交互式三維動(dòng)畫的制作生成教學(xué)研究

符俊霞

（周口師范學(xué)院 美術(shù)系，河南 周口 466001）

首先，對(duì)于交互式三維動(dòng)畫的認(rèn)識(shí)和理解不能僅僅局限于過去的草圖設(shè)計(jì)模型，交互式三維動(dòng)畫制作不僅有基于草圖的三維動(dòng)畫制作，還有其他一些比較新型的技術(shù)，比如基于樣例的三維動(dòng)畫制作.交互式三維動(dòng)畫制作，可以滿足在設(shè)定的動(dòng)畫風(fēng)格的基礎(chǔ)上，融入一些新的元素或者創(chuàng)作靈感，交互式三維動(dòng)畫制作具備眾多的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的動(dòng)畫制作技術(shù)相比，交互式三維動(dòng)畫制作具有明顯的優(yōu)勢(shì)和推廣的意義.

第一，IK技術(shù)在交互式三維動(dòng)畫制作中的運(yùn)用.

IK是動(dòng)畫制作最常用的技術(shù)之一.除了IK，動(dòng)畫制作的技術(shù)還有FK.IK（inverse kinematics）和FK（forward kinematics）是用來控制skeleton的運(yùn)動(dòng)軌跡，但是兩者的區(qū)別在于IK可以根據(jù)已知的目標(biāo)計(jì)算空間joint的旋轉(zhuǎn)而FK則是旋轉(zhuǎn)靠近目標(biāo)因此相比較起來，IK技術(shù)有更加精確的目的性，交互式三維動(dòng)畫制作最常用到的技術(shù)也是IK技術(shù).IK(inverse kinematics)對(duì)交互式三維動(dòng)畫制作有著極其重要的作用.IK的工作原理其實(shí)不難理解，首先，通過建立三維立體動(dòng)畫的骨架，其次，在大概的骨架模型上，進(jìn)行精確的成形和模型雕塑.它具體的工作流程如圖1展示：第一，首先要建立骨骼結(jié)構(gòu)(如圖1(a)所示)，骨架結(jié)構(gòu)會(huì)直接關(guān)系到動(dòng)畫成形的后續(xù)工作，骨架三維動(dòng)畫模型的基礎(chǔ)，骨架結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣會(huì)直接影響到三維動(dòng)畫的最終成形情況.而所有的三維動(dòng)畫制作又都起源于基本的骨架結(jié)構(gòu).第二，繼續(xù)調(diào)整骨骼結(jié)構(gòu)，進(jìn)行精確作業(yè)(如圖1(b)所示).第三，最終可以通過前面完成的，骨節(jié)結(jié)構(gòu)，然后利用骨骼驅(qū)動(dòng)模型,如圖1(c)所示.IK技術(shù)工作流程中，一個(gè)比較關(guān)鍵的問題是，IK在設(shè)定關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)時(shí)，因?yàn)閿?shù)據(jù)復(fù)雜，處理麻煩，而且骨架結(jié)構(gòu)既復(fù)雜又不直觀，所以，在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)架和建設(shè)方面需要花更多的時(shí)間去精確參數(shù)，另外，還需要花大量時(shí)間做好參數(shù)設(shè)置和記錄.現(xiàn)在，科學(xué)技術(shù)越來越成熟，三維動(dòng)畫的骨架結(jié)構(gòu)建設(shè)方法越來越多，比如一種，新型的技術(shù)，它是基于網(wǎng)格的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)(mesh-based inverse kinematics)來設(shè)計(jì)骨架結(jié)構(gòu)，它在IK技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)細(xì)節(jié)的把握更加到位，因?yàn)樗抢靡恍永W(wǎng)格來隱含地確定各種約束條件，可以讓設(shè)計(jì)者通過直接操作網(wǎng)格頂點(diǎn)的方法，來改變網(wǎng)格，然后在對(duì)骨架或者對(duì)象進(jìn)行姿態(tài)，狀態(tài)，形狀以及關(guān)節(jié)細(xì)節(jié)的精確修改.總的來說，利用IK技術(shù)配合逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，是交互式三維動(dòng)畫制作的核心技術(shù)，三維動(dòng)畫的制作效果跟IK技術(shù)的恰當(dāng)運(yùn)用息息相關(guān).可以說，掌握IK技術(shù)才是三維動(dòng)畫制作的第一步驟.

第二，源ROI映射到目標(biāo)ROI.

