三維動畫人物設(shè)計與醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的融合

史學(xué)峰　康蕙瀅

摘要：三維動畫人物設(shè)計與醫(yī)學(xué)成像技術(shù)分別處在藝術(shù)與技術(shù)兩個領(lǐng)域，這兩個領(lǐng)域雖然截然不同，但是兩種技術(shù)的目的都是實(shí)現(xiàn)“虛擬人”的形象的再造和創(chuàng)造，用可視化的圖像去詮釋人類的身體。本文通過對三維動畫人物設(shè)計與一些成像技術(shù)的技術(shù)構(gòu)成、設(shè)計思想和制作過程進(jìn)行分析，梳理出兩者之間的互動?？偨Y(jié)出“醫(yī)學(xué)動畫”是三維動畫人物設(shè)計與醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的融合的結(jié)果，并對其進(jìn)行分析探討，同時也分析了動畫人物設(shè)計與醫(yī)學(xué)成像技術(shù)在視覺形象和運(yùn)動設(shè)計中的相互滲透。

關(guān)鍵詞：三維動畫 人物設(shè)計 設(shè)計系統(tǒng) 醫(yī)學(xué)成像技術(shù) 醫(yī)學(xué)動畫

中圖分類號：J0-05 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-3359（2017）07-0174-04

一、三維動畫人物設(shè)計與醫(yī)學(xué)成像技術(shù)概述

對于三維動畫設(shè)計系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)成像技術(shù)系統(tǒng)的“設(shè)計對象”來說，都是人類的身體，兩種技術(shù)設(shè)計產(chǎn)品的表現(xiàn)形式也都是“人的身體的影像”。三維動畫人物設(shè)計以及醫(yī)學(xué)成像技術(shù)系統(tǒng)從技術(shù)的角度來看，都是采用虛擬形式去構(gòu)造一個“虛擬人類的身體”，但是由于兩種技術(shù)的主要用途不同，對人體構(gòu)造的目的也不同，因此，兩種技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)也不一樣。三維動畫人物設(shè)計屬于藝術(shù)的范疇，對動畫人物的設(shè)計來說，更注重動畫人物感官上的藝術(shù)性，因此在構(gòu)造動畫人物時，主要運(yùn)用造型、色彩、材質(zhì)、光線等技術(shù)元素來對人類的外部特征進(jìn)行造型；醫(yī)學(xué)成像技術(shù)系統(tǒng)則是創(chuàng)造一個人類的身體圖像用于醫(yī)生對病人的診斷，所以醫(yī)學(xué)成像技術(shù)系統(tǒng)等加注重圖形數(shù)據(jù)的精確性和人體透視的準(zhǔn)確性。我們可以把這兩種不同的技術(shù)系統(tǒng)看成是人類對自己身體描述的兩種方法，這兩種方法一種是從外觀描述人物身體是三維動畫，另一種則是從內(nèi)部描述人類身體的醫(yī)學(xué)成像。因此，三維動畫人物設(shè)計技術(shù)是一種屬于藝術(shù)范疇的方法，而醫(yī)學(xué)成像技術(shù)則是一種屬于科學(xué)范疇的方法。

（一）三維動畫設(shè)計系統(tǒng)

三維動畫人物設(shè)計離不開計算機(jī)軟件的支撐，用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行三維動畫設(shè)計與制作經(jīng)歷了由高級語言進(jìn)行編程，用數(shù)學(xué)公式來表達(dá)圖像的點(diǎn)線面，到傳統(tǒng)計算機(jī)動畫階段再到先進(jìn)計算機(jī)動畫階段的三個階段。下面我們來分開闡述一下傳統(tǒng)計算機(jī)動畫以及先進(jìn)計算機(jī)動畫的原理與特征。

傳統(tǒng)計算機(jī)動畫運(yùn)用的是設(shè)計關(guān)鍵幀技術(shù)，計算機(jī)軟件根據(jù)動畫設(shè)計師所設(shè)置的關(guān)鍵幀，自動生成兩幀之間的中間動畫，從而將關(guān)鍵幀聯(lián)系起來，形成動畫軌跡。在這個過程中，動畫設(shè)計師只需把物體在動畫變化過程中的關(guān)鍵屬性設(shè)置成關(guān)鍵幀，如：大小、形狀、方向、位置等，計算機(jī)便可以自動根據(jù)相鄰兩幀之間的屬性差值自動計算并生成中間處在變化狀態(tài)的動畫。中間動畫的生成方式于關(guān)鍵幀的設(shè)置方式密切相關(guān)，設(shè)置不同，生成的中間動畫也有差別。關(guān)鍵幀動畫有圖像關(guān)鍵幀動畫、參數(shù)關(guān)鍵幀動畫和程序動畫。同時，計算機(jī)也可以完成動畫后期中的著色、剪輯以及特殊效果。

