交互式三维动画的制作生成教学研究

符俊霞

（周口师范学院 美术系，河南 周口 466001）

首先，对于交互式三维动画的认识和理解不能仅仅局限于过去的草图设计模型，交互式三维动画制作不仅有基于草图的三维动画制作，还有其他一些比较新型的技术，比如基于样例的三维动画制作.交互式三维动画制作，可以满足在设定的动画风格的基础上，融入一些新的元素或者创作灵感，交互式三维动画制作具备众多的优点，与传统的动画制作技术相比，交互式三维动画制作具有明显的优势和推广的意义.

第一，IK技术在交互式三维动画制作中的运用.

IK是动画制作最常用的技术之一.除了IK，动画制作的技术还有FK.IK（inverse kinematics）和FK（forward kinematics）是用来控制skeleton的运动轨迹，但是两者的区别在于IK可以根据已知的目标计算空间joint的旋转而FK则是旋转靠近目标因此相比较起来，IK技术有更加精确的目的性，交互式三维动画制作最常用到的技术也是IK技术.IK(inverse kinematics)对交互式三维动画制作有着极其重要的作用.IK的工作原理其实不难理解，首先，通过建立三维立体动画的骨架，其次，在大概的骨架模型上，进行精确的成形和模型雕塑.它具体的工作流程如图1展示：第一，首先要建立骨骼结构(如图1(a)所示)，骨架结构会直接关系到动画成形的后续工作，骨架三维动画模型的基础，骨架结构的优劣会直接影响到三维动画的最终成形情况.而所有的三维动画制作又都起源于基本的骨架结构.第二，继续调整骨骼结构，进行精确作业(如图1(b)所示).第三，最终可以通过前面完成的，骨节结构，然后利用骨骼驱动模型,如图1(c)所示.IK技术工作流程中，一个比较关键的问题是，IK在设定关节结构时，因为数据复杂，处理麻烦，而且骨架结构既复杂又不直观，所以，在关节结构构架和建设方面需要花更多的时间去精确参数，另外，还需要花大量时间做好参数设置和记录.现在，科学技术越来越成熟，三维动画的骨架结构建设方法越来越多，比如一种，新型的技术，它是基于网格的逆向运动学(mesh-based inverse kinematics)来设计骨架结构，它在IK技术的基础上，对相关细节的把握更加到位，因为它是利用一些样例网格来隐含地确定各种约束条件，可以让设计者通过直接操作网格顶点的方法，来改变网格，然后在对骨架或者对象进行姿态，状态，形状以及关节细节的精确修改.总的来说，利用IK技术配合逆向运动学原理，是交互式三维动画制作的核心技术，三维动画的制作效果跟IK技术的恰当运用息息相关.可以说，掌握IK技术才是三维动画制作的第一步骤.

第二，源ROI映射到目标ROI.

映射过程是交互式三维制作的一个核心，也是基于样例生成三维动画的一个重要步骤.所谓映射其实就是指从源ROI映射到目标ROI的过程.一般情况下，基于样例的三维制作，会先找到合适的源ROI,并且生成数据，存在相关软件或者动画制作设备中，然后进一步设定目标ROI，并且生成目标ROI.在生成源ROI和目标ROI后，接下来的工作，就是把源ROI映射到目标ROI的过程.而这个映射过程的指导思想其实是，把图纸作为一个介质，也是作为一个参考模型，所有的源ROI要映射到目标ROI过程时，要依赖于图纸上这个中介来实现.实现过程其实就是，让所有源ROI上的网格顶点实现变换，而变换要依赖于源草图的变换，这时候图纸中介的作用就发挥出来了.然后，在进行下一步步骤之前，还要预先对源ROI和目标ROI的方向进行必要的调整.否则源ROI变换的结果要传输到目标ROI时，会出现一些错误或者问题.在对源ROI和目标ROI的方向进行一番调整之后，就可以开始进行下一个步骤.上述源ROI和目标ROI的方向调整比如，例如图6中，马首的方向应该与骆驼头的方向一致.图6简易地表现了通过草图把马腿映射到骆驼腿上面的实现过程.而源草图和目标草图在图6的Source和Target上分别都用折线来表示.V代表源ROI上的网格顶点,相对应地在草图上用点Vp,Vp来表示，并且利用函数f的作用映射到目标图纸上.即V-p的过程,映射的函数式表示为：f(Vp)→Vp.同样地，源ROI的网格顶点坐标值V也采用类似的函数f来表示,其结果为V-,如图6所示.接下来是探究函数f的实现方法，可以通过4步来完成源草图的映射函数计算.第一，通过平移手段，使得源草图的起点Os与目标草图的起始点Ot保持重叠，并且重叠点记作O,如图7(a)所示.平移矢量即Ot-Os.第二，对源草图进行缩放操作，使|OE2|=|OE1|,如图7(b)所示.第三，对源草图进行旋转操作,让源草图的终点E2与目标草图的终点E1重叠，并重叠于点E(如图7(c)所示).旋转的坐标轴位于点O上且垂直于平面OE1，E2,如图7(b)箭头所示.旋转的角度A=∠E2OE1。第四，微调源草图.对草图上的任一点,如图8(a)的Vs,并且用标准化的弧长l来表示:首先从起始点沿着草图计算到此点的长度,然后除以草图的总长度获取标准化的弧长,控制取值范围在0到1内.每个草图上的点V都可以计算出对应的参数l(V).对源草图上的点Vs,其参数是ls,在目标草图上找到参数等于ls的点Vt,如图8(b)所示,它的参数也是ls,然后平移Vs到Vt.对关联到Vs的源ROI顶点用同样方式处理，图8(c)中框架线是映射后的源ROI,另一个就是目标ROI.

