三維數(shù)字動畫在農(nóng)業(yè)科技上的應用研究

夏立偉

(成都大學美術與影視學院，四川 成都 610106)

三維數(shù)字動畫在農(nóng)業(yè)科技上的應用研究

夏立偉

(成都大學美術與影視學院，四川 成都 610106)

【目的】為推動三維數(shù)字動畫在農(nóng)業(yè)科研及成果上的應用，以順應農(nóng)業(yè)技術開發(fā)信息化的趨勢及需求。 【方法】以CAD、3DMax、Maya、Zbrush作為基本軟件，采用對比分析法對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)科技傳播方式與三維數(shù)字動畫傳播方式進行對比研究，并以細胞工程為例，研制了3個制作流程的技術方法?！窘Y果】在農(nóng)業(yè)信息化的背景下，農(nóng)業(yè)科技應用最新的三維數(shù)字建模、動畫、渲染甚至特效技術可以在最短的時間內(nèi)達到更全面、直觀的效果，并節(jié)約大量的資源及成本。其制作流程分為前期設計、中期制作和后期完善3個階段。其中，中期制作最為關鍵，技術路線遵循三維數(shù)字標準工業(yè)化的量化流程，由三維建模、設置綁定、動畫曲線、渲染效果等技術組成?！窘Y論】三維數(shù)字動畫的應用能夠在農(nóng)業(yè)科技的每個方面，特別是農(nóng)業(yè)科研及推廣起到事半功倍的效果。

信息化；數(shù)字化；農(nóng)業(yè)科技；三維數(shù)字動畫

【研究意義】在國家《“十三五”農(nóng)業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃》關于“農(nóng)業(yè)基礎性研究、技術開發(fā)信息化”和“健全完善農(nóng)業(yè)技術推廣體系推進方法創(chuàng)新”中，明確指出需加快農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新性、信息化建設。使用數(shù)字化、信息化的方式打造農(nóng)業(yè)科技，已經(jīng)成為一種創(chuàng)新型的技術，而三維數(shù)字動畫在農(nóng)業(yè)科技上的應用正是順應了這種趨勢?！厩叭搜芯窟M展】如全球最大的食品加工企業(yè)GEA集團，在其牧場奶牛擠奶、制冷存儲、自動飼喂、糞污處理、牧場設施、犢牛飼喂、牧場管理過程中大量運用三維數(shù)字動畫技術，并結合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)，解決了設計論證、標準制定、技術推廣、產(chǎn)品營銷等一系列難題。國外三維數(shù)字動畫制作機構如，F(xiàn)arm Guide、Push Creativity 、Cobra Designs 等專門為農(nóng)業(yè)科技服務而設計了大量的農(nóng)業(yè)科技類三維數(shù)字動畫。在國內(nèi)開發(fā)了包含沼氣的用途、沼氣池的建設，相關設備安裝，沼氣池常見故障，安全使用等內(nèi)容的“沼氣池建設及綜合利用的動畫”；包含果樹修剪的方法，樹干形狀、豐產(chǎn)形態(tài)，果樹結構特點等內(nèi)容的“果樹修剪動畫”；包含花卉品種特征、施肥灌水、病蟲防治等內(nèi)容的“花卉栽培動畫”；包含疾病癥狀、病變特征、病原微生物，預防方法等內(nèi)容的“家禽疾病動畫”等產(chǎn)品，聲像俱全、形象生動，提高了農(nóng)業(yè)科技研究的水平和成果的應用范圍及效果[1]?！颈狙芯壳腥朦c】對比傳統(tǒng)途徑，使用最新三維數(shù)字動畫技術在農(nóng)業(yè)科技上的應用，具備其明顯優(yōu)越性。同時，遵循三維數(shù)字動畫在農(nóng)業(yè)科技上應用的制作流程，可達到更佳表達效果。【擬解決的關鍵問題】本研究主要對三維數(shù)字動畫在農(nóng)業(yè)科技上的應用優(yōu)勢，如數(shù)字信息化、立體多維性、直觀真實性、微觀深入性、節(jié)約資源成本五方面進行對比。之后引入前、中、后三階段制作流程，以期為三維數(shù)字動畫在農(nóng)業(yè)科技上應用提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以農(nóng)業(yè)科技中常用的三維數(shù)字動畫軟件CAD、3DMax、Maya、Zbrush作為研究的基本軟件。CAD三維技術軟件是由美國研發(fā)的PRO/E軟件，雖然其功能不如UG強大，但是它為農(nóng)業(yè)科技設計了一個極其有價值的平臺，其中三維幾何造型系統(tǒng)的建立，具有獨特的使用優(yōu)勢。使用方便是其被廣泛應用于農(nóng)業(yè)包含農(nóng)業(yè)機械設計的主要原因[2]。