映射過程是交互式三維制作的一個(gè)核心，也是基于樣例生成三維動(dòng)畫的一個(gè)重要步驟.所謂映射其實(shí)就是指從源ROI映射到目標(biāo)ROI的過程.一般情況下，基于樣例的三維制作，會(huì)先找到合適的源ROI,并且生成數(shù)據(jù)，存在相關(guān)軟件或者動(dòng)畫制作設(shè)備中，然后進(jìn)一步設(shè)定目標(biāo)ROI，并且生成目標(biāo)ROI.在生成源ROI和目標(biāo)ROI后，接下來的工作，就是把源ROI映射到目標(biāo)ROI的過程.而這個(gè)映射過程的指導(dǎo)思想其實(shí)是，把圖紙作為一個(gè)介質(zhì)，也是作為一個(gè)參考模型，所有的源ROI要映射到目標(biāo)ROI過程時(shí)，要依賴于圖紙上這個(gè)中介來實(shí)現(xiàn).實(shí)現(xiàn)過程其實(shí)就是，讓所有源ROI上的網(wǎng)格頂點(diǎn)實(shí)現(xiàn)變換，而變換要依賴于源草圖的變換，這時(shí)候圖紙中介的作用就發(fā)揮出來了.然后，在進(jìn)行下一步步驟之前，還要預(yù)先對(duì)源ROI和目標(biāo)ROI的方向進(jìn)行必要的調(diào)整.否則源ROI變換的結(jié)果要傳輸?shù)侥繕?biāo)ROI時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤或者問題.在對(duì)源ROI和目標(biāo)ROI的方向進(jìn)行一番調(diào)整之后，就可以開始進(jìn)行下一個(gè)步驟.上述源ROI和目標(biāo)ROI的方向調(diào)整比如，例如圖6中，馬首的方向應(yīng)該與駱駝?lì)^的方向一致.圖6簡(jiǎn)易地表現(xiàn)了通過草圖把馬腿映射到駱駝腿上面的實(shí)現(xiàn)過程.而源草圖和目標(biāo)草圖在圖6的Source和Target上分別都用折線來表示.V代表源ROI上的網(wǎng)格頂點(diǎn),相對(duì)應(yīng)地在草圖上用點(diǎn)Vp,Vp來表示，并且利用函數(shù)f的作用映射到目標(biāo)圖紙上.即V-p的過程,映射的函數(shù)式表示為：f(Vp)→Vp.同樣地，源ROI的網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)值V也采用類似的函數(shù)f來表示,其結(jié)果為V-,如圖6所示.接下來是探究函數(shù)f的實(shí)現(xiàn)方法，可以通過4步來完成源草圖的映射函數(shù)計(jì)算.第一，通過平移手段，使得源草圖的起點(diǎn)Os與目標(biāo)草圖的起始點(diǎn)Ot保持重疊，并且重疊點(diǎn)記作O,如圖7(a)所示.平移矢量即Ot-Os.第二，對(duì)源草圖進(jìn)行縮放操作，使|OE2|=|OE1|,如圖7(b)所示.第三，對(duì)源草圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作,讓源草圖的終點(diǎn)E2與目標(biāo)草圖的終點(diǎn)E1重疊，并重疊于點(diǎn)E(如圖7(c)所示).旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸位于點(diǎn)O上且垂直于平面OE1，E2,如圖7(b)箭頭所示.旋轉(zhuǎn)的角度A=∠E2OE1。第四，微調(diào)源草圖.對(duì)草圖上的任一點(diǎn),如圖8(a)的Vs,并且用標(biāo)準(zhǔn)化的弧長(zhǎng)l來表示:首先從起始點(diǎn)沿著草圖計(jì)算到此點(diǎn)的長(zhǎng)度,然后除以草圖的總長(zhǎng)度獲取標(biāo)準(zhǔn)化的弧長(zhǎng),控制取值范圍在0到1內(nèi).每個(gè)草圖上的點(diǎn)V都可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的參數(shù)l(V).對(duì)源草圖上的點(diǎn)Vs,其參數(shù)是ls,在目標(biāo)草圖上找到參數(shù)等于ls的點(diǎn)Vt,如圖8(b)所示,它的參數(shù)也是ls,然后平移Vs到Vt.對(duì)關(guān)聯(lián)到Vs的源ROI頂點(diǎn)用同樣方式處理，圖8(c)中框架線是映射后的源ROI,另一個(gè)就是目標(biāo)ROI.

圖6

圖7

圖8

第三，交互式三維動(dòng)畫的可視化模型.