先進(jìn)計算機(jī)動畫是對機(jī)械規(guī)律、物理規(guī)律進(jìn)行模擬而產(chǎn)生動畫效果的計算機(jī)動畫。模擬方式不同，產(chǎn)生的計算機(jī)動畫效果也不同。計算機(jī)動畫不僅可以制作出具有二維的平面視覺的動畫，還可以創(chuàng)作出具有三維視覺立體效果的三維動畫。在用計算機(jī)對三維動畫設(shè)計時，可以構(gòu)造出具有三維立體空間感，并且使之產(chǎn)生運(yùn)動的人體，有著較強(qiáng)的視覺效果和人體運(yùn)動的真實(shí)質(zhì)感。因此，計算機(jī)動畫有著巨大的吸引力，尤其是在計算機(jī)動畫中動作捕捉技術(shù)被廣泛應(yīng)用之后，后期制作也更加簡單了，同時動畫人物在動作、表情的表現(xiàn)上也更加真實(shí)。

（二）三維動畫人物的設(shè)計與制作過程

計算機(jī)動畫技術(shù)在創(chuàng)作動畫影片時，從角色造型到動畫場景的創(chuàng)建再到上材質(zhì)、打燈光以及加攝像機(jī)都在計算機(jī)上進(jìn)行，其制作過程主要分為以下幾點(diǎn)：

第一步，先來對人物角色進(jìn)行造型設(shè)計。先把人物造型根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的特點(diǎn)做成泥膠模型，再將其掃描到計算機(jī)里，角色模型便被數(shù)字化了，再通過計算機(jī)相關(guān)軟件對角色人物設(shè)置骨骼、關(guān)節(jié)等參數(shù)。

第二步，附材質(zhì)。將動畫人物的人物皮膚、毛發(fā)、瞳孔、人物角色等賦上相應(yīng)的材質(zhì)，來表現(xiàn)真實(shí)的質(zhì)感。

第三步，為動畫人物設(shè)計表情和動作。通過動畫制作軟件中的動作捕捉技術(shù)可以為動畫中的人物加載一些運(yùn)動參數(shù)，使動畫人物按照既定的運(yùn)動軌跡進(jìn)行表情運(yùn)動和肢體運(yùn)動。

第四步，對場景進(jìn)行設(shè)計。給三維動畫人物設(shè)計適合的場景、打燈光、為人物加載光影效果，營造更加真實(shí)的效果。

第五步，渲染、剪輯，形成影視動畫成品。

（三）醫(yī)學(xué)成像技術(shù)分析

醫(yī)學(xué)成像，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被稱作醫(yī)學(xué)可視化技術(shù)，其種類繁多，成像方法、原理以及所適用范圍也都不相同。歸根結(jié)底，醫(yī)學(xué)成像技術(shù)是結(jié)合計算機(jī)技術(shù)，從觀察到的數(shù)據(jù)中提取出人體中可以用作臨床診斷的數(shù)據(jù)，用于醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的圖形處理技術(shù)。醫(yī)學(xué)可視化技術(shù)的重點(diǎn)是對數(shù)據(jù)處理和圖形的顯示。它將人體解剖學(xué)與現(xiàn)代影像學(xué)有機(jī)的結(jié)合起來，將獲取到的人體解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，借助計算機(jī)，建立起人體三維模型。這個人體三維模型具有數(shù)字化，與真實(shí)人體一致的，能夠顯示人體各器官和組織結(jié)構(gòu)立體的特征。這些模型能夠在交互模式下實(shí)現(xiàn)視角的轉(zhuǎn)換、平移、縮放等功能。

