交互式三維動畫的制作生成教學研究

符俊霞

（周口師范學院 美術系，河南 周口 466001）

首先，對于交互式三維動畫的認識和理解不能僅僅局限于過去的草圖設計模型，交互式三維動畫制作不僅有基于草圖的三維動畫制作，還有其他一些比較新型的技術，比如基于樣例的三維動畫制作.交互式三維動畫制作，可以滿足在設定的動畫風格的基礎上，融入一些新的元素或者創(chuàng)作靈感，交互式三維動畫制作具備眾多的優(yōu)點，與傳統(tǒng)的動畫制作技術相比，交互式三維動畫制作具有明顯的優(yōu)勢和推廣的意義.

第一，IK技術在交互式三維動畫制作中的運用.

IK是動畫制作最常用的技術之一.除了IK，動畫制作的技術還有FK.IK（inverse kinematics）和FK（forward kinematics）是用來控制skeleton的運動軌跡，但是兩者的區(qū)別在于IK可以根據(jù)已知的目標計算空間joint的旋轉(zhuǎn)而FK則是旋轉(zhuǎn)靠近目標因此相比較起來，IK技術有更加精確的目的性，交互式三維動畫制作最常用到的技術也是IK技術.IK(inverse kinematics)對交互式三維動畫制作有著極其重要的作用.IK的工作原理其實不難理解，首先，通過建立三維立體動畫的骨架，其次，在大概的骨架模型上，進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(如圖1(a)所示)，骨架結(jié)構會直接關系到動畫成形的后續(xù)工作，骨架三維動畫模型的基礎，骨架結(jié)構的優(yōu)劣會直接影響到三維動畫的最終成形情況.而所有的三維動畫制作又都起源于基本的骨架結(jié)構.第二，繼續(xù)調(diào)整骨骼結(jié)構，進行精確作業(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，然后利用骨骼驅(qū)動模型,如圖1(c)所示.IK技術工作流程中，一個比較關鍵的問題是，IK在設定關節(jié)結(jié)構時，因為數(shù)據(jù)復雜，處理麻煩，而且骨架結(jié)構既復雜又不直觀，所以，在關節(jié)結(jié)構構架和建設方面需要花更多的時間去精確參數(shù)，另外，還需要花大量時間做好參數(shù)設置和記錄.現(xiàn)在，科學技術越來越成熟，三維動畫的骨架結(jié)構建設方法越來越多，比如一種，新型的技術，它是基于網(wǎng)格的逆向運動學(mesh-based inverse kinematics)來設計骨架結(jié)構，它在IK技術的基礎上，對相關細節(jié)的把握更加到位，因為它是利用一些樣例網(wǎng)格來隱含地確定各種約束條件，可以讓設計者通過直接操作網(wǎng)格頂點的方法，來改變網(wǎng)格，然后在對骨架或者對象進行姿態(tài)，狀態(tài)，形狀以及關節(jié)細節(jié)的精確修改.總的來說，利用IK技術配合逆向運動學原理，是交互式三維動畫制作的核心技術，三維動畫的制作效果跟IK技術的恰當運用息息相關.可以說，掌握IK技術才是三維動畫制作的第一步驟.

第二，源ROI映射到目標ROI.

映射過程是交互式三維制作的一個核心，也是基于樣例生成三維動畫的一個重要步驟.所謂映射其實就是指從源ROI映射到目標ROI的過程.一般情況下，基于樣例的三維制作，會先找到合適的源ROI,并且生成數(shù)據(jù)，存在相關軟件或者動畫制作設備中，然后進一步設定目標ROI，并且生成目標ROI.在生成源ROI和目標ROI后，接下來的工作，就是把源ROI映射到目標ROI的過程.而這個映射過程的指導思想其實是，把圖紙作為一個介質(zhì)，也是作為一個參考模型，所有的源ROI要映射到目標ROI過程時，要依賴于圖紙上這個中介來實現(xiàn).實現(xiàn)過程其實就是，讓所有源ROI上的網(wǎng)格頂點實現(xiàn)變換，而變換要依賴于源草圖的變換，這時候圖紙中介的作用就發(fā)揮出來了.然后，在進行下一步步驟之前，還要預先對源ROI和目標ROI的方向進行必要的調(diào)整.否則源ROI變換的結(jié)果要傳輸?shù)侥繕薘OI時，會出現(xiàn)一些錯誤或者問題.在對源ROI和目標ROI的方向進行一番調(diào)整之后，就可以開始進行下一個步驟.上述源ROI和目標ROI的方向調(diào)整比如，例如圖6中，馬首的方向應該與駱駝頭的方向一致.圖6簡易地表現(xiàn)了通過草圖把馬腿映射到駱駝腿上面的實現(xiàn)過程.而源草圖和目標草圖在圖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,相對應地在草圖上用點Vp,Vp來表示，并且利用函數(shù)f的作用映射到目標圖紙上.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)格頂點坐標值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的實現(xiàn)方法，可以通過4步來完成源草圖的映射函數(shù)計算.第一，通過平移手段，使得源草圖的起點Os與目標草圖的起始點Ot保持重疊，并且重疊點記作O,如圖7(a)所示.平移矢量即Ot-Os.第二，對源草圖進行縮放操作，使|OE2|=|OE1|,如圖7(b)所示.第三，對源草圖進行旋轉(zhuǎn)操作,讓源草圖的終點E2與目標草圖的終點E1重疊，并重疊于點E(如圖7(c)所示).旋轉(zhuǎn)的坐標軸位于點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.對草圖上的任一點,如圖8(a)的Vs,并且用標準化的弧長l來表示:首先從起始點沿著草圖計算到此點的長度,然后除以草圖的總長度獲取標準化的弧長,控制取值范圍在0到1內(nèi).每個草圖上的點V都可以計算出對應的參數(shù)l(V).對源草圖上的點Vs,其參數(shù)是ls,在目標草圖上找到參數(shù)等于ls的點Vt,如圖8(b)所示,它的參數(shù)也是ls,然后平移Vs到Vt.對關聯(lián)到Vs的源ROI頂點用同樣方式處理，圖8(c)中框架線是映射后的源ROI,另一個就是目標ROI.

