Maya角色動畫教學中IK—FK無縫切換技術的教學法探究

吳少軍

摘要：三維角色動作調節是影視動畫、游戲動畫和新媒體動畫制作的核心內容，三維角色采用的骨骼裝配和控制技術決定了角色動作調節的難易程度和動作質量，從而影響影視及游戲作品的質量。在Maya角色動畫教學中，IK-FK控制技術是最常用的骨骼裝配和控制技術。對于高職動漫專業學生而言，掌握Ik-FK技術有一定困難。本文將結合筆者的教學實踐，探究針對高職學生特點，采用科學的教學設計，使學生掌握這一技術難題的教學方法。

關鍵詞：Maya角色動畫教學；IK-FK無縫切換技術；教學

由于計算機軟件技術與硬件技術的迅猛發展，在CG領域與動畫制作技術中，三維動畫技術應用范圍越來越廣泛。三維動畫技術由于生產成本更低，工作效率更高，藝術表現力更強，因此在動畫制作技術中逐漸占據主導地位，而二維動畫制作技術則在一些有特殊風格要求的動畫領域中繼續堅守。在很多優秀的三維動畫作品中，動畫角色的動作真實自然，準確流暢，除了動畫師具有較高藝術素養，對動畫運動規律掌握較好，能夠熟練運用之外，還與三維軟件技術的發展與工具的熟悉程度有關。

現在高校動畫專業中一般采用Maya作為動畫制作的主要工作軟件進行教學，這與業界主要采用Maya作為工作軟件是一致的。Maya在處理動畫角色的運動控制時，一般都會采用IK-FK進行切換的技術，但學生在使用IK與FK技術時，經常出現角色動作跳動、不平順的情況。本文將主要對IK與FK技術進行介紹，講解IK與FK切換的方法，IK與FK在進行切換時會出現角色動作跳動的原因、技術解決方法，以及筆者本人在教學實踐中如何通過教學設計減少學生IK-FK控制錯誤。

1.IK-FK的定義

IK是Inverse Kinematics的縮寫，稱為反向動力學，而FK是ForwardKinematics的縮寫，稱為前向動力學?，F實世界中的人或動物的骨骼是只能旋轉而不能移動的，也就是說我們做任何一個動作，都是由一根或多根骨骼共同旋轉完成的。例如，我們打一拳出去，我們直覺以為是拳頭或者手腕移動到某個位置完成動作，實則是由我們的前臂和上臂的骨骼共同旋轉完成的。在Maya中，這種由骨骼旋轉完成的動作的控制方法稱為FK，前向動力學。但是由于前向動力學控制不符合我們的直覺，另外在三維軟件中用前向動力學控制角色運動有時操作較復雜，所以科學家開發了IK，反向動力學，反向動力學控制虛擬角色時可以直接移動角色的骨骼，如手腕，實現打出一拳這樣的動作，它的實質還是由旋轉前臂與上臂骨骼完成的，只是在虛擬角色的操作上可以移動手腕直接實現動作。簡言之，前向動力學FK是通過旋轉完成虛擬角色動作，反向動力學IK是通過移動IK控制器完成虛擬角色動作。

正向動力學與反向動力學技術在動畫制作中都會使用到，不同的情況下各有其優缺點與便捷之處。綁定師在骨骼綁定設置時，應讓其能夠自如地切換，方便動畫師進行動作調節。但是一般的正反向動力學切換時，由于兩套控制器之間無法直接聯系影響，故在正反向動力學切換時，會發生骨骼位置變化，出現角色動作跳動的問題，增加角色動作控制的難度。

2.Maya骨骼綁定時采用的IK與FK控制技術

（1）在IK手柄里通過IKblend屬性進行控制，當IKblend為1時，采用IK即前向動力學控制，當IKblend為O時，采用FK即反向動力學控制。這種控制方法簡單，但是當IK與FK切換時，會產生明顯的角色骨髂移動現象，出現切換前后動作不匹配的情況。

