新媒體時代動漫創意融進高職教育的本土化策略

沈萌耀

導讀：三維動畫技術已廣泛地在教育、文化、經濟等領域運用，為現代創意社會提供了極為重要的視覺傳播媒介。通過對個性化動作的制作方法和個性化動作設置中模型、骨骼和蒙皮的處理方法兩大塊內容的理論研究，通過圖例直觀介紹角色個性化動作設置方法的實現，在項目實際操作中運用理論研究完善動畫作品，有助于總結一套提高三維角色動畫個性化設定質量及效率的本土化方法策略，并借以有效提高高職教育虛擬模型動畫的制作效率，減少工程時間和返工次數。

隨著數字媒體技術的發展，三維動畫技術的研究和應用已深入到了社會發展的每一個角落，它對世界的改變不但表現于物質層面，同時也在精神層面產生了深刻的影響，如三維動畫帶來的數據信息內容傳遞方式的變化，商業運作形式的變化以及人們對影視、游戲、動畫需求的更多關注，“慕課”在線授課平臺的研究與開發，等等。毫無疑問，三維動畫技術已廣泛地在教育、文化、經濟等領域運用，為現代創意社會提供了極為重要的視覺傳播媒介。特別是高職教育領域，三維動畫技術已成為虛擬教學場景的課件開發資源，成為破解專業問題與難點的動態數字資源。因此，適應數字化時代的三維角色動畫是傳統動畫與數字媒體技術結合應用的新媒體藝術形式，其制作方式屬于動畫設計但又不完全等同于傳統動畫制作概念，它所涉及的工種更多，工序更復雜，而三維角色個性化動作又是吸引人的一大特點。

一、三維動畫基本理論研究

（一）三維動畫制作的基本流程

三維動畫的制作是一個系統性工程。涉及到多個工種、多工種間的配合程度，對于動畫制作來說是非常重要的，各環節的制作手段決定了動畫制作效率。一般情況下整個三維動畫的制作可分為前期籌劃、中期制作、后期特效制作三大部分。其中前期主要分為腳本、設計、分鏡頭腳本等環節；中期制作包括模型及貼圖，材質燈光及渲染、骨骼、表情設定和關鍵幀動畫等環節；后期則主要為渲染、剪輯、特效、配音、音樂、音效等。

工作流程的復雜、合理程度管控制作效率、返工次數，因此優化流程中銜接的的部分可對目前狀況進行有效的改善，使得動畫制作更高效。

（二）關鍵幀動畫

關鍵幀的概念來源于傳統的卡通片制作。在早期迪斯尼的制作室，動畫師設計卡通片中的關鍵畫面，也即所謂的關鍵幀，然后在關鍵幀之間設計中間幀。[1]在三維動畫中，中間幀的生成由計算機來完成，插值代替了設計中間幀的制作。所有影響畫面圖像的參數都可成為關鍵幀的參數，如位置、旋轉角、紋理的參數等。關鍵幀技術是計算機動畫中最基本并且運用最廣泛的方法。

關鍵幀中包含了角色的運動信息，如圖1所示，將角色所有骨骼在同一時間點上的關鍵幀信息組成起來便是一個關鍵姿勢。兩個關鍵幀之間的過度便是動畫，所以關鍵幀質量的好壞會影響動畫的質量。關鍵幀另一個重要性主要體現在把握角色關鍵動作出現的時間上，兩個關鍵幀之間的時間差便是節奏，簡單地說就是在時間軸上確定關鍵幀的位置。如果能快速地定位關鍵幀在時間軸上的位置也就可以調高動作制作的效率，省去過度的測試及修改。關鍵幀的質量及定位有助于減少關鍵幀動畫制作時的返工次數。

（三）三維模型動畫的分類和原理

三維模型動畫的基本原理是讓模型中各頂點的位置隨時間變化而移動。主要種類有頂點動畫、關節動畫和骨骼蒙皮動畫。從動畫數據的角度來說，三者一般都采用關鍵幀技術，即只給出關鍵幀的數據，其他幀的數據通過使用插值得到。由于這三種技術的不同，關鍵幀的數據是不一樣的。

1.頂點動畫

頂點動畫是直接指定動畫每一幀的頂點位置的變化，其動畫關鍵幀中存儲的是模型中所有頂點在關鍵幀對應時刻的位置。[2]通過對模型頂點的位移來造成模型的形狀變化，再將變成的新模型中所有頂點在空間坐標上的位置記錄在關鍵幀中。如圖2所示，在給A模型在第0幀的位置設置關鍵幀時，關鍵幀記錄了A模型的頂點位置。將時間軸放置在第25幀并且通過移動模型頂點來改變模型形狀得出B模型，并且將其頂點的位置信息設置在關鍵幀中。中間2至4幀模型頂點的位移信息由計算機自動生成，這樣頂點動畫就完成了。在實際的動畫制作中，人們主要使用頂點動畫來制作角色的表情變化。