3DMax，由世界最大三維軟件公司Autodesk研發(fā)。主要優(yōu)點是易于上手，操作簡單便捷。該軟件在國內(nèi)外有著巨大的用戶群體，這些用戶群體在研發(fā)中積累了大量的資料庫, 其中涵蓋了多種生物體、農(nóng)作物、農(nóng)業(yè)機械以及農(nóng)業(yè)科技場景等。

Maya，同樣由Autodesk開發(fā)。目前市面上唯一的高端三維數(shù)字動畫軟件。其優(yōu)點是，工具齊全，功能強大，表現(xiàn)力強。由于其節(jié)點運算的便捷性，可以做到無局限性的三維數(shù)字動畫制作。同時，Maya強大的動力學、粒子、特效系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)科學研究的前期設計和論證也是有極高的利用空間及價值。

Zbrush，目前市面上最優(yōu)秀的三維數(shù)字雕刻軟件。通過雕刻可以在三維數(shù)字模型上表現(xiàn)出微小的細節(jié)。目前，農(nóng)業(yè)科技上應用的三維數(shù)字模型大多需要大量的模型細節(jié)表現(xiàn)，如動植物內(nèi)外部結構及特征、精密儀器及機械內(nèi)部結構等。

1.2 試驗方法

采用對比分析法，調(diào)查、收集、整理和分析國內(nèi)外三維數(shù)字動畫的應用案例，比較傳統(tǒng)傳播方法，如報紙、刊物、幻燈圖片等與三維數(shù)字動畫傳播方法的利弊。

1.3 試驗過程

以細胞工程為例，應用上述動畫軟件，將農(nóng)業(yè)科技三維數(shù)字動畫的制作流程分為前期設計、中期制作和后期完善3個階段，分別制定各階段的主要工作任務及技術方法。

2 結果與分析

2.1 三維數(shù)字動畫在農(nóng)業(yè)科技上應用的優(yōu)勢

2.1.1 數(shù)字信息化 三維數(shù)字動畫已經(jīng)實現(xiàn)全部數(shù)字信息化，能夠較完美融入到物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、空間信息、移動互聯(lián)網(wǎng)等中，這也順應了我國農(nóng)業(yè)科技信息化的大方向。數(shù)字信息化的三維動畫形式，是基于3DMAX等軟件平臺的一種交互式動畫設計產(chǎn)品。若采用矢量技術，它會具備文件較小、清晰度高、傳播速度快等特點，適合網(wǎng)絡傳播和共享。今后三維動畫視頻不僅成為互聯(lián)網(wǎng)的主要動畫形式，而且迅速的轉向了電視、手機、光盤、平板電腦等終端媒體，使這項數(shù)字信息化技術的用戶在任何時間、地點、使用任何設備，都可以訪問到三維動畫視頻?？梢?，這種技術突破了時間及空間的制約，在農(nóng)業(yè)科學技術研究及推廣中可以達到比較完美的效果。

2.1.2 立體多維性 三維數(shù)字動畫具有比文字、圖片更高效的信息傳遞能力，人們能夠更快速、更準確的接受信息。在科研方面，目前一些較尖端的農(nóng)業(yè)科研技術，如合成生物技術，研發(fā)中會出現(xiàn)大量基因、染色體、細胞、遺傳等方面的信息。這些信息一般都是非常復雜、甚至抽象的。人們通過傳統(tǒng)的語言、文字、圖表，需要花費大量的時間及精力來消化，且消化能力是建立在完善的知識體系基礎之上，所以接受的效果也是參差不齊。如果農(nóng)業(yè)研究融入這些信息，以三維數(shù)字動畫的形式表現(xiàn)出來，一般可以在很短的時間內(nèi)以立體多維視角來理解、消化研究過程或成果。目前，世界三大頂尖科研雜志《Cell》、《Science》、《Nature》都建立了相關的動畫、視頻發(fā)布網(wǎng)站，要求科研人員在提交論文的同時上傳相應研究數(shù)字動畫，幫助讀者理解。在農(nóng)業(yè)科技推廣方面，目前我國特別是農(nóng)村，大量從業(yè)人員知識文化水平相對偏低，農(nóng)業(yè)科技、特別是新技術的推廣難度較大。三維數(shù)字動畫的多維立體感及代入感，加上相應的配音及音效，正好克服了這些困難，讓農(nóng)業(yè)技術的推廣更簡捷高效[3]。

