龍虬新石器時代稻作三維動畫系統研發

張延發 吳越超 周婧 袁敏敏 高輝

（揚州大學江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點/糧食作物現代產業技術協同創新中心，江蘇揚州225009；第一作者：313985492＠qq.com；*通訊作者：gaohui＠yzu.edu.cn）

龍虬莊遺址入選“1993年中國十大考古新發現”之一。在其不同文化層中出土的炭化粳稻遺存是人工優化甄選水稻品種的實物史料，將我國江淮地區的人工選種提早到新石器時期，對研究江淮地區史前稻作農業文化的起源、社會經濟生活和江淮地區的遠古生境以及我國稻作發展史都具有極其深遠的意義。龍虬部落先民們從發現原始野生稻，到歷經1 500年之久的粳稻漸進馴化演進與人工栽培，再到稻作文明向外域傳播，均閃耀著江淮流域史前農業文明之光[1-5]。

早已建成的江蘇省高郵市龍虬文物陳列館均以靜態方式離散展示史前文物，不僅缺少鮮明的生動性、交互性與沉浸感，而且缺乏整體感，缺失想像性，缺少說服力，科普效用不足。史前農業的發展由于缺少系統的文字記載傳承，因而長期依靠考古實證加以邏輯推斷，往往多元化呈現出著作、匯編、論文、畫作、模型、雕塑等成果，而缺少三維動畫模擬。Maya軟件提供了完美的3D建模、動畫、特效和高效的渲染功能。因而可以借助Maya動畫制作軟件的強大功能，針對史前農業地理、文化等領域在內的潛在需求，進行三維動畫系統開發，有助于生動還原史前農業原貌，再現遠古稻作文明[6-8]。

為此，基于Maya三維動畫開發平臺研發龍虬新石器時代稻作三維動畫系統，有助于生動再現史前稻作文明，起到豐富稻作考證、拓展研究領域、發掘農業文化、助推科學普及等作用。

1 系統結構與特點

該系統包含龍虬莊地理位置、地形地貌、氣候條件、土地土壤、稻田布局、河流水系、水稻作物、稻田生物、骨角器、石器、農用陶器、先民形象、房舍、生活設施等諸多要素，因而可清晰展現與動態展示龍虬稻作文化與遠古農業文明演進歷程中的場景。系統應具有三維可視化、動態性、沉浸感、生動性與想像性等特點，且易于使用、易于理解、易于轉換，有利于增強龍虬遠古稻作文明感染力，豐富龍虬史前農業文化研究。

2 系統功能實現與應用

2.1 動畫片頭

以先民生活場景的巨型油畫為背景，運用Photoshop、Adobe After Effect等軟件，動態引入了三維動畫系統名稱，點明該系統的內容（圖1）。同時使用Maya 2014軟件，通過選擇合適的攝像機角度，將圖片沿著Scale X（X位移）進行拖動，并設置Key幀，之后用Mental ray渲染器進行批量渲染（圖2）。

2.2 動畫主體

2.2.1 龍虬地理環境三維動畫構建

2.2.1.1 天空飛鳥三維展示 飛鳥的制作流程為：首先在紙上繪制鳥的草圖；接著采用Maya軟件中Polygon模塊建模，構建出1個多邊形球體，調整球體大小和角度，使其與草圖基本吻合，再利用Polygon Edges命令擠壓出鳥腿、翅膀和羽毛等；緊接著在模型中添加適量的曲線，選擇CV模式，通過拖拽、旋轉和縮放CV點獲得飛鳥精細模型；最后，經Lambert材質球中Color屬性賦予飛鳥以合適的貼圖即可（圖3）。天空中云朵的制作方式與飛鳥相似，不同的是云朵需通過Lambert材質球賦予Env Sky材質。

圖1 系統名稱的引入

圖2 先民生活場景

圖3 天空飛鳥

圖4 龍虬地形地貌和生物活動

2.2.1.2 地形地貌和生物活動三維展示 關于丘陵建模，首先在Maya中創建一個新Scene，用Polygon模塊工具創建多邊形平面；接著在Polygon Plane Options屬性編輯器中調節參數，并通過Hypershader（濾光器）在utilities下創建Height Field；緊接著，打開屬性編輯器為Height Field置換紋理創建noise紋理節點，并將節點調節至合適的地形；最后，創建新的Lambert材質球，用鼠標中鍵拖動noise材質至displacementmap上，經Mentalray渲染器進行渲染即可。河流、湖泊在建模完成后，為模型創造一個粒子重力場，通過Particles中CreateEmitter（粒子發射器）進行參數調節，將河流、湖泊呈現出流動之效（圖4）。

