生理學(xué)三維動(dòng)畫的制作技巧及體會(huì)

陳　沛，郜鑫磊，汪　銘中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽　合肥　230027

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生理學(xué)三維動(dòng)畫的制作技巧及體會(huì)

陳沛，郜鑫磊，汪銘
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽合肥230027

【摘要】：在分析三維動(dòng)畫技術(shù)優(yōu)勢基礎(chǔ)上，結(jié)合生理學(xué)理論教學(xué)需要，介紹了利用3D Maya軟件經(jīng)由劇本創(chuàng)建、模型建立、材質(zhì)燈光編輯、動(dòng)畫設(shè)計(jì)、圖片渲染和后期合成優(yōu)化等過程，先后完成有關(guān)呼吸和循環(huán)3D動(dòng)畫短片的技巧及特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】：Maya；三維動(dòng)畫；生理學(xué)；網(wǎng)絡(luò)課件

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201602012

三維動(dòng)畫又稱3D動(dòng)畫，是近年來隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一項(xiàng)新興技術(shù)。三維動(dòng)畫通過各種三維動(dòng)畫軟件來實(shí)現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)中首先建立一個(gè)虛擬的世界，設(shè)計(jì)師便可以在這個(gè)虛擬的三維世界中按照要表現(xiàn)對象的空間位置、形狀和尺寸等信息來建立模型以及所處場景或“物體所屬世界”，甚至可以按照物理參數(shù)設(shè)定各種“場”；然后可以根據(jù)需要設(shè)定模型的運(yùn)動(dòng)軌跡、形變參數(shù)、虛擬攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)和其他各種屬性的變化；最后按要求為模型賦上特定的材質(zhì)或者貼圖，并添加上燈光。當(dāng)這一切完成后就可以讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)算，生成最后的畫面。三維動(dòng)畫由于具有高仿真性、高容量性、生動(dòng)趣味性和易傳播性，目前已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、教育、軍事、娛樂等諸多領(lǐng)域［1-2］。

1　制作生理學(xué)三維動(dòng)畫課件的要求與程序

三維動(dòng)畫可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生物學(xué)課件教學(xué)［3］。在生理學(xué)課件，是通過在三維軟件中（這里主要是Autodesk Maya）構(gòu)建仿真的生物模型或者細(xì)胞、分子等水平上的生物學(xué)相關(guān)過程。在3D軟件中，各種模型都是由簡單的幾何面或者曲面構(gòu)成的，所用的幾何面多為三角形或者四邊形，通過大量的幾何面圍成幾何體，而我們所需要的生物模型表面便是由大量細(xì)分的多邊形組成。然后通過為建立的模型添加各種材質(zhì)，顏色或者貼圖，模型便有了質(zhì)感和不同的外表。再通過其他三維建模軟件（如數(shù)字雕刻軟件ZBrush，等）對模型進(jìn)行細(xì)分優(yōu)化，使局部結(jié)構(gòu)更加細(xì)膩逼真。當(dāng)模型構(gòu)建成功后，便可在Maya中設(shè)定動(dòng)畫過程了。在Maya中應(yīng)用關(guān)鍵幀動(dòng)畫可以隨著時(shí)間的推移，讓模型實(shí)現(xiàn)形狀、位置、顏色等各方面的變化；再通過Maya中的虛擬攝像機(jī)觀察，輸出我們所想要的動(dòng)畫過程，達(dá)到所見即所得。經(jīng)過后期處理軟件進(jìn)行剪輯編排、添加字幕配音后，制作好的動(dòng)畫便可以上載到網(wǎng)上共享了。

2　制作過程

2.1主要步驟

2.1.1前期工作 確定要構(gòu)建動(dòng)畫的生理學(xué)過程或者要展示的生理結(jié)構(gòu)，根據(jù)教材中的文字和圖片勾勒出模型的草圖，網(wǎng)絡(luò)上的圖片資源通常只有平面圖，且只有簡單的線條勾勒，要想建立更為精確、逼真的三維模型，最好找到實(shí)物模型參考。