2.1.3 直觀真實性 三維數(shù)字動畫軟件，如CAD、3D Max、Maya、Zbrush等都能夠做到數(shù)據(jù)的相對準確。大量的科學儀器，特別是涉及到三維成像的科學儀器，如三維掃描儀，都能夠通過數(shù)據(jù)的形式將信息準確傳遞給三維數(shù)字動畫軟件。所有能夠測量到的數(shù)據(jù)都能夠在三維數(shù)字動畫軟件上面準確體現(xiàn)出來。而通過動態(tài)捕捉系統(tǒng)，可比較準確地把生物體特別是動植物、微生物的生命動態(tài)反映到三維數(shù)字動畫軟件中。在模型上，所有的三維數(shù)字模型的外觀尺寸、內(nèi)部大小都可以進行比較精密的調(diào)節(jié)?？赏ㄟ^細致的特寫和鏡頭回放突出生產(chǎn)技術環(huán)節(jié)，也可根據(jù)農(nóng)業(yè)科技研究應用的實際需求個性化定制[4]。在動畫上，所有的動態(tài)、時間、過程也可以進行較精密的調(diào)整。三維數(shù)字動畫軟件里都帶有粒子系統(tǒng)，使用高性能計算機可以模擬精密且大規(guī)模的變化、反應過程，如細胞分裂、營養(yǎng)組分消化消長、吸收及代謝過程，以及動植物生長過程等作用機制變化等。

2.1.4 微觀深入性 今天的三維數(shù)字動畫技術已經(jīng)突破了不少的局限，在一定范圍內(nèi)，人們能夠想象到的都可以通過三維數(shù)字動畫展現(xiàn)出來。借助于三維數(shù)字動畫軟件中的動力學及特效系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)科學家可以模擬液體、氣體、剛體、柔體、碰撞等一系列復雜且非常規(guī)的物理、化學變化。同時在三維數(shù)字動畫軟件中可以精確地設置研究環(huán)境中的重力、阻力、摩擦力、空氣密度等日常非常難控制的物理環(huán)境。通過放大，利用三維軟件觀察現(xiàn)實中精密儀器都無法達到的非常細微的粒子。使用延時技術，可以將很快的物理、化學變化速度放慢，方便人們體驗。而像合成生物技術、動植物天然免疫技術，科技人員可以通過POV鏡頭跟隨細微物體，進入機體內(nèi)部，觀察整個反應、變化過程。如地下土壤環(huán)境，植物內(nèi)部的生理和生化過程，危險性較高的設施場所，動畫視頻都可以通過虛擬形式展現(xiàn)出來[5]。

2.1.5 節(jié)約資源成本 三維動畫作為一種動態(tài)表達方式，既可以保證傳播的科學性，又可保證知識的嚴謹性，而且產(chǎn)品制作過程簡單靈活，內(nèi)容可長可短。使用三維數(shù)字動畫可以大量節(jié)約農(nóng)業(yè)科技上的研發(fā)、推廣產(chǎn)生的資源成本，如經(jīng)濟成本和時間成本。

圖1 農(nóng)業(yè)科技三維數(shù)字動畫制作流程Fig.1 Making process of 3D digital animation in agricultural science and technology

例如在科研的前期，使用三維數(shù)字動畫進行設計及論證，可以節(jié)約大量的實驗經(jīng)費成本。而在推廣這個階段，使用三維數(shù)字動畫技術可以打破傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)科學推廣模式，農(nóng)業(yè)科學技術推廣人員可以通過三維數(shù)字動畫在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、空間信息、移動互聯(lián)網(wǎng)上對農(nóng)民進行培訓和推廣，既節(jié)約時間又節(jié)約成本。

2.2 三維數(shù)字動畫在農(nóng)業(yè)科技上的制作流程

2.2.1 前期設計 從圖1可知，前期主要是農(nóng)業(yè)科技人員與動畫制作方溝通，確定主題、方向和內(nèi)容。在科研前期雙方可以用三維數(shù)字動畫來進行農(nóng)業(yè)科研項目的設計、論證和評價；對動畫制作方進行技術咨詢和技術培訓，移交相關資料、圖表等。如在農(nóng)業(yè)細胞工程中用三維數(shù)字動畫制作細胞的變化，農(nóng)業(yè)科技人員首先需要向制作人員協(xié)調(diào)溝通，闡明細胞的名稱、變化構成、內(nèi)部結構、運動規(guī)律等等，并提供簡易平面細胞圖例(圖2～3)[6]。

