Live2D制作立体感的优化——以物理模拟系统和OpenGL渲染技术为例.pdf

71影视制作音画制作Post ProductionLive2D制作立体感的优化以物理模拟系统和OpenGL渲染技术为例文/哈尔滨师范大学传媒学院 蔡雨芩摘要：Live2D 作为一种创新的 2.5D（半三维）技术，已经在动漫、游戏和虚拟角色领域展现出了巨大的潜力。它的出现为二维图像注入了更多的动态和立体感，使得角色在屏幕上呈现出更为生动逼真的表现。本文重点探讨 Live2D 制作技术中如何通过物理模拟使用和对渲染技术进行调整，使 Live2D 能够实现更加精细的变形和纹理映射，从而增强二维画面的立体感和真实感。进一步研究和优化 Live2D 制作技术对于提升二维动画质量和表现力具有重要意义。它有助于动漫、游戏和虚拟角色行业创造更具吸引力和沉浸式的用户体验，扩展二维动画的创作可能性。关键词：Live2D；二维动画；物理模拟；渲染技术；创作工具随着技术的不断进步，Live2D 技术近年来取得了显著的发展。目前，Live2D 技术已经在动漫、游戏和虚拟角色领域得到了广泛的应用，越来越多的动画作品和游戏采用 Live2D 技术为观众和玩家带来更丰富的视觉体验。在 Live2D 技术运用里，主要分为两个方向：角色动态表现和插画动画化。这两个方向的技术发展迅速，都制作出了非常完整精致的作品，在灵犀互娱公司的手机游戏代号鸢中，精致灵动的动态角色表现吸引了大量玩家，角色的动态表现不仅体现在其流畅的动作和精细的细节上，还体现在其情感的表达和战斗技能的展示上。米哈游公司的游戏宣传片雪霁逢椿完全由 Live2D 技术制作，展现出与传统动画不相上下的表现力和艺术效果，引发了对 Live2D 动画的讨论热潮。然而，Live2D 技术仍然面临一些挑战和限制，例如，由于受制于以平面图形为基础，Live2D 动画在立体感的呈现效果中表现较为一般，Live2D 制作在这个方面仍面临众多技术难题待解决。音画制作Post Production72影视制作音画制作Post Production1.当前Live2D制作中立体感表现存在的问题受限于以平面图形（二维图像）为制作基础，Live2D动画在画面立体感的表现上仍有较大进步空间。下面对存在问题做出简单的分类概述，以求从问题中寻找解决方案。1.1 绘制技术和角色设计的限制当前Live2D制作中的立体感表现仍然受到绘制技术和角色设计的限制。由于 Live2D 是基于二维平面图像的技术，所以在表现画面的立体感方面存在一定的局限性。需要使用 Live2D 技术制作的角色设计和传统的角色设计有较大差别。绘制角色时，不仅需要考虑与立体感呈现息息相关的透视和光影等因素，更需要从角色设计可能实现的动态效果出发，在绘制过程中加入基于 Live2D 技术的相关设计，以创造出更具立体感的效果。然而这需要设计师具备较高的绘画技巧和对立体感的深刻理解。从日本东洋美术学校的 Live2D 教学目标“培养能够以角色为中心设计全部动作的插画师”中可以看出，相较于其他专业的设计师，Live2D 插画师需要具备更多对“可能呈现的动态”的思考。1.2 动画和运动效果的制约Live2D 制作中的立体感表现受到动画和运动效果的制约。Live2D 技术是一种独特的 2.5D 技术，不依赖于多个视觉传感器的输入、深度感知和立体重建原理，而是通过制作者对 2D 平面图像的设计和变形，以及程序对图像的渲染和动画控制，因此在一些需要展现角度变化，特别是在角色的运动和转身过程中，需要更加精细的动画设计和平滑的过渡，以使角色的立体感更加真实和流畅。1.3 硬件设备的兼容性和性能要求硬件设备的兼容性和性能要求也是Live2D制作中立体感表现问题的一部分。