2.2.2 居民生活場景三維動畫構建

三維動畫系統中生活場景的展示堅持以人為本，其中人物模型的構建是重中之重。首先繪制出三維動畫系統腳本設定的人物草圖，并掃描形成圖片模式，將圖片放到Maya軟件Front視圖里對齊中線，應用Polygon模塊下Create Polygon tool勾出一半的人物形狀，用Instance方法復制拼合成一個人形；接著在勾出的平面多邊形上，按角色的結構安排分割線，并通過Polygon模塊下Extrude命令擠壓出人形；緊接著，通過Lambert材質球賦予材質貼圖并通過Skeleton模塊下Joint tool為特定人物創建骨骼節點。最后，對模型進行骨骼綁定、動作模擬與參數調節，通過Mental Ray渲染器進行渲染，便可將先民的行為活動活靈活現地加以生動展示（圖 5、圖 6）。

2.2.3 龍虬稻作文明三維動畫構建

考古學家在龍虬莊遺址發現了距今7 000至5 500年前的4 000多粒碳化粳稻，這種稻谷不同于韓井遺址和河姆渡遺址等發現的水稻種，表明了龍虬新石器時代的稻作文化具有獨特性與較高的研究價值。圖7、圖8為構建的粳稻植株模型與龍虬先民撒播粳稻的場景。

2.3 動畫片尾

采用 Maya 2014中 Polygon、Surface等工具對田地、水面進行平面粗模，并通過這些模塊下的Extrude命令擠壓與Height Field屬性中noise節點參數調節，構造出3D模型，分別經Lambert材質球賦予模型Lambert和Ocean shader材質，再通過IK handle tool調節人物動作以及其他參數，實現龍虬先民選種留種場景的展示（圖 9）。

圖5 打漁場景

圖6 狩獵場景

圖7 粳稻植株模型

圖8 龍虬先民撒播粳稻

圖9 龍虬先民選種留種

圖10 先民觀察水稻

最終片尾先使用Maya 2014進行Camera的Translate和Rotate進行Key幀設置，由近及遠展示；背景為龍虬先民站立于稻田中觀察篩選水稻的三維虛擬展示，將背景導入至AE中，設置Key幀，其Start frame（開始幀）和End frame（結束幀）分別為1和96，渲染后制作成動畫，同時通過改變透明度等相關參數將背景淡淡消去（圖10）。

3 結論與討論

3.1 結論

本研究運用三維動畫系統開發原理與方法，基于Maya 2014、Zbrush、Adobe After Effects、Photoshop、Adobe audition、格式工廠、Corel VideoStudio Pro X6等軟件平臺，研發了龍虬新石器時代稻作三維動畫系統。該系統普適性高，可在電腦平板、數字電視、智能手機等媒體上即點即用、即時播放。系統功能性強，生動還原與靈動展現了龍虬稻作文化發展與遠古農業文明演進歷程，且起到拓展研究領域、發展農業文化、深化科學普及等作用。系統沉浸感強，從時間維度，以三維動畫、特效、高效渲染、配音等方式，生動勾畫再現龍虬先民發現原始野生稻，到歷經1 500年之久的粳稻漸進馴化與人工栽培，再到稻作文明漸進形成的歷程。

3.2 討論

系統模型庫龐大，包含諸多要素，如龍虬莊地理位置、地形地貌、氣候條件、農田土壤、河流水系、水稻作物、稻田生物、骨角器、石器、農用陶器、先民人物形象、房舍、生活設施等。因而，該系統數據量龐大，開發周期較長，對計算機軟件和硬件要求極高，使得該系統的生物、天氣、地理環境等多樣性顯得不足，且模擬仿真度不夠，在生動性與鮮活感方面有所欠缺。

模型細節設計方面存在不足。就人物模型而言，由于缺少考證等因素，人物五官、表情、簡易衣著等做得不夠精細，且人物動作略顯僵硬。就地理環境而言，山、河流、湖泊較多，建模過程中缺少對這些模型細節上的描述反饋。就粳稻要素而言，材質貼圖真實感缺乏，燈光渲染、陰影追蹤等未能完美展現。

場景還原的真實性尚待完善。新石器時代距今年代久遠，生態環境發生了日新月異的變化，系統是通過在龍虬莊遺址考察和文獻史料研讀的基礎上加以豐富想象而進行場景模擬展示的，亟待進一步加以深入研究優化。