想要的所有故事环境和事件细节，而且是完全实时动态的。

b)搭建完成a）描述的动态虚拟世界后，导演和摄影师根据剧本使用一个或多个虚拟摄影机来拍摄这些虚拟世界，直到完成剧本要求的所有镜头，当然如果导演和摄影师对虚拟世界有修改要求，可以随时回到a）进行虚拟世界搭建。

c)导演和剪辑针对b）描述的这些镜头进行剪辑，最终剪辑成片，当然如果导演和剪辑对于已经拍摄的镜头不满意，可以随时回到b），进行重新拍摄。

d)从虚拟世界搭建到拍摄再到剪辑，上述的a),b),c)三个步骤都在一个系统中完成，无需转换系统，从而可以高效率实现完整的动画电影制作生产流程，而且单一系统便于多人进行远程协作共同完成电影制作。

2. 根据[0010]所述的一种实时全模拟的动画电影制作方法和系统，其特征在于，步骤a）所描述的实时动态虚拟世界，包括如下子特征。

1)实时性，通过实时演算渲染系统，实时地为导演呈现可视化的画面，符合直觉的使用习惯，导演可以根据画面实时做出决定。

2)动态性，这里所说的3D虚拟世界不是一个静态的世界，是一个带有事件发生的全模拟动态虚拟世界，它包含，场景、灯光、调色、角色、动作、表情、服装、化妆、道具、特效以及符合剧本和物理规律的各种相互作用和相互交互，呈现的是个充满细节的、带有时间轴的全模拟虚拟世界。

3)多风格，虚拟世界的实现风格由剧本和导演决定，可以是迪斯尼式的美式卡通，也可以是日漫的二次元风格，还可以是模拟真实的真人故事，总之，这个虚拟世界可以构建成导演想要的风格和模式。

4)镜头相关性，整个剧本可以构建一个庞大的虚拟世界，包含所有故事的发生和发展，也可以构建若干个虚拟世界，每个虚拟世界可以包含一个或多个电影镜头，所有虚拟世界加起来将包含剧本涉及的所有镜头和导演设想的所有故事。

5)资产复用性，由于采用了实时演算的渲染方式，使得场景、灯光、调色、角色、动作、表情、服装、化妆、道具、特效这些数字资产都是相互独立的，可以被多个动画电影重新使用，从而提升了数字资产的价值，降低了制作成本和周期。

3. 根据[0010]所述的一种实时全模拟的动画电影制作方法和系统，其特征在于，步骤b)所描述的虚拟摄像机，包括如下子特征。

1)灵活性，每个[0015]所述的虚拟世界里，可以配备一个虚拟摄像机，也可以配备若干个虚拟摄像机，从不同角度，按照不同运动轨迹拍摄所在虚拟世界。

2)多样性，虚拟摄像机既可以是完全理想的理想摄像机，也可以模拟现有的各种型号真实摄像机的特点，包括焦点、焦距、感光芯片以及镜头畸变，虚拟摄像机既可以是物理的硬件设备，也可以是纯粹程序脚本驱动的软件。

3)多题材，运行在[0015]所在的虚拟世界里的虚拟摄像机可以拍摄2D动画电影，也可以使用两台带有视差的虚拟摄像机拍摄3D动画电影，还可以拍摄360度的VR动画电影。

根据[0010]所述的一种实时全模拟的动画电影制作方法和系统，其特征在于，步骤c)和d)所描述的制作流程，包括如下子特征：所有效果都在一个系统中实时呈现，导演可以实时确认每个镜头是否可以通过；由于不同阶段的流程在一个系统中，所以随时可以重新再来，直到满意为止；镜头一旦拍摄完成，可以随时剪辑合成，立即看到整体效果。

与现有的动画电影和CG工业制作流程相比，本发明具有如下有益效果。

1、本发明采用实时演算系统可以让导演实时看到画面，做出决定，减少了返工和修改，大大加快了制作速度并且降低了成本。

2、本发明采用实时模拟的3D虚拟世界，让导演和创作团队具有更大的创作自由度，而不必增加额外成本。

3、本发明采用了虚拟摄影拍摄模式，传统的影视导演无需学习，即可采用他们熟悉的方式进行动画电影的创作。

4、本发明，除了少数数字资产制作外，所有制作和生产都在一个系统内完成，直到满意剪辑成片，这样大大地降低了数字内容在不同系统之间相互转换带来的各种不兼容问题，减少了内容生产的时间周期以及购买多个软硬件系统的投资、投入和学习成本。

5、本发明采用的实时演算渲染和独特的虚拟拍摄方式，让数字资产之间相互独立互不关联，因此，同样的数字资产可以重复利用到不同的电影当中，由于光线和特效以及拍摄角度不同，完全可以作为新的资产使用，从而提升了数字资产效率降低了制作成本。