为了实现更好的立体感，可能需要更高的计算能力和图形处理要求。这可能对设备性能和兼容性提出了一定的挑战，特别是对于低配置的设备或移动平台。在实际的 Live2D 制作过程中，有时会遇到与软件和设备相关的问题。例如，在某些情况下，使用 CMYK 模式的图像在输出运作档阶段无法正常显示或运行。这是因为 Live2D 制作工具和一些设备对图像的颜色模式要求不同，导致 CMYK 模式的图像无法正确解析和显示。为了解决这个问题，制作人员需要将图像转换为 RGB 模式，以确保其与 Live2D 制作工具和设备兼容。软件工具的功能和稳定性的进一步提升，将提供更加便捷和高效的制作体验。此外，针对不同设备和平台的优化也是重要的课题，可以确保 Live2D 作品在各种设备上顺利运行。2.基于2.5D（半三维）的Live2D立体感制作技术研究关于 Live2D 技术如何实现二维图像立体化，有部分学者从传统立体视觉方法出发，认为 Live2D 技术是基于单目视觉法，使用 X 恢复形状法（shapefromX）通过对 2D 图像进行变形和动画来模拟立体感和动态效果。基于这个观点，将从以下几个部分分析 Live2D立体感制作的部分技术细节。2.1 仿射变换矩阵的优化在 Live2D 模型中，顶点映射（Vertex Mapping）是由仿射变换实现的。通过应用仿射变换矩阵，将模型的顶点在平面上进行变换和调整，以实现模型的形变、旋转、缩放和平移等操作。仿射变换是一种线性变换，它可以通过矩阵运算来描述。在 Live2D 中，通过定义仿射变换矩阵，可以将模型的顶点坐标按照一定的规则进行变换。这些变换可以包括平移（Translation）、旋转（Rotation）、缩放（Scaling）和错切（Shearing）等。具体来说，顶点映射是指将原始的模型顶点坐标通过仿射变换矩阵进行变换，使得模型的形状、姿态和尺寸得到调整。通过调整仿射变换矩阵中的参数，可以实现模型的各种形变效果，如人物的动作、面部表情的变化等。使用仿射变换实现顶点映射的好处是可以在保持模型的平滑性和连续性的同时，对模型进行灵活的变形和变换。通过控制仿射变换矩阵的参数，开发者可以实现对 Live2D 模型的精细调整和动态效果的呈现。对仿射变换矩形的操作在软件中通常是使用变形器（Deformers）完成，对图形的变形具体可以分为两个方面：73影视制作音画制作Post Production（1）物体类型：在 Live2D 制作中，物体的角度变化可以超出真实世界中物体的自然运动范围，以达到表现力的增强和情感的传递。通过对角度变化进行特殊处理，可以有效增强物体的立体感。例如，在几何形物体的变形中，采用融合变形（Blend Shapes）将图形的形状层（蒙版）和纹理层（剪切蒙版）进行关联并赋值权重，可以在不影响形状层形态目标（Shape Target）的情况下，纹理层会根据设定的权重值，随形状层的关键顶点的位置偏移等信息，自动做出调整。该操作可以保证纹理层的变化是受形状层变化规律影响，呈现出更自然的纹理变化以增强立体感的 呈现。（2）人体类型：相较于物体的变形，在 Live2D 制作中，人体的变形需要更为平滑的仿射变换，因此在设定仿射变换矩阵时，需要根据图形的具体情况和目标表现，对图形进行更为细致的顶点和网格设置。通常情况下，由于所有图形在 Live2D 中都通过图元划分，每个顶点只包含 x 和 y 两个坐标，因此在对图形进行网格设置时，需要考虑线条的存在会对整个图形的变形产生怎样的影响，如果图形的透视变化较小，只需要沿图形内含的明显线条对网格进行调整，使每一组顶点与图形线条相匹配，以减小变形器操作中，图形内部因网格设置造成的不规则变形。