2.2.2 中期制作 中期制作為最復雜的階段，可使用三維數(shù)字動畫來描述研究的內(nèi)容、技術路線和技術流程。制作方在農(nóng)業(yè)科技人員協(xié)調(diào)溝通前提下制作內(nèi)容，在實際制作中還要隨時隨地與相關農(nóng)業(yè)科技人員保持密切聯(lián)系。中期制作一般遵循三維數(shù)字動畫的標準工業(yè)化量產(chǎn)流程，首先是制作所表達內(nèi)容的三維模型；其次將制作好模型賦予材質(zhì)、貼圖，如果需要變形，則需設置骨骼系統(tǒng)，制作控制器，繪制權重等，即統(tǒng)稱為設置綁定；第三將已有的內(nèi)容根據(jù)鏡頭的先后順序預先設置在場景中，并且賦予場景燈光；第四，根據(jù)生物體的運動規(guī)律，按實際生長發(fā)育情景設置動畫關鍵幀，調(diào)節(jié)動態(tài)曲線；最后，設置渲染參數(shù)，進行渲染。如制作方根據(jù)前期雙方達成的研發(fā)方向和內(nèi)容、要求、示例制作模型，賦予材質(zhì)(圖4)；最后將已有模型設置變形器或者骨骼系統(tǒng)，進行綁定，制作動畫，并且渲染(圖5)。

圖2 動、植物細胞亞顯微結構Fig.2 Submicroscopic structure of animal and plant cell

圖3 真核細胞Fig.3 Eukaryotic cell

2.2.3 后期完善 制作后期主要是進行剪輯、合成等工作(圖1)，同時加入文字、音樂、音效，可以使用三維數(shù)字動畫來總結研究創(chuàng)新性、先進性、使用價值、推廣領域等。全面評價已初成的動畫內(nèi)容及效果，修改制作中不足和紕漏的地方。整個流程需要農(nóng)業(yè)科技人員與制作方再次密切的溝通與配合，全面系統(tǒng)地對其動畫進行審定評價。在保證科學嚴謹?shù)耐瑫r，也要保證整個動畫的直觀性，在此基礎上，確定農(nóng)業(yè)科技成果的推廣應用。如細胞的動畫制作完成后，與農(nóng)業(yè)科技人員一起進行修改完善。最后加入標題、字幕、配音等。輸出可播放數(shù)字格式，將動畫結果交付農(nóng)業(yè)科技方(圖6)。

圖4 動、植物細胞模型及材質(zhì)Fig.4 Modal and material of animal and plant cell

3 討 論

計算機硬件及計算機圖形學技術的進步，帶動了三維數(shù)字動畫接近30年的高速發(fā)展。它借助圖像與圖形處理技術，動畫制作軟件或者計算機編程等將靜止或者運動的物體，內(nèi)外結構、特征面貌、環(huán)境生態(tài)、或者動植物的細胞形成、生長發(fā)育、衰老成熟等以立體逼真的動態(tài)虛擬方式表達出來，使農(nóng)業(yè)科技工作者和農(nóng)民身臨其境、耳目一新。目前，這一技術已經(jīng)逐漸滲透到生產(chǎn)生活以及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務業(yè)、管理等每一個領域。在西方發(fā)達國家，三維數(shù)字動畫在農(nóng)業(yè)科技上的應用已經(jīng)扮演了非常重要的角色，而我國在這方面的研究及應用相對較落后，大多數(shù)農(nóng)業(yè)科技工作者在農(nóng)業(yè)科學研究、農(nóng)業(yè)技術推廣等方面仍然較多使用的是較傳統(tǒng)的方式、方法，如報紙、刊物、幻燈圖片等等。

圖5 真核細胞內(nèi)部動畫序列幀渲染Fig.5 Effective picture of inner animation sequence frame of Eukaryotic cell

圖6 最終農(nóng)業(yè)生物工程三維數(shù)字動畫效果Fig.6 3D digital animation effect of ultimate agro-biological engineering

近年來，隨著成像技術、虛擬仿真技術的高速發(fā)展，創(chuàng)新性的數(shù)字動畫技術運用到農(nóng)業(yè)科技上已經(jīng)不再是設想和計劃。今后，三維數(shù)字動畫技術與3D打印技術、三維激光掃描技術、三維成像系統(tǒng)、立體成像技術、以及動態(tài)捕捉技術廣泛的結合，在農(nóng)業(yè)科技上的運用會逐漸增多，使農(nóng)業(yè)科技的研究和推廣更上一個臺階。國際上把2016年定為虛擬現(xiàn)實(VR)元年，目前已有的虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)趨于成熟。虛擬現(xiàn)實的沉浸式體驗、交互性與自主性都能夠與農(nóng)業(yè)科技相互配合。一套低成本的虛擬現(xiàn)實頭盔加一臺電腦，就能夠?qū)⒂脩魩霃V袤的農(nóng)業(yè)科技世界。所以，借助于三維數(shù)字動畫，將虛擬現(xiàn)實技術與農(nóng)業(yè)科技相結合也是一個非常理想的模式[7-8]。增強現(xiàn)實(AR)技術，通過三維數(shù)字動畫可以跟實際的農(nóng)業(yè)科技成果、展品(如作物、動物、微生物、化學原料、機械等等)結合[9]，增強農(nóng)業(yè)科技的內(nèi)容表達及附加值，寓教于樂，達到較好的展示、培訓、推廣等效果。