2.關節動畫

關節動畫的模型不是一個整體的模型，而是分成多個模型，通過一個父子層次結構將這些分散的模型組織在一起，父級模型帶動其子級模型的運動，各模型中的頂點坐標定義在自己的坐標系中，這樣各個模型是作為一個整體參與運動的。動畫幀中設置各子級模型相對于其父級模型的變換，通過子到父，一級級的變換累加得到該模型在整個動畫模型所在的坐標空間中的變換，從而確定每個模型在時間坐標系中的位置和方向。關節動畫的問題是，各部分模型中的頂點是固定在其模型坐標系中的，是不會發生位移的，這樣在兩個模型結合處就會產生裂縫，[3]影響動畫效果，需要反復優化，以獲得交互控制的運動畫面。

3.骨骼蒙皮動畫

骨骼蒙皮動畫是具有骨架結構的動畫模擬。[4]一般來說就是將模型綁定在骨架上使之相應部位隨骨骼的運動而運動。

骨骼蒙皮動畫包含兩部分信息：一是層次化骨架，如圖3所示；二是蒙在骨架上的皮膚即三維軟件中的模型，如圖3所示。用骨骼承載運動，用皮膚模型表達角色，再利用骨骼控制模型變形就達到了角色動畫模擬的目的。這樣做成的動畫就是骨骼蒙皮動畫。

骨骼蒙皮動畫和頂點動畫相比，優點是內存消耗小，具備交互性，并且控制層次高，便于修改動畫數據。

二、三維角色個性化動作設置的方法設計

（一）角色模型分區理論

角色的模型分區，更多的是為將來蒙皮和骨骼匹配做前期準備。角色模型的分區處理，其實就是將模型劃分出大致的兩大區域——活動區和非活動區，這都是在制作三維角色模型前需要考慮的因素。活動區與非活動區是交替存在的，即活動區的上下左右區域是非活動區，反之也是一樣，不存在活動區接活動區，只存在區域的大小問題。而區域的大小問題就是可以區別動畫風格的關鍵因素。

在角色建模中角色分為兩種：一種為人形角色，另一種則是非人形角色。不管是哪一種角色類型的模型，在建模時候都必須考慮到模型的區域劃分，如圖4所示。

模型的分區處理會直接影響骨骼模型的匹配。對于骨骼系統的安置來說，模型沒有明確的區域劃分會造成麻煩。這樣的話，關節的位置及各個骨骼的長短都無法確定，從而導致工作量的增加甚至骨骼系統的安置失敗，進而影響蒙皮的質量。

（二）分區理論中模型結構布線

骨骼模型動畫的基本原理可概括為：將模型的頂點約束（蒙皮）在其規定骨骼范圍上。然后在骨骼控制下，通過頂點混合動態計算蒙皮網格的頂點，并靠頂點的移動驅使模型發生變化。[5]頂點是模型結構線的組成部分，骨骼的匹配及蒙皮又需要模型的分區處理，而模型的結構線決定著模型的分區處理，所以，在制作模型時，不僅需要考慮形體上的布線，也需要將模型分區理論灌輸其中，在兩者中尋求一個平衡。

如圖5所示，模型的活動區中需要布置更多的結構線，這樣在制作動畫的時候就能有足夠的線來做運動，有利于保持模型結構不變形。結構線越多變形越圓滑，反之模型便會發生變形。在處理非人形角色的模型布線結構時，運用的原理其實是一致的。模型師必須根據角色設定的要求，在不影響模型形體準確度的情況下，在其假定的關節處布上足夠的結構線。

（三）定點蒙皮法

蒙皮的概念就是將模型綁定在骨骼上，除了之前提到的幾個蒙皮對模型的處理方法外，在這里還將延伸出另一個對蒙皮工作有幫助的觀點，在文中稱之為定點蒙皮法。

現在知道，蒙皮是將模型每一部位分別綁定在各個骨骼上。這樣就會發現一個問題，那就是如何決定在模型中兩個區域交接處的頂點歸屬哪段骨骼、由哪段骨骼來控制，或者是此點各受每段骨骼多少程度的權重值。在長期的動畫制作過程中發現，如果將那些頂點在綁定前就計劃好的話，便可以大大提高工作效率。