如果图形所需透视变化较大，则需要考虑是否将图形内的线条分离，将线条形成新的图形，使其独立于原有图形以便进行调整，见图 1。2.2 基于OpenGL渲染的图形补充Live2D 软件所使用的 OpenGL 渲染技术，引入了可编程的着色器（Shader）概念，允许开发者自定义图形渲染的各个阶段，并且支持 2D 图像的合成与调整，例如正片叠底（Multiply）、加算（Addition）、剪切蒙版（Clipping Mask）等图像处理技术。Live2D 模型和动画的立体感表现受物理变形、透视变化以及光影效果等因素影响，在此基础上，从渲染技术的角度出发，基于优化立体感的图形补充可以分为以下几个 方面：（1）形状层：由于在 OpenGL 渲染技术中，蒙版图形（Mask）的透明度变化不会影响剪切蒙版图形（Clipping Mask）的透明度显示，因此可以设置透明度为 0%的蒙版图形作为物体形状层，用该图形控制整个物体的透视变化。（2）纹理层：细节纹理和材质贴图是立体感表现的重要组成，在已有蒙版图形作为形状层的基础上，设置能涵盖形状层的透视变化所需纹理的图形作为纹理层，在形状层图形进行透视变化时，使用融合变形或手动补帧等方式让纹理层图形能够更加精准地变化。例如，在进行 x 轴的负值运动时，根据透视原理，人物的部分刘海随着角度变化会被压缩并隐藏，在调整好形状层的变形后，可以拉动刘海的纹理层使其在剪辑蒙版状态下隐去一部分，以达到符合客观透视规律的效果，见图 2。（3）阴影层和高光层：阴影层和高光层作为形状层的剪切蒙版，并分别设定为正片叠底模式和加算，在图形的顺序上，优先于纹理层和形状层显示。通过光影高效果使物体的表面产生明暗变化，强化物体之间的空间顺序，突出其凹凸的特征，达到增强立体感的效果。上述图形的透视变形可通过同一父级变形器（Parent Deformer）统一操作，以便透视的基础形状是统一的。后续制作中根据图形需要的具体细节，为各 图1 Live2D官方展示的人物动态制作 图2 Live2D官方展示的部件分解74影视制作音画制作Post Production层图形新建子级变形器（Child Deformer），在子级变形器上进行变形操作和参数设置。2.3 物理参数的制作与权重值设置Live2D 技术并没有使用传统意义上的物理引擎，如 Unity 中的 PhysX 或 Unreal Engine 中的 PhysX等，由于传统物理引擎是基于真实物理原理，而Live2D中则没有这部分数学模型和算法，因此需要制作者根据 Live2D 的物理模拟系统创作物理效果。Live2D中的物理参数通常包括输入设定（Input）、输出设定（Output）、摆锤设定（Pendulum settings）等。区别于传统物理引擎中自带的数学模型和算法，Live2D中的物理模拟系统更类似于规则动画，即基于事先定义好的规则和参数进行自动化生成。关于如何更好地制作物理模拟效果，可以从两个部分进行思考。一是正确认识 Live2D 物理模拟系统运作机制；二是基于现实物理原理并结合作品需要，对作品最终呈现的物理效果进行艺术化加工并总结。在物理模拟系统中，输入设定中的各项参数影响输出设定的各项参数，输入设定中的参数类似于物理动画的开关键，当输入设定中的各项参数发生数值变化时，将带动输出设定中的参数值发生变化。由于输入设定中的各项参数值有权重设定，调整各项输入设定参数的权重值，会让物理动画产生不同程度的变化。权重值设置是指在 Live2D 中为每个物理参数设置权重，以控制它们对物体运动的影响程度。通过调整权重值，可以使某些物理参数对物体运动的影响更加明显，而其他参数的影响较小。这样可以实现更精细的控制和调整，使物体的运动表现更加自然和真实。