2.1.2建模 在Maya中構(gòu)建出3D模型。在Maya中為動(dòng)畫的場景添加適當(dāng)?shù)臒艄庹彰餍Ч瑸槟Ｐ吞砑舆m合的材質(zhì)，然后根據(jù)圖片或者文字描述資料，編輯模型表面的顏色或者材質(zhì)，使得模型更逼真。如有必要，可將模型進(jìn)一步導(dǎo)入ZBrush進(jìn)行表面的光滑處理和紋理細(xì)節(jié)雕刻，無形之中模型的細(xì)分程度大大提升，會(huì)得到更好的表面效果。

2.1.3動(dòng)畫 根據(jù)制作對象的生理學(xué)過程可事先編輯一個(gè)動(dòng)畫劇本，即動(dòng)畫中模型的運(yùn)動(dòng)或者變化過程，然后根據(jù)劇本編輯關(guān)鍵幀動(dòng)畫，要標(biāo)注動(dòng)畫各個(gè)步驟的持續(xù)時(shí)間和相對時(shí)間。

設(shè)置完動(dòng)畫的關(guān)鍵幀后，便要進(jìn)行預(yù)覽檢測。選擇所需視角的攝像機(jī)來觀察動(dòng)畫的演示，看是否存在錯(cuò)誤或者不合理之處，是否需要進(jìn)行修改。由于前期在Maya中已對每個(gè)的動(dòng)畫片段甚至關(guān)鍵幀渲染圖片，之后都可能在動(dòng)畫中被反復(fù)引用，因此務(wù)必在前期就處理好細(xì)節(jié)，盡量渲染出模型的各個(gè)角度，以備后期制作剪輯使用。

2.1.4渲染輸出 設(shè)定好的動(dòng)畫要通過渲染輸出，設(shè)定好渲染的相關(guān)參數(shù)，比如分辨率，文件格式和文件目錄，等，就可以渲染了。用Maya渲染出的動(dòng)畫實(shí)際是一系列有序圖片，可以通過Maya自帶播放軟件fCheck先進(jìn)行預(yù)覽檢查。

2.1.5合成動(dòng)畫 利用After Effects將Maya渲染出的有序圖片導(dǎo)入，可以在后期制作過程中，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整各個(gè)分動(dòng)畫的播放時(shí)間和速度，比如旋轉(zhuǎn)快慢和鏡頭切換，等，然后添加字幕、聲音、特效等處理后便可以合成輸出了，輸出的視頻通常為avi格式。例如，低位腦干對呼吸影響的動(dòng)畫制作過程，包括多邊形建模、模型光滑處理、添加紋理和表面材質(zhì)、上色、透明化體現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制作橫切動(dòng)畫、渲染輸出和合成動(dòng)畫（如圖1所示）。

圖1　低位腦干對呼吸影響的動(dòng)畫制作過程

將原始視頻按所需的格式利用格式轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行壓縮處理，輸出為網(wǎng)絡(luò)上通用的格式。

然后將動(dòng)畫文件上載到網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)共享［4-7］。運(yùn)用3D動(dòng)畫技術(shù)我們制作了大腦的模型和腦神經(jīng)分布、LTP的機(jī)制、感光換能機(jī)制等一系列3D課件［8］，并探討Maya動(dòng)畫技術(shù)在生物學(xué)相關(guān)課程中的應(yīng)用［9］。

在“大學(xué)生研究計(jì)劃”中以及后來的其他教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，我們利用三維動(dòng)畫制作技術(shù)開展了包括呼吸器官（肺，肺泡，等）的模型和呼吸過程、呼吸運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)調(diào)節(jié)（肺牽張反射）、低位腦干橫斷對呼吸運(yùn)動(dòng)影響和心臟的動(dòng)畫演示課件。

2.2呼吸相關(guān)的三維動(dòng)畫制作

2.2.1呼吸器官和相關(guān)結(jié)構(gòu)模型 利用肺的參考圖（多來自于網(wǎng)絡(luò)資源），在Maya中勾勒出初始輪廓，然后通過相應(yīng)的延伸或者擠壓構(gòu)造出模型的毛坯，然后根據(jù)生理學(xué)的相關(guān)知識(shí)對細(xì)節(jié)進(jìn)行修飾。

