計算機動畫技術在微課中的應用與研究

梁啟友

摘 要：該文探討微課中關于計算機動畫技術應用的幾項具體技術，為教師們如何在微課中使用計算機動畫技術提供借鑒；論述計算機動畫技術對于微課的意義，并對計算機動畫技術和微課相結合這一現象提出辯證的思考。希望該文可以幫助教師和學生更好地將多媒體和課堂結合，使課堂更加豐富有趣，調動學生的學習積極性，提高學生的學習效率。

關鍵詞：計算機動畫技術 微課 應用

中圖分類號：TP3-4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（b）-0178-02

微課以其短小精悍和教學形式活潑有趣而逐漸被大家所認可，成為一種新興的教學手段。目前動畫以其形式多樣、內容豐富、風趣幽默和極強的表現力被廣泛應用到微課的制作和研發上。計算機動畫及計算機輔助教學系統在美國、日本、加拿大和亞歐很受重視，而國內計算機動畫技術由于硬件條件的限制發展比較晚，但是近年來我國用計算機動畫技術應用愈加廣泛。文章從使用技術上給出具體的指導，剖析了動畫與微課結合的局限性，為教師很好地使用動畫這一技術提供了參考。

1 計算機動畫技術在教學中使用的主要技術

1.1 構造模型

計算機動畫的幾何造型和用于一般工業產品設計的幾何造型方法相比，其特殊的要求是計算量小，以便使成千上萬幀的動畫可以在一個合理的時間里完成。計算機動畫制作涉及建模、色彩、紋理、燈光、運動、特技效果和渲染等內容，當動畫腳本確定后，角色的幾何造型和動作軌跡是首要的基本建設。首先根據創意完成對場景及有關角色的造型設計，通過適當的數據結構表示點、線、面、體等幾何元素以及幾何元素之間的鄰接關系，綜合運用數學（主要是幾何學和計算機數學）、人機交互技術、圖形顯示技術等領域的相關技術。描述具有幾何意義的點、線、面等的坐標、長度、面積等的數據值或度量值，利用對象形體的棱邊和頂點來表示幾何形狀的模型。曲面、曲線的表達方式，標準解析式有顯式（y=f（x），z=f（x，y））和隱式（f（x，y，z）=0），在構造曲線、曲面的時候包含控制型值點、曲面曲線的擬合、曲面曲線的逼近、曲面曲線的插值、樣條Bezier曲線等工序。計算幾何學針對線框模型、曲面模型和實體模型提供了數據擬合的多種方法，比如Coons方法、樣條函數方法和NURBS方法等。隨著樣條曲線的廣泛應用，使用Bezier曲線不僅成為CAD系統的數學基礎，而且成為發展CAGD新方法的重要工具。Bezier曲線的性質依賴于Bernstein多項式，它有許多良好的性質，Bezier曲線與控制點的相對關系在仿射變化下不變。

1.2 模擬質感

在制作好模型之后，模型需要補充材質，賦予物體幾何模型以某種材料的材質屬性，比如顏色、光澤、亮度和透明度等參數，使之呈現出某種材料所應該表現出來的顏色和質感，以此造成物體是由某種材料“做成”的感覺。首先把紋理或圖案“貼”在物體表面，物體被賦予材質之后，表面就會有逼真的材質和紋理的效果。然后在場景中放置虛擬燈光，以模擬真實世界的明暗和色彩，如Gouraud明暗處理、Phong明暗處理等產生光亮和陰影的效果，也可以是在場景中放置虛擬攝像機，這樣可以產生攝像機視圖，從而使得制作出的畫面有如同真實攝像機拍攝到的畫面。最后需要通過計算機的“渲染”來生成動態的影像文件或圖像序列，“渲染”之前的各道工序知識動畫的場景文件，即設定動畫場景中的幾何模型參數、材料屬性參數、燈光參數、攝相機參數和動畫的關鍵值等，需要計算機系統將這些設定參數代入相關的計算機圖形算法和動畫算法進行計算，才能真正生成動畫序列。最簡單的光照模型是Lambert，可用于模擬表面顏色暗淡、無光澤的材料，就像是乒乓球的材料，但是Lambert不能模擬類似金屬、陶瓷、玻璃等富有光澤的材料。二維紋理映射是一種紋理映射方法，這一技術是將一給定的紋理函數映射到幾何客體的表面上，對于此類映射已有成熟的算法，其基本思想是將在紋理空間中的二維紋理函數映射到景物空間的三維表面上，再進一步映射到圖像空間的二維圖像平面，即屏幕上，這一過程也可以簡化為兩個坐標系之間的變換，當映射函數建立好以后，即可進行紋理空間到圖像空間的映射。