圖6

圖7

圖8

第三，交互式三維動畫的可視化模型.

交互式三維動畫的可視化模型是直接提供給用戶直接的視覺體驗的方式，可視化模型有利于幫助用戶與設計作品產(chǎn)生空間數(shù)據(jù)之間的連接，進而產(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，對于大部分用戶來說，更加注重在信息交互這個方面.因此，可視化模型要能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的修改設計環(huán)境.GIS這種模式下的可視化模型能夠很好地實現(xiàn)這個既輸出信息又實現(xiàn)交互，方便操作的功能.因此，GIS中的三維動畫，被廣泛地運用于三維動畫制作技術.它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)譬如制造仿真環(huán)境，洪水淹沒，火災形成等復雜的三維動畫模型，而且它還能夠在模型的基礎上，對數(shù)據(jù)或者相關信息進行分析和記錄.以下圖為交互式三維動畫的可視化結(jié)構.

第四，模型數(shù)據(jù)的控制.

交互式三維動畫制作生成過程中，對數(shù)據(jù)的把握是至關重要的，三維空間的數(shù)據(jù)，網(wǎng)格頂點的準確定位，以及一些數(shù)據(jù)計算過程中的精確度，還有一些控制點的數(shù)量控制，都會直接影響到三維動畫模型的最終形成，比如，控制點的把握上，最好控制在2～5個為最佳，太少的會不能夠完成模型的制作，太多的話又會影響數(shù)據(jù)的計算和測量，還會加大工作難度.一般來說，2～5個控制點就可以滿足交互式三維動畫的操作，控制點的選擇和數(shù)量控制對三維動畫操作有很大的影響.另外，控制點的選擇應該要保持一定的距離性，而且要盡量滿足相對分散的條件，越分散，控制點之間的影響越小，而且控制點越分散，采集的數(shù)據(jù)才不會過于集中，影響到數(shù)據(jù)采集的精確和代表性.最后，還要注意，每個控制點的操作方式應該滿足不同的操作方式，最好是滿足不同控制點的操作方式具有獨立性，操作方式不同將會影響到三維模型制作中的一個操作，比如目標網(wǎng)格的移動和目標ROI的變形的狀況也會受到影響.所以說，交互式三維動畫制作要把握好對數(shù)據(jù)的控制力度，數(shù)值的準確度在三維模型制作中是至關重要的，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定方向發(fā)展，才能夠達到預期設定的模型目標.數(shù)據(jù)約束在交互式三維動畫模型制作生成中的重要意義決定了，在實際的教學或者實驗操作過程中，應該要保持嚴謹?shù)膽B(tài)度，和細心，專注的精神，來完成實踐操作.

總的來說，交互式三維動畫的制作生成要抓住幾個教學重點，比如上面提到的可視化模型的問題，以及源ROI到目標ROI的映射.另外，動畫的設計效果受到很多因素的影響，但是，教學應該以主要影響因素為主，并且強調(diào)它的重要性.對于三維動畫制作，可以用來制作的開發(fā)軟件很多，在眾多的三維動畫設計軟件中，應該正確地選擇一款功能全面，并且能夠?qū)崿F(xiàn)與用戶進行信息交互的軟件，比如上面說到的采用GIS軟件，它就是針對三維空間和信息數(shù)據(jù)為重點，而且是以數(shù)據(jù)為基本的，采用GIS技術可以彌補很多二維或者三維模型中存在的不能實現(xiàn)信息交互的缺點.另外，IK技術在交互式三維動畫制作中，是一個重要的技術，這項技術也是三維動畫制作的基礎，只有牢牢掌握這項技術，才能夠熟練地完成相關三維動畫的制作.

〔1〕王靜秋,王國忠.基于Java 3D的交互式三維動畫的研究[J].計算機技術與發(fā)展，2011(09).

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

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