Maya角色動畫教學(xué)中IK—FK無縫切換技術(shù)的教學(xué)法探究

吳少軍

摘要：三維角色動作調(diào)節(jié)是影視動畫、游戲動畫和新媒體動畫制作的核心內(nèi)容，三維角色采用的骨骼裝配和控制技術(shù)決定了角色動作調(diào)節(jié)的難易程度和動作質(zhì)量，從而影響影視及游戲作品的質(zhì)量。在Maya角色動畫教學(xué)中，IK-FK控制技術(shù)是最常用的骨骼裝配和控制技術(shù)。對于高職動漫專業(yè)學(xué)生而言，掌握Ik-FK技術(shù)有一定困難。本文將結(jié)合筆者的教學(xué)實(shí)踐，探究針對高職學(xué)生特點(diǎn)，采用科學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握這一技術(shù)難題的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：Maya角色動畫教學(xué)；IK-FK無縫切換技術(shù)；教學(xué)

由于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)與硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，在CG領(lǐng)域與動畫制作技術(shù)中，三維動畫技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣泛。三維動畫技術(shù)由于生產(chǎn)成本更低，工作效率更高，藝術(shù)表現(xiàn)力更強(qiáng)，因此在動畫制作技術(shù)中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，而二維動畫制作技術(shù)則在一些有特殊風(fēng)格要求的動畫領(lǐng)域中繼續(xù)堅(jiān)守。在很多優(yōu)秀的三維動畫作品中，動畫角色的動作真實(shí)自然，準(zhǔn)確流暢，除了動畫師具有較高藝術(shù)素養(yǎng)，對動畫運(yùn)動規(guī)律掌握較好，能夠熟練運(yùn)用之外，還與三維軟件技術(shù)的發(fā)展與工具的熟悉程度有關(guān)。

現(xiàn)在高校動畫專業(yè)中一般采用Maya作為動畫制作的主要工作軟件進(jìn)行教學(xué)，這與業(yè)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(yùn)動控制時，一般都會采用IK-FK進(jìn)行切換的技術(shù)，但學(xué)生在使用IK與FK技術(shù)時，經(jīng)常出現(xiàn)角色動作跳動、不平順的情況。本文將主要對IK與FK技術(shù)進(jìn)行介紹，講解IK與FK切換的方法，IK與FK在進(jìn)行切換時會出現(xiàn)角色動作跳動的原因、技術(shù)解決方法，以及筆者本人在教學(xué)實(shí)踐中如何通過教學(xué)設(shè)計(jì)減少學(xué)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(xué)，而FK是ForwardKinematics的縮寫，稱為前向動力學(xué)?，F(xiàn)實(shí)世界中的人或動物的骨骼是只能旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)則是由我們的前臂和上臂的骨骼共同旋轉(zhuǎn)完成的。在Maya中，這種由骨骼旋轉(zhuǎn)完成的動作的控制方法稱為FK，前向動力學(xué)。但是由于前向動力學(xué)控制不符合我們的直覺，另外在三維軟件中用前向動力學(xué)控制角色運(yùn)動有時操作較復(fù)雜，所以科學(xué)家開發(fā)了IK，反向動力學(xué)，反向動力學(xué)控制虛擬角色時可以直接移動角色的骨骼，如手腕，實(shí)現(xiàn)打出一拳這樣的動作，它的實(shí)質(zhì)還是由旋轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)動作。簡言之，前向動力學(xué)FK是通過旋轉(zhuǎn)完成虛擬角色動作，反向動力學(xué)IK是通過移動IK控制器完成虛擬角色動作。

正向動力學(xué)與反向動力學(xué)技術(shù)在動畫制作中都會使用到，不同的情況下各有其優(yōu)缺點(diǎn)與便捷之處。綁定師在骨骼綁定設(shè)置時，應(yīng)讓其能夠自如地切換，方便動畫師進(jìn)行動作調(diào)節(jié)。但是一般的正反向動力學(xué)切換時，由于兩套控制器之間無法直接聯(lián)系影響，故在正反向動力學(xué)切換時，會發(fā)生骨骼位置變化，出現(xiàn)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(shù)