4 結 論

三維數(shù)字動畫能夠在農(nóng)業(yè)科技的每一個方面得以體現(xiàn)，可以起到事半功倍的效果。同時，順應了農(nóng)業(yè)科技發(fā)展信息化的浪潮，與農(nóng)業(yè)科技的結合已經(jīng)是大勢所趨，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。所以CAD、3DMAX、MAYA等三維數(shù)字動畫軟件及其創(chuàng)新技術在農(nóng)業(yè)科學研究和農(nóng)業(yè)成果推廣等方面的應用必定具有廣闊前景。

[1]馬巧娥. 基于三維動畫視頻的農(nóng)業(yè)科技推廣模式創(chuàng)新與探索[J]. 陜西農(nóng)業(yè)科學, 2014, 60(10): 99-100.

[2]劉 莉. 淺談機械設計中三維動畫創(chuàng)作與應用[J]. 核動力工程, 2003, 24(2): 190-192.

[3]Mcclean P E, Johnson C, Rogers R, et al. Molecular and Cellular Biology Animations: Development and Impact on Student Learning[J]. Cell Biology Education, 2005, 4(2): 169-179.

[4]Huk T, Steinke M, Floto C, et al. The Educational Value of Visual Cues and 3D-Representational Format in a Computer Animation under Restricted and Realistic Conditions[J]. Instructional Science, 2010, 38(5): 455-469.

[5]Newman R, Bussard N, Richards C J, et al. Integrating interactive 3-D diagrams into hypermedia documentation[C]. International Conference on Design of Communication, 2002: 122-126.

[6]Sharpe J, Lumsden C J, Woolridge N. In Silico: 3D Animation and Simulation of Cell Biology with Maya and MEL[M]. Morgan Kaufmann Publishers Inc., 2008.

[7]Yu F, Zhang J, Zhao Y, et al. The Research and Application of Virtual Reality (VR) Technology in Agriculture Science[C].Computer and Computing Technologies in Agriculture, 2010: 546-550.

[8]靳潤昭, 王兆毅. 虛擬現(xiàn)實及其在農(nóng)業(yè)上的應用[J]. 天津農(nóng)學院學報, 2001, 8(2): 27-32.

[9]劉 明. 移動增強現(xiàn)實跟蹤技術及在農(nóng)業(yè)展示中的應用研究[D]. 西南大學, 2014.

(責任編輯 李 潔)

ApplicationResearchof3DDigitalAnimationinAgriculturalScienceandTechnology

XIA Li-wei

(Academy of Arts and Films, Chengdu University, Sichuan Chengdu 610106, China)

【Objective】 The application of 3D digital animation in agricultural scientific research and achievement popularization meets the need of agricultural science and technology development. 【Method】 With the basic 3D software such as CAD, 3DMax, Maya, Zbrush, the comparative study of traditional agricultural science and technology transmission and 3D digital animation transmission by using comparative analysis takes cell engineering for example to develop distinctive three production process. 【Results】Under the agricultural informatization, the use of latest three-dimensional digital modeling, animation, rendering and even special effects technologies to agricultural science and technology can achieve a more comprehensive, real and intuitive result than the traditional way, and the use of three-dimensional digital animation will save a lot of resources and costs in research and extension of agricultural science and technology. The production process is divided into three sections: pre-production, production and post-production. Production is the most critical section. The technology pathway follows the 3D digital process quantification as: modeling, set-up, animation, rendering, etc. 【Conclusion】 The application of 3D digital animation can achieve better a result in every aspect of agricultural scientific research, especially in achievement popularization.

Informatization; Digitization; Agricultural science and technology; 3D digital animation

S12

A

1001-4829(2017)11-2590-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.11.034

2017-04-24

國家青年社科基金項目(14CC106)

夏立偉(1985-)，男，四川西昌人，碩士研究生，講師，主要從事三維動畫及視覺互動學等方面的研究。