（2）在動畫菜單里使用“設置IK/FK關鍵幀”命令的方式來進行控制，進行這種切換時，骨髂是不會進行移動的，因為這個命令的原理是給IK與FK同時記錄關鍵幀，所以可以平順切換這兩種方式。但這種控制技術操作不方便，因為動畫師在進行動作調整時是采用快捷鍵S的，這種操作需要到菜單里執行命令，顯得繁瑣，另外在動作修改時也會出現很多問題。

（3）采用Mel控制，Mel是指內嵌于Maya內部的一種命令和腳本語言。Maya的整個界面都是用Mel編寫的，Maya中所有的命令都是通過Mel來進行調用的。用Mel來控制IK與FK，主要是通過一些已經編寫好的Mel作為插件來對IK與FK進行切換。

（4）采用多套骨髂來進行控制，業界經常采用一種三套骨骼來進行IK與FK切換的方法。具體是一套進行IK綁定，一套采用FK控制，另一套用于進行蒙皮。這種控制方式可以實現IK與FK的平滑過渡。但其主要問題是需要建立三套骨骼，綁定與蒙皮及權重繪制工作量會增大。

3.教學實踐中解決IK與FK平滑切換技術難題的教學設計與教學方法

在三維動畫的學習過程中，由于綁定技術較為復雜，IK與FK的概念與平滑切換技術高職動漫專業學生接受起來較為吃力。解決問題的方案可以采用綁定插件，但插件一般不能夠完全滿足動畫師的要求，學生學習插件只會讓其死記硬背軟件的使用，而不能夠提升其能力。如果用手動綁定IK-FK的平滑切換系統，工作量較大、復雜且難以掌握。對于IK-FK平滑切換技術，筆者是在動漫多媒體機房采用教學做合一的項目教學法，由于技術復雜，因此我并不糾纏于概念與理論的過多闡述。對于FK，我僅向學生解釋，利用骨髂旋轉完成動作稱為前向動力學FK，并進行一分鐘左右的實例演示說明。對于IK，我解釋這是一種算法和控制技術，可以利用IK手柄的移動帶動骨骼旋轉完成動作，并進行實例演示。IK與FK的概念講解不超過5分鐘。我認為在高職教學過程中，教師應具有將較復雜的理論知識和概念用簡單語言形象講述的能力，并盡可能用操作實例使學生固化已有知識。

在教學設計上，Maya中角色骨骼裝配這一教學模塊需要至少8個課時，我把IK與FK平滑切換技術的講解置于整個骨骼裝配教學過程中，而并不單獨設置課時講解這一技術。IK與FK的切換如上所述至少有4種方式，這4種方式均有其優缺點。我根據學生的情況，決定采用第三種方式，利用Mel進行控制。因為第一、第二種方式的缺點難以避免，第四種方式采用多套骨骼綁定工作量太大。采用Mel進行控制，主要缺點則是動漫專業的學生沒有學過編程，對采用Mel進行控制可能會感到困難。我認為高職教學過程中，對一些工具的使用，學生知道如何使用就足夠，并不需要把工具制作出來。教學過程中我會把Mel這一段編程語言列出來，并講解其原理，讓有興趣學習Mel的學生自己去研究。當然其他的控制方法我都采用一兩句話提到，擴展學生的知識面。在教學過程中，我把所有的技術講解都錄制成視頻，讓學生在骨髂裝配教學過程中掌握較難的IK-FK平滑切換技術，并能夠反復觀看視頻學習掌握。

本文雖然探究的是一個高職教學實踐中的小案例，但我覺得在教學方法和教學設計中體現了一些高職教育思想，值得總結。一是高職教師在教學過程中不應該過多探究理論與概念的來由，但要簡單形象地讓學生掌握理論與概念的本質。二是教授技術使用的過程中，不要面面俱到，要有所選擇與側重。三是需要提供足夠的教學資源，讓有余力的學生能夠深入學習。