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

（2）在動畫菜單里使用“設(shè)置IK/FK關(guān)鍵幀”命令的方式來進(jìn)行控制，進(jìn)行這種切換時，骨髂是不會進(jìn)行移動的，因?yàn)檫@個命令的原理是給IK與FK同時記錄關(guān)鍵幀，所以可以平順切換這兩種方式。但這種控制技術(shù)操作不方便，因?yàn)閯赢嫀熢谶M(jìn)行動作調(diào)整時是采用快捷鍵S的，這種操作需要到菜單里執(zhí)行命令，顯得繁瑣，另外在動作修改時也會出現(xiàn)很多問題。

（3）采用Mel控制，Mel是指內(nèi)嵌于Maya內(nèi)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(jìn)行調(diào)用的。用Mel來控制IK與FK，主要是通過一些已經(jīng)編寫好的Mel作為插件來對IK與FK進(jìn)行切換。

（4）采用多套骨髂來進(jìn)行控制，業(yè)界經(jīng)常采用一種三套骨骼來進(jìn)行IK與FK切換的方法。具體是一套進(jìn)行IK綁定，一套采用FK控制，另一套用于進(jìn)行蒙皮。這種控制方式可以實(shí)現(xiàn)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(quán)重繪制工作量會增大。

3.教學(xué)實(shí)踐中解決IK與FK平滑切換技術(shù)難題的教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)方法

在三維動畫的學(xué)習(xí)過程中，由于綁定技術(shù)較為復(fù)雜，IK與FK的概念與平滑切換技術(shù)高職動漫專業(yè)學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)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(tǒng)，工作量較大、復(fù)雜且難以掌握。對于IK-FK平滑切換技術(shù)，筆者是在動漫多媒體機(jī)房采用教學(xué)做合一的項(xiàng)目教學(xué)法，由于技術(shù)復(fù)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?qū)W生解釋，利用骨髂旋轉(zhuǎn)完成動作稱為前向動力學(xué)FK，并進(jìn)行一分鐘左右的實(shí)例演示說明。對于IK，我解釋這是一種算法和控制技術(shù)，可以利用IK手柄的移動帶動骨骼旋轉(zhuǎn)完成動作，并進(jìn)行實(shí)例演示。IK與FK的概念講解不超過5分鐘。我認(rèn)為在高職教學(xué)過程中，教師應(yīng)具有將較復(fù)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(shí)例使學(xué)生固化已有知識。

在教學(xué)設(shè)計(jì)上，Maya中角色骨骼裝配這一教學(xué)模塊需要至少8個課時，我把IK與FK平滑切換技術(shù)的講解置于整個骨骼裝配教學(xué)過程中，而并不單獨(dú)設(shè)置課時講解這一技術(shù)。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(yōu)缺點(diǎn)。我根據(jù)學(xué)生的情況，決定采用第三種方式，利用Mel進(jìn)行控制。因?yàn)榈谝?、第二種方式的缺點(diǎn)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(jìn)行控制，主要缺點(diǎn)則是動漫專業(yè)的學(xué)生沒有學(xué)過編程，對采用Mel進(jìn)行控制可能會感到困難。我認(rèn)為高職教學(xué)過程中，對一些工具的使用，學(xué)生知道如何使用就足夠，并不需要把工具制作出來。教學(xué)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(xué)習(xí)Mel的學(xué)生自己去研究。當(dāng)然其他的控制方法我都采用一兩句話提到，擴(kuò)展學(xué)生的知識面。在教學(xué)過程中，我把所有的技術(shù)講解都錄制成視頻，讓學(xué)生在骨髂裝配教學(xué)過程中掌握較難的IK-FK平滑切換技術(shù)，并能夠反復(fù)觀看視頻學(xué)習(xí)掌握。

本文雖然探究的是一個高職教學(xué)實(shí)踐中的小案例，但我覺得在教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了一些高職教育思想，值得總結(jié)。一是高職教師在教學(xué)過程中不應(yīng)該過多探究理論與概念的來由，但要簡單形象地讓學(xué)生掌握理論與概念的本質(zhì)。二是教授技術(shù)使用的過程中，不要面面俱到，要有所選擇與側(cè)重。三是需要提供足夠的教學(xué)資源，讓有余力的學(xué)生能夠深入學(xué)習(xí)。