如圖6所示，注意灰色框選區域中的頂點，這些點處于兩段骨骼的控制區之間，也就是活動區內，這里稱其為定點。這些點的分配在制作蒙皮前就應該考慮好它們分別受誰的影響，所以模型區域劃分就起到了很大的作用。在模型區域劃分的前提下，我們可以清楚地知道哪些點會同時受到兩段骨骼的共同影響。這樣，制作者只需要對這些同時受兩段或者多段骨骼控制的點進行權重分配。在制作中選中這些點，然后分別輸入每段骨骼對其控制的權重值便可。完成這些步驟后，基本就可以得出一個初步完成的蒙皮模型，不用再一遍一遍地調試查看效果，只需調整幾次做一些細小的調整，中間可以省去很大的調試比對的時間，有效提高了蒙皮工作效率，也使蒙皮工作變得相對容易。

三、角色個性化動作設置方法的實現

下文將結合動畫實例，對三維角色個性化動作設置的制作過程中相關理論研究加以驗證，并對實際制作中的操作方法進行說明。

（一）實際應用中的角色模型分區處理

之前提到過模型的分區對于角色個性化動作的表現會產生影響，所以在這里以實際動畫作品中非人型角色為例來闡述模型分區的使用情況。

在實際操作當中首先考慮模型的結構，要弄清楚角色模型各個部位的大致位置。例如頭、胸、臀等等，各部位的結合區便是關節所在位置，也就是活動區。但是對于非人形角色，這些概念就比較模糊。以動畫項目《家園》為例，在動畫角色設計過程中，便會發現對這些角色的模型分區把捏不是一件簡單的事情，因為這些角色基本上是一個蛋形的模型。在分析動畫腳本后發現，主要動畫并沒有角色太多的動作，所以沒有將身體劃分得這么細，故意做這樣的風格設定。缺點在動畫中發現角色的軀干部分基本是沒有動畫的，那是因為活動區的缺乏使得角色無法完成身體彎曲的動作，如圖7所示。

在這之后制作角色單獨表演動畫時，要求角色的動作更為柔軟，這時發現原來的角色個性化動作設置已經無法滿足動畫的實際需求。經過一段時間的思考和對原設計中故事劇情進行了一系列的分析后，決定對模型進行調整，將視其具有一些部位。在制作的時候刻意使用布線方法來將這些部位區分開來，這樣可以更多地加入骨骼段數，用以運動來達到設定的效果。這樣對于角色來說，身體有了更多的骨骼，自然運動起來就更加地自如，如圖8所示。從這個例子中，可以清楚地發現分區法運用對動畫制作的重要性。

（二）根據模型分區理論匹配骨骼系統

根據體態來決定骨架中各個骨骼的大小長短，并且根據角色模型的實際情況來配置關節數量及位置。[6]

在實際制作當中，動畫制作者根據模型的分區來布置關節的位置和骨骼的長短，然后再使骨骼的橫截面和模型本身匹配。比如鴿子的身體，雖然鴿子身體看上去只有一整塊，但是如果只給它一塊骨骼的話，想必對后面的關鍵幀動畫制作是非常困難的。鴿子的很多動作將被限制住，這樣不利于表現角色個性。所以這時的模型分區要能為骨骼系統的制作提供參考。分區時先考慮角色在劇中的動作設計，結合動畫劇本可以將鴿子的軀干區分為三部分，分別是頭、胸、臀，并且制作模型時預留了幾根結構線。但是由于動畫設定時鴿子的運動屬性是相對柔軟的，所以在布線上可以盡量地均勻，如圖9所示。

在分區完成后，接下來便是決定關節的位置和骨骼的長度。如圖9所示，眼睛部分的骨骼為鴿子的頭骨，頭骨下的骨骼就是被劃分出來的胸部。向下類推，中間鼻子部分為兩塊骨骼的緩沖區。根據模型分區來制作骨骼匹配不僅可以使骨骼精確定位，還可以提高定位效率。

四、角色個性化動作設置方法的實現

（一）情感設計對于關鍵幀制作的效率分析

動畫制作者在制作角色動畫時，往往需要將自己置入角色，從角色的角度審視事物，需要根據其個人的理解來解讀腳本，思考角色的心情動作等等，這勢必會造成很多人為的偏差、誤解和不可控因素，從而影響最后的動畫作品。

通過對實際制作過程的優化，將動畫制作者對角色情感的分析解讀和設計上從個人思想轉為集體思想，將角色的情感設計在制作動畫前以要求的形式指示給動畫制作者，省去了個人分析情節的環節，不僅節約了動畫制作者制作動畫的實際時間，還可以將因為個人理解的失誤導致動作偏差的返工率降至最低，如圖10所示。