交互式三維動(dòng)畫的可視化模型是直接提供給用戶直接的視覺體驗(yàn)的方式，可視化模型有利于幫助用戶與設(shè)計(jì)作品產(chǎn)生空間數(shù)據(jù)之間的連接，進(jìn)而產(chǎn)生一系列的理解和優(yōu)化.可視化模型在交互式三維動(dòng)畫中是重要的，首先體現(xiàn)在，可視化模型不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)或者對(duì)模型信息的輸出，還能夠?qū)崿F(xiàn)與用戶的交互.一般來說，對(duì)于大部分用戶來說，更加注重在信息交互這個(gè)方面.因此，可視化模型要能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)的修改設(shè)計(jì)環(huán)境.GIS這種模式下的可視化模型能夠很好地實(shí)現(xiàn)這個(gè)既輸出信息又實(shí)現(xiàn)交互，方便操作的功能.因此，GIS中的三維動(dòng)畫，被廣泛地運(yùn)用于三維動(dòng)畫制作技術(shù).它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)譬如制造仿真環(huán)境，洪水淹沒，火災(zāi)形成等復(fù)雜的三維動(dòng)畫模型，而且它還能夠在模型的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)或者相關(guān)信息進(jìn)行分析和記錄.以下圖為交互式三維動(dòng)畫的可視化結(jié)構(gòu).

第四，模型數(shù)據(jù)的控制.

交互式三維動(dòng)畫制作生成過程中，對(duì)數(shù)據(jù)的把握是至關(guān)重要的，三維空間的數(shù)據(jù)，網(wǎng)格頂點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，以及一些數(shù)據(jù)計(jì)算過程中的精確度，還有一些控制點(diǎn)的數(shù)量控制，都會(huì)直接影響到三維動(dòng)畫模型的最終形成，比如，控制點(diǎn)的把握上，最好控制在2～5個(gè)為最佳，太少的會(huì)不能夠完成模型的制作，太多的話又會(huì)影響數(shù)據(jù)的計(jì)算和測(cè)量，還會(huì)加大工作難度.一般來說，2～5個(gè)控制點(diǎn)就可以滿足交互式三維動(dòng)畫的操作，控制點(diǎn)的選擇和數(shù)量控制對(duì)三維動(dòng)畫操作有很大的影響.另外，控制點(diǎn)的選擇應(yīng)該要保持一定的距離性，而且要盡量滿足相對(duì)分散的條件，越分散，控制點(diǎn)之間的影響越小，而且控制點(diǎn)越分散，采集的數(shù)據(jù)才不會(huì)過于集中，影響到數(shù)據(jù)采集的精確和代表性.最后，還要注意，每個(gè)控制點(diǎn)的操作方式應(yīng)該滿足不同的操作方式，最好是滿足不同控制點(diǎn)的操作方式具有獨(dú)立性，操作方式不同將會(huì)影響到三維模型制作中的一個(gè)操作，比如目標(biāo)網(wǎng)格的移動(dòng)和目標(biāo)ROI的變形的狀況也會(huì)受到影響.所以說，交互式三維動(dòng)畫制作要把握好對(duì)數(shù)據(jù)的控制力度，數(shù)值的準(zhǔn)確度在三維模型制作中是至關(guān)重要的，有效的數(shù)據(jù)控制和操作控制才能夠確保三維模型按照理論設(shè)定方向發(fā)展，才能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)定的模型目標(biāo).數(shù)據(jù)約束在交互式三維動(dòng)畫模型制作生成中的重要意義決定了，在實(shí)際的教學(xué)或者實(shí)驗(yàn)操作過程中，應(yīng)該要保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，和細(xì)心，專注的精神，來完成實(shí)踐操作.

總的來說，交互式三維動(dòng)畫的制作生成要抓住幾個(gè)教學(xué)重點(diǎn)，比如上面提到的可視化模型的問題，以及源ROI到目標(biāo)ROI的映射.另外，動(dòng)畫的設(shè)計(jì)效果受到很多因素的影響，但是，教學(xué)應(yīng)該以主要影響因素為主，并且強(qiáng)調(diào)它的重要性.對(duì)于三維動(dòng)畫制作，可以用來制作的開發(fā)軟件很多，在眾多的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件中，應(yīng)該正確地選擇一款功能全面，并且能夠?qū)崿F(xiàn)與用戶進(jìn)行信息交互的軟件，比如上面說到的采用GIS軟件，它就是針對(duì)三維空間和信息數(shù)據(jù)為重點(diǎn)，而且是以數(shù)據(jù)為基本的，采用GIS技術(shù)可以彌補(bǔ)很多二維或者三維模型中存在的不能實(shí)現(xiàn)信息交互的缺點(diǎn).另外，IK技術(shù)在交互式三維動(dòng)畫制作中，是一個(gè)重要的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)也是三維動(dòng)畫制作的基礎(chǔ)，只有牢牢掌握這項(xiàng)技術(shù)，才能夠熟練地完成相關(guān)三維動(dòng)畫的制作.

〔1〕王靜秋,王國(guó)忠.基于Java 3D的交互式三維動(dòng)畫的研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011(09).

〔2〕樊宇.三維動(dòng)畫制作中關(guān)于角色裝配技術(shù)與角色動(dòng)作規(guī)劃探討[J].科技資訊，2011(31).

〔3〕勞秀霞,柯略.基于3Dmax的三維動(dòng)畫角色建模探析[J].科技傳播，2011(04).