4.醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的處理過程

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)系統(tǒng)主要分為三個步驟：

第一步，對虛擬的人體信息進(jìn)行采集。采集后的輸入方式主要有兩種：一是從真實(shí)物體中獲取圖像，二是采用幾何模型輸入數(shù)據(jù)。

第二步，對輸入的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

第三步，將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。

第四步，對運(yùn)算處理成功的數(shù)據(jù)重構(gòu)，并還原圖像，將它們還原成可供人直接觀看的圖像。

二、動畫人物設(shè)計技術(shù)與醫(yī)學(xué)成像技術(shù)設(shè)計思路的異同分析

（一）三維動畫人物設(shè)計的設(shè)計思路

三維動畫人物的設(shè)計技術(shù)是運(yùn)用動畫設(shè)計軟件和計算機(jī)，通過數(shù)字化的方式對人物外觀進(jìn)行虛擬表現(xiàn)，它將人物進(jìn)行藝術(shù)化處理，不僅具有獨(dú)立性的視覺特征，還具有美學(xué)的基本特性。三維動畫人物設(shè)計是具有藝術(shù)性的人物虛擬表現(xiàn)。在對三維動畫影像構(gòu)建之前，需要設(shè)計者先來確定設(shè)計思路，對整個設(shè)計過程形成整體性的把握，主要是針對虛擬人物在藝術(shù)和情感兩方面的表現(xiàn)走向，以便構(gòu)建出更加真實(shí)、豐富的動畫人物。

在進(jìn)行三維動畫人物設(shè)計時，通常對虛擬的人物設(shè)計采用兩種手法：一種是真實(shí)模擬的表現(xiàn)手法；另一種是抽象夸張的表現(xiàn)手法。模擬真實(shí)的設(shè)計手法，追求對人體形象和結(jié)構(gòu)的逼真再現(xiàn)，這種設(shè)計手法往往十分注重人物面部特征的表現(xiàn)，對面部表情、皮膚進(jìn)行十分精細(xì)的處理，從而更加真實(shí)的去表現(xiàn)人物以及人物的情感。抽象夸張的表現(xiàn)手法，強(qiáng)調(diào)動畫人物的特征，會將動畫人物最具典型的特征進(jìn)行強(qiáng)調(diào)處理，運(yùn)用夸張的手法將人物某一部分進(jìn)行重構(gòu)，從而使觀者能夠產(chǎn)生較為深刻的印象。

當(dāng)然，三維動畫人物設(shè)計的根本目的是將其作為動畫影片的組成部分，所以，無論采用真實(shí)模擬還是夸張?jiān)佻F(xiàn)的設(shè)計手法，根本目的都是能夠激起觀者的審美愉悅。因此，其設(shè)計思路有以下幾個共同的特征：

1.強(qiáng)調(diào)人物造型的美感、運(yùn)用色彩、線條、光線、材質(zhì)等能夠?yàn)樵煨捅憩F(xiàn)服務(wù)的一切元素對三維動畫人物進(jìn)行豐富的表現(xiàn)；

2.強(qiáng)調(diào)人物運(yùn)動力的表現(xiàn)，綜合運(yùn)用各種參數(shù)、函數(shù)、公式構(gòu)成動畫人物的運(yùn)動表現(xiàn)力；

3.強(qiáng)調(diào)動畫制作的手動調(diào)節(jié)功能，以便滿足動畫人物創(chuàng)作者的審美特征。

（二）醫(yī)學(xué)成像技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計思路

醫(yī)學(xué)虛擬人系統(tǒng)可以說是一個用于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)和醫(yī)學(xué)臨床診斷與治療的一種可視化的智能影像系統(tǒng)。通過這個系統(tǒng)，將人們用多種科技手段獲得的與人體以及人體器官相關(guān)的數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的整合，形成嚴(yán)禁、清晰、準(zhǔn)確的人類身體圖像。這些圖像并不是僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)供人們觀看的功能，它由各種嚴(yán)密的科學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建起來，在系統(tǒng)中輸入各類病理信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)里的人體三維模型也會跟隨數(shù)據(jù)的輸入變化和活動起來。

醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計思路特征是：

1.它更加強(qiáng)調(diào)光學(xué)系統(tǒng)對身體產(chǎn)生的透視能力；

2.相對于三維動畫來說，醫(yī)學(xué)成像更加強(qiáng)調(diào)經(jīng)由數(shù)據(jù)系統(tǒng)和光學(xué)而產(chǎn)生的線條、色彩、圖像、明暗變化的準(zhǔn)確性與清晰度；

3.醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)具有模擬自然化的仿真性的圖像變化，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)之間的交互。

三、“醫(yī)學(xué)動畫”——三維動畫人物設(shè)計與醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的融合

“在技術(shù)史中，選擇所操縱的實(shí)際單元是人工制品、人或企業(yè)，而不是這樣的技術(shù)本身，這一點(diǎn)同樣能夠得以維持。”