附图说明

图1为本发明的方法和系统的流程示意图。

图2为本发明的虚拟世界创建和运行系统示意图。

图3为本发明的虚拟摄像机系统示意图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，下面我们将结合附图，通过本发明的一个实施例来描述本发明方案的实施过程以及特点和优势，显然，这里描述的实施例是本发明的一个实施案例，而非全部，因此，该实施例不是限定的，不能以此限定本发明的保护范围。

图1是本发明的方法和系统的流程示意图，从图中可以清楚地看出，110模块是所有动画电影都必备的部分， 110块的前期设定部分一般包括：完整的动画剧本和比较详细的角色、场景等美术设定部分，对于传统动画电影还必须要具备比较详细的分镜头脚本设定，而对于本发明的系统来说，分镜头脚本设定不是必须选项，这也直接减少了大量的工作量和成本。对于场景的设定，在本发明中就是对虚拟世界的设定，就是需要建立多少个虚拟世界，每个虚拟世界里都有故事发生，也都需要进行拍摄。

图1中的120模块是本发明实施例的核心所在，它包含130的3D虚拟世界模块和140的虚拟摄像机模块，这些模块都会运行在一个实时演算的全模拟系统之上。130块是要根据110块的剧本和设定，搭建所有需要的3D虚拟世界，并且运行它们，140要根据剧本来拍摄这些搭建完善且正在运行的130虚拟世界模块，最终拍摄和剪辑完成整部动画片。

图2给出了本发明中构建和运行3D虚拟世界所需要的关键数字化组件，其中，210块的角色、220块的场景、230块的道具以及280块的音乐音效这四个组件都属于数字资产部分，用于构建的3D虚拟世界的基础，由于采用了实时演算技术这些模块的制作和生产将变得比较简单，而且可以重复使用。

图2中的240块表演组件也可以看作一种特殊的数字资产，一般情况下由专业演员在导演的指导下进行表演，然后通过动作捕捉和表情捕捉系统，把这些表演的动作和表情捕获后，赋予210块中的角色，这样这些角色就可以在运行的虚拟世界里鲜活地动起来，角色有了动作和表情后，也就有了感情表达。

完成了表演和数字资产组件后，还需要250块的灯光组件、260块的特效组件以及270块的调色组件来继续打扮虚拟世界，使之符合剧本和导演要求，只不过250、260、270这三个组件完全是由算法来实现的，可以随时灵活调整和变化，以此迅速满足导演要求，而且实时生效，所见即所得。

到此为止，一个动态、实时可见的、充满冲突的3D虚拟世界就出现在了导演面前，当然导演可以随时修改这个虚拟世界，让它变成自己想要的角色、表演、光线、颜色、效果等。

接下来摄影师就可以使用图1的140虚拟摄影机模块进行拍摄，完成多个镜头后，使用图2中290块的剪辑组件，把镜头通过某种过渡方式连接起来，这样整个动画电影就算成片拍完。这里的290块剪辑组件也和传统的剪辑有所不同，传统的剪辑主要是从各种不理想的、已拍电影镜头中重新处理裁剪出最佳的内容，而本发明中，由于虚拟世界一直在运行中，虚拟摄像机也可以一直在不断地拍，直到拍摄出满意的镜头为止，所以剪辑就变得简单了，更多的只是镜头之间的组合而已。

图3给出了本发明实施例的另一个核心模块虚拟摄像机的示意图，虚拟摄像机系统包括4个组件，分别进行说明。310块的摄像机设定组件主要用来对虚拟摄影机进行风格选择设定，导演和摄影师可以选择一款自己熟悉的摄影机和镜头，并把它的特点赋予虚拟摄影机，如选择RED摄影机和尼康的镜头，我们的虚拟摄影机就会模拟RED的风格和参数，尼康的镜头焦点、焦距和畸变程度也会被模拟出来。当然虚拟摄影机还可以实现大量现实不存在的摄影机和镜头，给导演和摄影师提供更多惊喜。

图3的320块摄像机运动设定组件，这个组件更加强大，只要有想象力，摄影师可以通过设定虚拟摄影机的运动方式、轨迹、速度、加速度等，拍摄出传统拍摄机不可能拍出的镜头。

330块摄像机外设相对简单，它是一种物理设备的虚拟摄像机，用来提供给导演和摄影师使用，就像使用传统摄像机一样，只不过没有物理镜头和感光芯片，拍摄的是我们的虚拟世界，而不是现实的物理世界。

340块所说的摄影机部署，就是在图2所述的运行的虚拟世界中什么地方部署什么样的虚拟摄像机、它的运动轨迹和速度是什么样以及跟拍谁，以及需要部署多少个虚拟摄影机等等。

图1，2，3以及上述的实施方式，就可以看出本发明的优势所在，通过在实时演算系统上构建和运行动态3D虚拟世界，对该虚拟世界使用虚拟摄像机进行拍摄，整个过程都是实时可见的、可调整的、可重复的，因此，可以大幅度降低动画电影的制作和生产周期以及成本。

以上所述，仅为本发明的一个较完整的具体实施方式，但是本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可以轻易地想到变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以发明权利要求的保护范围为准。