图6

图7

图8

第三，交互式三维动画的可视化模型.

交互式三维动画的可视化模型是直接提供给用户直接的视觉体验的方式，可视化模型有利于帮助用户与设计作品产生空间数据之间的连接，进而产生一系列的理解和优化.可视化模型在交互式三维动画中是重要的，首先体现在，可视化模型不仅能够实现数据或者对模型信息的输出，还能够实现与用户的交互.一般来说，对于大部分用户来说，更加注重在信息交互这个方面.因此，可视化模型要能够实现动态的修改设计环境.GIS这种模式下的可视化模型能够很好地实现这个既输出信息又实现交互，方便操作的功能.因此，GIS中的三维动画，被广泛地运用于三维动画制作技术.它不仅能够实现譬如制造仿真环境，洪水淹没，火灾形成等复杂的三维动画模型，而且它还能够在模型的基础上，对数据或者相关信息进行分析和记录.以下图为交互式三维动画的可视化结构.

第四，模型数据的控制.

交互式三维动画制作生成过程中，对数据的把握是至关重要的，三维空间的数据，网格顶点的准确定位，以及一些数据计算过程中的精确度，还有一些控制点的数量控制，都会直接影响到三维动画模型的最终形成，比如，控制点的把握上，最好控制在2～5个为最佳，太少的会不能够完成模型的制作，太多的话又会影响数据的计算和测量，还会加大工作难度.一般来说，2～5个控制点就可以满足交互式三维动画的操作，控制点的选择和数量控制对三维动画操作有很大的影响.另外，控制点的选择应该要保持一定的距离性，而且要尽量满足相对分散的条件，越分散，控制点之间的影响越小，而且控制点越分散，采集的数据才不会过于集中，影响到数据采集的精确和代表性.最后，还要注意，每个控制点的操作方式应该满足不同的操作方式，最好是满足不同控制点的操作方式具有独立性，操作方式不同将会影响到三维模型制作中的一个操作，比如目标网格的移动和目标ROI的变形的状况也会受到影响.所以说，交互式三维动画制作要把握好对数据的控制力度，数值的准确度在三维模型制作中是至关重要的，有效的数据控制和操作控制才能够确保三维模型按照理论设定方向发展，才能够达到预期设定的模型目标.数据约束在交互式三维动画模型制作生成中的重要意义决定了，在实际的教学或者实验操作过程中，应该要保持严谨的态度，和细心，专注的精神，来完成实践操作.

总的来说，交互式三维动画的制作生成要抓住几个教学重点，比如上面提到的可视化模型的问题，以及源ROI到目标ROI的映射.另外，动画的设计效果受到很多因素的影响，但是，教学应该以主要影响因素为主，并且强调它的重要性.对于三维动画制作，可以用来制作的开发软件很多，在众多的三维动画设计软件中，应该正确地选择一款功能全面，并且能够实现与用户进行信息交互的软件，比如上面说到的采用GIS软件，它就是针对三维空间和信息数据为重点，而且是以数据为基本的，采用GIS技术可以弥补很多二维或者三维模型中存在的不能实现信息交互的缺点.另外，IK技术在交互式三维动画制作中，是一个重要的技术，这项技术也是三维动画制作的基础，只有牢牢掌握这项技术，才能够熟练地完成相关三维动画的制作.

〔1〕王静秋,王国忠.基于Java 3D的交互式三维动画的研究[J].计算机技术与发展，2011(09).

〔2〕樊宇.三维动画制作中关于角色装配技术与角色动作规划探讨[J].科技资讯，2011(31).

〔3〕劳秀霞,柯略.基于3Dmax的三维动画角色建模探析[J].科技传播，2011(04).