三維動畫與可視化醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展和演變，雖然沒有什么因果關(guān)系，也不存在技術(shù)出現(xiàn)和發(fā)展的先后順序，但是就約翰·齊曼持有的觀點(diǎn)表述來說，它們的發(fā)展和融合是隨著科技的發(fā)展和人類需求以及科技需求，而使科技之間不斷借鑒、不斷融合成了必然的發(fā)展趨勢。而三維動畫技術(shù)與醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展、融合、相互借鑒的成功應(yīng)用結(jié)果就是醫(yī)學(xué)動畫技術(shù)。醫(yī)學(xué)動畫技術(shù)在在醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中產(chǎn)生高度融合，并得到發(fā)揚(yáng)。

（一）醫(yī)學(xué)動畫技術(shù)

醫(yī)學(xué)動畫技術(shù)是三維動畫人物設(shè)計技術(shù)與虛擬成像技術(shù)的成功結(jié)合，在醫(yī)學(xué)動畫中，兩種技術(shù)形成了有機(jī)的融合。醫(yī)學(xué)動畫被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)與醫(yī)學(xué)科普宣傳，它將復(fù)雜的醫(yī)學(xué)原理以形象化、直觀的方式用動畫影片的方式展現(xiàn)出來。一些很難用語言和實(shí)物來進(jìn)行表達(dá)的，將其制作成醫(yī)學(xué)動畫，可以把這些內(nèi)容以生動的形象直觀的展示出來。不管是在醫(yī)學(xué)教學(xué)，還是醫(yī)學(xué)科普宣傳中，都能夠生動的展示事物特征和本質(zhì)。

（二） 醫(yī)學(xué)動畫的概念及特點(diǎn)

醫(yī)學(xué)動畫是用于醫(yī)學(xué)科普以及醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的一種計算機(jī)動畫形式，它運(yùn)用計算機(jī)軟件，將嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、枯燥的醫(yī)學(xué)內(nèi)容進(jìn)行虛擬再現(xiàn)，同時醫(yī)學(xué)動畫也可以再現(xiàn)對象在時間和空間上的行為動作。我們把醫(yī)學(xué)動畫的特點(diǎn)歸納為以下幾點(diǎn)：

1.醫(yī)學(xué)動畫的造型“寫實(shí)”應(yīng)該符合醫(yī)學(xué)對象本身的要求。對醫(yī)學(xué)動畫對象進(jìn)行造型時，不能夠加入主觀的情感色彩，也不能夠抽象表達(dá)，造型沒有規(guī)則可循。例如不能把心臟畫成球形、不能把小腸畫成圓柱體等等。

2.醫(yī)學(xué)動畫的材質(zhì)“寫實(shí)”。醫(yī)學(xué)動畫比傳統(tǒng)三維動畫更加追求質(zhì)感的真實(shí)性，例如血管的材質(zhì)如果看起來像pvc，就會影響醫(yī)學(xué)動畫本身的可信度，這樣也就違背了醫(yī)學(xué)動畫制作的原則，所以“寫實(shí)”是醫(yī)學(xué)動畫設(shè)計的基本要求。

3.醫(yī)學(xué)動畫使用規(guī)范化的色彩表現(xiàn)。醫(yī)學(xué)動畫在進(jìn)行色彩的選擇時，通常會選擇世界公認(rèn)的顏色進(jìn)行設(shè)計，例如：人體動脈用紅色、靜脈用藍(lán)色、神經(jīng)用黃色、淋巴用綠色。

（三）醫(yī)學(xué)動畫的創(chuàng)作與設(shè)計過程分析

醫(yī)學(xué)動畫的創(chuàng)作過程要經(jīng)歷：選題、編寫文字稿本、導(dǎo)演構(gòu)思、分鏡頭設(shè)計、影音設(shè)計、鏡頭剪輯等。這個過程與普通動畫設(shè)計的過程極為相似，不同的地方在于，醫(yī)學(xué)動畫必須在醫(yī)學(xué)范圍之內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)的選擇。醫(yī)學(xué)動畫的選題目標(biāo)通常是那些用傳統(tǒng)拍攝方法不能實(shí)現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容，例如：病毒入侵人體的過程、人類身體器官病變的過程等；也常常拍攝用于對持續(xù)過長與過短的醫(yī)學(xué)過程進(jìn)行記錄，例如精子與卵子結(jié)合的瞬間；選定了拍攝對象，接下來就對文字稿本進(jìn)行準(zhǔn)備，與傳統(tǒng)動畫一樣，根據(jù)選題和目標(biāo)設(shè)定稿本并進(jìn)行分鏡頭設(shè)計。醫(yī)學(xué)動畫的制作過程步驟如下：