在構(gòu)建肺葉的過程中，我們要應(yīng)用到模型貼圖，主要是為了使肺葉的外觀更加逼真、有質(zhì)感。在編輯貼圖的過程中主要難點(diǎn)在于要使貼圖上的紋理按照給出的參考圖片分布到模型表面。對于其他的模型（比如肺泡和氣管，等）主要是應(yīng)用材質(zhì)和顏色來實(shí)現(xiàn)其外觀的不同，比如肺泡表面的毛細(xì)血管就通過紅色和藍(lán)色來表現(xiàn)流動(dòng)的是動(dòng)脈血或者靜脈血。

2.2.2肺的通氣和換氣動(dòng)畫 我們的動(dòng)畫過程包括先有一個(gè)氣體進(jìn)入體內(nèi)的路徑演示，然后是氧氣分子通過氣管進(jìn)入肺內(nèi)部的過程。此過程主要是靠Maya的攝像機(jī)動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)，攝像機(jī)的關(guān)鍵幀動(dòng)畫可以實(shí)現(xiàn)鏡頭跟蹤氣體分子運(yùn)動(dòng)的效果。在演示氣體進(jìn)出肺泡的過程時(shí)，我們要應(yīng)用到一個(gè)肺泡的截面模型，這里涉及到鏡頭的移動(dòng)和氣體分子的運(yùn)動(dòng)，所以在設(shè)置鏡頭和氣體分子的關(guān)鍵幀時(shí)要注意兩者時(shí)間的同步，避免讓運(yùn)動(dòng)的氣體分子偏出鏡頭。最后演示氧氣分子與血紅蛋白結(jié)合的過程。

2.2.3肺牽張反射 在這個(gè)動(dòng)畫中，我們通過一個(gè)閃動(dòng)的光點(diǎn)來表現(xiàn)興奮在神經(jīng)中傳導(dǎo)。另外，還要表現(xiàn)肺收縮和舒張的進(jìn)行，通過讓肺收縮和舒張的演示節(jié)奏放慢來達(dá)到較為明顯的視覺效果。

2.2.4低位腦干對呼吸影響的動(dòng)畫制作 腦干的基本三維模型均通過Maya軟件建立，模型制作參考生理實(shí)驗(yàn)室的腦干模型和網(wǎng)上的圖片資料，等?；痉椒ㄊ峭ㄟ^多邊形建模由大體形狀到局部細(xì)節(jié)逐漸向?qū)嵨锬Ｐ捅平?，最后為模型添加材質(zhì)和高光效果，等。后期采用AE軟件添加文字和配音，并將前期的一系列腦干和肺部的小動(dòng)畫串聯(lián)起來，通過改變圖片序列的播放時(shí)間和播放速率，達(dá)到動(dòng)畫和動(dòng)畫之間、動(dòng)畫和解說之間的同步，背景解說配音文稿參考生理學(xué)資料，動(dòng)畫聲音由科大訊飛語音軟件生成，最后渲染預(yù)覽，導(dǎo)出為avi格式的視頻，再通過格式轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)成需要的格式。在配音過程中遇到的問題，主要是通過語音合成的背景解說不夠流暢，斷句也不夠自然?？蓢L試通過真人錄音配音改進(jìn)，增加音頻處理步驟，通過Audition等音頻處理軟件對原始配音文件進(jìn)行降噪等處理。

2.3心臟3D模型制作

制作心臟時(shí)是把心臟所連接的主要大血管、肺靜脈、肺動(dòng)脈、主動(dòng)脈、上下腔靜脈和表面的冠狀動(dòng)脈等與心臟主體分開制作，所以只要做出心室和心房的大致外形就可以了，然后再添加其他結(jié)構(gòu)。待各個(gè)主要結(jié)構(gòu)建好后，再制作左右冠狀動(dòng)脈和靜脈竇，這里將再次利用曲面建模的拉伸工具，通過一個(gè)與血管管徑相同的圓環(huán)沿著一條表現(xiàn)血管走向的曲線拉伸出各條小血管。最后用ZBrush軟件對心臟形狀進(jìn)行雕刻，以趨于完善。