1.3 模擬運動

運動設計師動畫的核心技術，動畫的最簡單變化形式是對固定構成的非固定觀測與記錄，較復雜的形式是造型與視點一起運動。運動生成的程序實現方式以軟件工程方法為基礎，用面向對象方法、模塊化等方法實現運動生成技術。運動生成技術主要分為關鍵幀方法（Keyframinganimation）、過程控制的運動生成方法、物理仿真方法和智能運動4類。在構造好模型之后，可以創造比如沿路徑的運動，在所有運動參數中位置及運動方向是最需要確定的物體的兩種運動參數。首先是從物體運動路徑的運動方向確定，有根據關鍵點形成的插值路徑，對于確定的路徑，物體運動速率的確定實際上是以弧長參數化運動路徑表示的曲線的過程，即定義物體某一時刻走過了某段弧長也就定義了物體的速率，根據力學原理，加速度位于運動路線的密切平面內，因此按照Frenet坐標架變換存在連續性的問題。在進行運動的軌跡設計時，常用到的動畫技術是關鍵幀動畫、算法動畫以及關節動畫，關鍵幀動畫生成的基本方法是通過兩個關鍵幀之間各對應的控制點進行線性插值或非線性插值而產生中間畫，不過如果是采用動畫系統制作動畫，那么只要確定動畫在兩個關鍵幀上的大小、形狀、位置及比例，系統將自動在關鍵幀之間形成動畫，關鍵幀的操作方法技術很簡單但是要求維度相同，而且彼此的拓撲結構相差不能太大，所以制作時比較麻煩，造型的前期工作量比較大。而算法動畫是通過表示某種運動規律的參數來控制動作進而產生動畫，可以制作比如風吹、水波動等自然現象的動畫，用以表示諸如重力和摩擦力的課程內容。而可以模擬人體關節運動的關節動畫也是微課動畫制作中常常用到的運動控制方式，它采用的是逆機構運動學的方法設定運動軌跡。

2 微課中動畫的優勢

2.1 模擬實景，激發學生積極性

在動漫產業日益繁榮的現代，學生很多都是在動畫文化的熏陶下長大的，因此對于動畫的興趣十分濃厚。而動畫的特點是夸張，它的鏡頭語言承自電影，幾乎實拍能表現的畫面動畫都能夠演繹，并且以Maya、3DMax動畫為主的動畫制作融入了造型、色彩、音樂等多種表現形式，生動直觀，具有極強的表現力。那么在微課中加入動畫可以很輕易地調動學生的積極性。而且用動畫技術虛擬出的人物和環境十分形象，表現力豐富，能夠刺激學生的視覺觀感，激發學生的情感體驗，充分調動學生的注意力和觀看課程的興趣，從而提高微課教學的效率。

2.2 化抽象知識，更加通俗易懂

對于一些理論性強、知識概念比較抽象，而解釋起來又比較繁雜的專業課程，可以從中找出其本質做成微課。微課的特點就是短小精悍，它的動畫也因此被賦予了節奏緊湊、內容精簡等特點，利用動畫的形象直觀地讓學生了解到復雜知識語言下所隱藏的真理，營造出生動活潑的學習氛圍，讓學生們可以投身到微課的學習中去，將無聊枯燥的課堂變成充滿樂趣和新奇的試聽旅程。所以設計精妙、指向明確的動畫制作，可以和別的多媒體結合成一個主題突出、類型多樣、結構緊湊的微課堂。

3 計算機動畫技術與微課相結合的辯證

3.1 技術是否是最重要的

對于很多教師來說，使用多媒體制作微課，進行動畫的制作，視頻的剪輯是很困難的，甚至像比如Flash、Maya等動畫制作軟件都沒有見過，那么微課的制作是不是就要在這里停止呢？其實一般的微課不需要很復雜的編輯，那些需要復雜編輯的視頻其實是因為在拍攝過程中出現了問題，或者是設計的時候沒有考慮到一些問題而導致視頻最終不夠精致才需要很復雜的編輯技術來修復它。不過當然也需要對拍好的視頻進行編輯，但是那些只是簡單的編輯就可以了，不一定非要專業的剪輯軟件。而且其實要是微課要使用一些復雜的動畫，就可以請專業團隊來制作，教師只要提供設計思路和教學素材就好了，所以技術在微課上不是最重要的。

3.2 沒有動畫的微課是不是好微課

由于每一個課程的內容是不一樣的，所以在動畫制作中所側重的技術也是不一樣的。微課有很多種表現形式，需要使用哪種形式表現其實取決于微課的內容、受眾和教學設計，而動畫只是作為其中一種方式。從媒體表現形式的原理來看，動畫用于表現肉眼無法直接觀測到的宏觀、微觀的物體或動作，比如天體的運轉，分子中原子的運動，甚至是處于封閉狀態無法觀察的工作中的發動機。在這種情況下就需要使用動畫展現，但是其他的課程內容或許只需要教師的板書和言語就能傳授。所以是否使用動畫取決于微課的內容是否在實際生活中不易展示，取決于微課的教學設計和受眾，不能生搬硬套，不然會適得其反。與此同時，可以看到動畫在微課制作中有著局限性，首先，制作動畫比較常見的Flash制作出來的是二維動畫，形象比較卡通，無法達到微課寫實、具象的效果；其次，三維動畫做出來的足夠精美卻很難操作，需要經過系統的學習才能達到。

4 結語

綜上所述，計算機動畫技術和計算機輔助教學系統都是非常綜合的領域，涉及到的技術也很多。計算機動畫技術在微課中的使用已經顯而易見，文章對于技術方面的部分具體指導進行探討，試圖通過這些探索為教師找到更好的制作微課的方法。多媒體技術是微課發展的技術基礎與手段，微課多樣化的信息形式得以實現和集成，多媒體的發展已經到了不能阻擋的境地，微課和計算機動畫技術的融合可能代表著一個新的朝氣蓬勃的信息時代的到來。

參考文獻

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