第一步，對象造型。利用三維軟件將對象的形象特征進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。對象的造型，既要忠于科學(xué)的真實(shí)性，具有“寫實(shí)”的特征，又要在寫實(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的美化。對于肉眼可以觀察，或者在顯微鏡下可以觀察到的對象，寫實(shí)描述的同時進(jìn)行美化，使其具有一定的藝術(shù)感染力。而對于肉眼無法觀察到的，或者在醫(yī)學(xué)上只能根據(jù)科學(xué)內(nèi)容構(gòu)造的對象，需要加入想象，對創(chuàng)作對象進(jìn)行虛擬，這樣的想象就帶有了創(chuàng)作的主觀性。

第二步，附材質(zhì)。任何一個動畫對象在創(chuàng)作好其造型特征后，都需要賦上材質(zhì)，對這些對象進(jìn)行更加寫實(shí)的表現(xiàn)。對于醫(yī)學(xué)動畫來說，材質(zhì)的賦予通常都要遵守其寫實(shí)性，盡量的表現(xiàn)對象的真實(shí)質(zhì)感。當(dāng)然，醫(yī)學(xué)動畫的材質(zhì)常常具有符號性。

第三步，構(gòu)圖。對于醫(yī)學(xué)動畫來說，其構(gòu)圖的時候應(yīng)該弱化藝術(shù)性，把動畫所要描述的主觀主體進(jìn)行構(gòu)圖，遵循主體、陪體和背景的原則來歸納和安排。

第四步，設(shè)計景深。景深與攝影技術(shù)中的景深概念相同，景深為醫(yī)學(xué)動畫賦予了一定的藝術(shù)品格，它使醫(yī)學(xué)動畫既脫離了二維動畫場景的失真性，又告別了記錄性質(zhì)影片的真實(shí)和枯燥，具有自身獨(dú)特的影像張力。

第五步，賦色。醫(yī)學(xué)動畫的賦色，不同于傳統(tǒng)動畫，采用的是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。例如動脈是紅色的，靜脈是藍(lán)色的，神經(jīng)是黃色的，淋巴是綠色的。

最后，渲染、剪輯和合成字幕等。

四、動畫人物設(shè)計與醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的相互滲透

動畫人物設(shè)計與醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的相互滲透，得益于計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。兩者在計算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)之上相互滲透、取長補(bǔ)短。我們從以下幾點(diǎn)來探討兩者之間的相互滲透，探尋兩者之間的聯(lián)系。

（一）共同構(gòu)造“虛擬人”的視覺形象

對于“虛擬人”的這個對象，計算機(jī)數(shù)字技術(shù)，幫助了兩者之間進(jìn)行融合。在運(yùn)用計算機(jī)和三維數(shù)字設(shè)計軟件對“虛擬人”進(jìn)行設(shè)計制作時，醫(yī)學(xué)成像技術(shù)為人體結(jié)構(gòu)提供了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫；醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中的“虛擬人”，則是借鑒了三維動畫設(shè)計技術(shù)中色彩、線條動畫的成果。這兩種技術(shù)系統(tǒng)都在試圖構(gòu)造出一個關(guān)于人體的龐大的數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫里的信息是關(guān)于人體的運(yùn)動、線條、色彩等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。人們可以通過人工操作，從而提取出符合審美視覺的視覺的準(zhǔn)確、清晰、生動的影像。在計算機(jī)技術(shù)的參與下，三維動畫的影像具有了科學(xué)思維的精確性，而數(shù)字化的人體醫(yī)學(xué)影像，也具有藝術(shù)的幻覺性。

（二）“虛擬人”的人體造型及其運(yùn)動設(shè)計的相互滲透

計算機(jī)數(shù)字顯示技術(shù)的出現(xiàn)改變了手工動畫在對人物設(shè)計時，依賴設(shè)計者的主觀經(jīng)驗(yàn)對其形體、輪廓、表情、動作進(jìn)行把握，而基于 X 射線透視的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，則是一次性的由化學(xué)顯影完成的，其身體影像既不具備清晰性的這種現(xiàn)狀。計算機(jī)數(shù)字技術(shù)中的三維動畫技術(shù)汲取了醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中的關(guān)于人體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動數(shù)據(jù)，使其成為人物造型中對骨骼、關(guān)節(jié)、蒙皮、動作捕捉的設(shè)計基礎(chǔ)。

醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)同樣的也注入了來自動畫技術(shù)系統(tǒng)的色彩、線條、光線生成方式，使得過去模糊呆板的人體影像成為具有互動特性的充滿了生氣的人體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動圖形，為醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)提供了一個嶄新的平臺 。

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