心臟內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)比表面復(fù)雜的多，而且有很多附屬結(jié)構(gòu)，比如房室瓣口和房室瓣，等。這些結(jié)構(gòu)與心臟的功能息息相關(guān)，在建立模型時(shí)是不能簡化或者省略的。這里我們還是在Maya中先作出毛坯模型，導(dǎo)入到ZBrush中對細(xì)節(jié)進(jìn)行雕刻。最后仍需對模型進(jìn)行材質(zhì)和貼圖編輯以及添加燈光，得到最終效果。

3　三維動(dòng)畫課件制作體會(huì)

制作生理學(xué)或生物學(xué)三維動(dòng)畫課件需要有一定的生物學(xué)知識(shí)積累，否則讓一個(gè)對生物學(xué)一知半解的人來做這樣的教學(xué)視頻，容易出現(xiàn)很多理論上的或者科學(xué)性的錯(cuò)誤。

制作過程中發(fā)現(xiàn)，Maya中建模的細(xì)節(jié)程度還不足以達(dá)到使模型逼真的要求。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，我們采用的這種方法雖然可以大大提升建模的效率和模型的視覺效果，但缺點(diǎn)是受到機(jī)器配置的限制，在模型的細(xì)分級別提高后，相對來說，計(jì)算機(jī)處理速度也會(huì)變慢很多，最后生成的文件也會(huì)變大。

制作者對軟件的熟練運(yùn)用程度在很大程度上影響作品的質(zhì)量。要想制作出好的三維動(dòng)畫，僅僅依靠普通的一兩種軟件技術(shù)是不可能達(dá)到的，必須在實(shí)踐中根據(jù)實(shí)際情況不斷尋找新工具和新方法，學(xué)會(huì)使用更多的制作工具，并加以靈活運(yùn)用。

作為一個(gè)動(dòng)畫課件制作團(tuán)隊(duì)需要一個(gè)穩(wěn)定的人才隊(duì)伍，建立一個(gè)比較好的傳承機(jī)制?？梢宰尭吣昙壍膶W(xué)生對后續(xù)參加的低年級學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)培訓(xùn)，使其能夠在比較短的時(shí)間里掌握相關(guān)的技能。

幾年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，團(tuán)隊(duì)的技術(shù)力量不僅是重要的，而且還需要是一個(gè)分工明確和知識(shí)結(jié)構(gòu)合理的制作團(tuán)隊(duì)。在制作過程中，除了事先要精心設(shè)計(jì)動(dòng)畫課件外，還需借鑒前人作品的優(yōu)點(diǎn)和不足，汲取經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，通過不斷地嘗試和改革，才能保證團(tuán)隊(duì)制作的動(dòng)畫課件質(zhì)量不斷提高。

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電話：13856911825；E-mail：wming@ ustc.edu.cn

Skills of 3D animation making for physiology course and our experience

Chen Pei，Gao Xinlei，Wang Ming
School of Life Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China

【Abstract】：This paper first analyzes the advantages of 3D animation technology.Then based on the needs of physiological theory teaching，it introduces the process of using 3D Maya software in scripting，modeling，editing of material and light，animation design，image rendering and late-stage synthesis.It also introduces the skills and characteristics of making 3D animated short films of respiration and circulation.

【Key words】：Maya software；3D animation；physiology；online courseware

通信作者：汪銘（1969-），女，安徽青陽人，副教授，博士，主要研究方向：生理學(xué)。

作者簡介：陳沛（1988-），男，四川內(nèi)江人，博士研究生在讀，主要研究方向：生理學(xué)。

收稿日期：2015-10-26

【中圖分類號】：TP317.4；G642.0

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A

【文章編號】：1004-5287（2016）02-0156-03