雖然情感設計也會有返工，需要重新設計，但是這一環節是在關鍵幀動畫制作前。此時重新設計角色情感，無論從時間、精力及用工成本上，都要比因為動作表達偏差造成的關鍵幀動畫返工好，如圖11所示。

（二）模型分區對骨骼匹配度的影響

模型分區理論在作品中是首次被應用的，解決了動畫制作者在對模型進行考量中的不確定因素，使得動畫制作者可以更專注地在技術層面上發揮其優勢。

如圖12中顯示，模型A是未分區的模型，其布線上看不出有區域的變化，模型B為分區模型，在布線上進行了調整。在模型A的情況下，一切都需要動畫制作者自己去把握骨骼安置的位置，這樣就有可能會使骨骼在安置上發生偏差，從而直接影響角色個性化動作的制作。

現在引入模型分區理論后，骨骼匹配的準確度可以由模型分區來為其設定標準。有了質量上的標準，制作上的方向便更加明確。在模型分區完成后，骨骼系統的匹配變得相對容易許多。在骨骼系統的匹配過程中，不必再去測試骨骼的長度及關節的位置，只需根據區域來進行放置，使得骨骼的匹配程度更加精準，返工次數的減少為接下來的工作節省了時間，也為更好的蒙皮制作提供了可能。

（三）模型結構對角色蒙皮質量的分析

評定蒙皮質量好壞在于模型運動時其表面的變形程度，變形符合物體的結構便是好的蒙皮，反之就是壞的。在實際操作中，模型的結構線便是蒙皮的對象。

模型的分區及模型的結構直接影響了蒙皮的質量，質量如果無法保障的話，返工是必須的。在動畫制作過程中，處理好模型的結構有助于提高蒙皮質量，同時也使蒙皮返工次數有所下降，如圖13。

（四）定點蒙皮法對角色蒙皮效率的分析

常規蒙皮的基本步驟包括：確定各骨骼位置、劃定骨骼控制范圍、找出關節位置、劃定關節控制范圍、設定頂點權重、計算關節范圍的頂點權重分配、調試各關節的運動狀況后進行修改。

定點蒙皮的基礎是模型的分區。在活動區中的點便稱為定點。其實在實際的操作過程中發現，定點蒙皮法對蒙皮的質量起不了大的作用，但它對頂點權重的設置意義重大，可以快速地使操作者對于那些同時受多段骨骼牽引的頂點進行定位，使其能迅速地找到它們，并得知牽引它們的骨骼數及骨骼名及在找到后就能大致知道各段骨骼對各定點的權重值。由于定點確定剩余頂點值基本都為1，只受其相應骨骼控制，工作效率因此大大提高。定點權重值的算法已在上述中提到，這里不再累贅。由于定點的權重數值已有一個初步的概念，省去了重新計算的時間，并且減少了測試及修改的次數。

在這里以鴿子的蒙皮作前后比較，從圖15的時間對比上可以看出，定點蒙皮法優化設置頂點權重時間，提高了動畫的制作效率。在這里需說明的是，圖中的時間為計算測試及修改的總時間。

五、結 論

目前，三維角色動畫在各個領域都有廣泛的應用，市場對于三維角色動畫的需求越來越大，產品廣告、項目演示、虛擬現實、影視特效、教學模擬等無不涉及到三維角色動畫。三維角色動畫在國內有著廣闊的發展空間與前景，受到諸多行業的強烈關注。

在未來的高職教育中，三維動漫創意必將成為構建學生和教師上課時闡述重點、實踐中破解難點的優質技術資源，并使課堂變得生機勃勃，甚至可以全方位模擬企業實際工作環境。

目前在教育領域國內關于角色個性化動畫的專題研究還比較少，本文結合動畫項目案例制作，總結了一套提高三維角色動畫個性化設定質量及效率的本土化方法策略，希望能夠對高職教育或其他行業的動畫設計者有所啟發和幫助。

參考文獻：

[1]徐濟仁.3dsmax創作關鍵幀動畫技術效果[J].電腦知識與技術，2002（5）.

[2]劉賢梅，趙丹，趙婭.數據驅動人體動畫的關鍵幀技術研究綜述[J].計算機工程與設計，2011（11）.

[3]張美香，郝軼鳴.關鍵幀動畫技術綜述[J].山西廣播電視大學學報，2009（9）.

[4]謝飛.3ds Max人體骨骼與蒙皮制作高級應用技法[J].兵器工業，2009（4）.

[5]王瑤.3ds Max角色骨骼動畫高級應用技法[M].北京：兵器工業出版社，2009.

[6]高自強.3ds Max角色表情動畫技術精粹[M].北京：機械工業出版社，2011.

責任編輯：張 煒