由于目前软件内的权重值是位置（Position）加角度（Angle），一共只有 200%的总量，因此无法在一组物理模拟设定中加入过多的输入设定参数，需要将输出设定参数细化分组，以便增加更多的物理模拟组进行制作。输出设定的参数是一个独立的系统，由摆锤设定和输出设定组成。输出设定是基于摆锤设定，通过调整摆锤数、影响度、反应、倍率以及最大输出力，生成输出设定的导出参数。该设定部分中与摆锤设定相关的内容为设定每段导出参数与其对应的摆锤数，实际上由于摆锤在实际运行期间，每段摆锤的运动轨迹是不统一的，需要结合摆锤设定中的长度、摇动影响力、反应速度和平定速度这四项设定，在摆锤运行预览中可以观察到摆锤的每个段落的变化规律，根据需要自行选择导出参数和与其对应的摆锤段落。关于摆锤设定的详细参数，在表现摇动或方位律动等需要平滑规律运动的物理模拟设定中，业内普遍使用不小于 3 段的摆锤设定，摆锤设定的详细参数如长度、摇动影响力等则没有一个统一的固定值，因为物理模拟的最终效果与上一节提到的仿射变换的参数制作有不可分割的关系，制作用于物理模拟的参数轴时，图形的变化幅度大小与物理模拟设定的权重值成负相关关系，如果图形的变化幅度较大，则物理模拟设定的权重值可以相应减小。在制作过程中，制作者需要根据角色或物体的特性和运动需求，细致地调整物理参数和权重值。关于输出设定与摆锤段数绑定，有两部分需要着重注意，一是输出设定的优先级，二是摆锤段数的选择。输出设定的优先级表现在物理模拟时优先级越高的输出设定其对应的物理模拟参数轴的数值变化会越明显。通常为了表现多段运动效果，会将图形的物理模拟参数轴做多段分离处理，做出顶端的短段变化和整体的长段变化，在输出设定中，长段物理模拟参数会优先于 图3 某Live2D模型中的摆锤运动预览与物理参数值变化 图4 某Live2D模型中的输出设定的参数75影视制作音画制作Post Production短段。而长段参数绑定的摆锤段数通常需要达到摆锤段数的最大值，以便长段参数的变化能较为完整地输出。通过不断试验和观察，可以找到最佳的参数设置，以实现所期望的动态效果和物体行为。同时，也需要注意物理参数和权重值的平衡，避免过度调整导致不自然或失衡的运动表现。因此，在 Live2D 制作中，物理参数的制作和权重值的设置是非常关键的环节。通过合理调整这些参数，制作者能够实现更加生动、逼真和具有立体感的物体运动效果，提升作品的质量和观赏 体验。图5 Live2D官方模型的摆锤参数设置3.结语综上所述，通过优化物理模拟和渲染技术的应用，可以进一步提升 Live2D 制作中立体感的表现效果，Live2D软件的不断优化也为立体感呈现提供了更多新的方法。本文总结了在学习和实践中的具体操作流程和技术要点，希望有助于学生和业内从业者了解并掌握这个工具，为游戏、动画和虚拟角色制作带来更加丰富和逼真的视觉 体验。【参考文献】1 章毓晋.计算机视觉教程M.北京:人民邮电出版社,2021.2 胡光琴.卡通画的非真实感绘制技术研究D.云南大学,2010.3 何子凤.骨骼技术在二维动画制作中的应用研究D.陕西科技大学,2015.4 杨华琦,刘莉萍.Live2D图像渲染技术在移动端游戏中的应用J.电视技术,2023,47(03):173-175.DOI:10.16280/j.videoe.2023.03.047.5 叶家鸣,陈义仁.用OpenGL实现二维图像的三维显示J.电脑编程技巧与维护,2007(06):58-60+86.DOI:10.16184/prg.2007.06.015.6 耿卫东,潘云鹤.计算机辅助美术动画的新方法综述J.计算机辅助设计与图形学学报,2005(01):1-8.