多媒体设计中三维技术在古代发明展示中的应用研究

张圆惠　王少龙

摘要：数字化时代下，三维技术凭借其超强的视觉效果和真实的画面感等特点，逐步成为多媒体设计创作中的重要技术手段。无疑，三维技术能使人耳目一新。借助三维技术能还原再现古代科技成果，创造令人惊叹的视觉特效和真实的感受。本文将围绕多媒体设计及三维技术的优良特性及两者相互关系，结合我们团队设计创作的古代科技多媒体作品为例，分析三维技术在古代发明展示中的应用。

关键词：三维 多媒体设计 古代发明 交互 科技

中国古代科技博大精深，发明成就卓越辉煌、琳琅满目，无不渗透出中国人超凡的动手能力和聪明智慧。陈列在博物馆中的发明往往被要求“请勿触摸”，而大量复杂且抽象的结构、工艺以及玄妙的原理也让学习者感到茫然。但是，借助于三维技术手段的多媒体设计能为古发明爱好者提供另一条学习途径。本文将以我们团队设计创作的古代科技多媒体作品《旋转的智慧》为例，分析三维技术在古代发明展示中的应用。作品以多媒体技术为依托，整合科普科教书籍中的信息资源，把发明物进行了三维仿真建模，人们可以360度观察操作古代发明的结构，体验古代发明的操作原理，并配合图文注解全方位了解古代发明，掌握古代科技文化。

可以说，多媒体设计实现了古代科普知识的科学性和趣味性，人们可在交互体验中，得到透彻的讲解；三维模拟技术渲染出精良的三维立体模型，避免了图片的平面单一性，表达的效果更加真切，使人马上下意识地投入和沉浸在科技的学习和探索之中。

一、多媒体设计及三维技术简介

多媒体设计是在科技发展日新月异的信息时代，由于计算机技术对人类生活的介入和影响而产生的一种新的设计艺术语言，也叫多媒体艺术设计，就是利用多媒体，以计算机为中心的多种媒体作为工具来设计作品，这些媒体包括文本、图形、动画、静态视频、动态视频和声音等，并且人们在接受这些媒体信息时具有一定的主动性、交互性。而它的最大特点就是交互性，交互性其实就是用户在某种程度上的参与，从另一种角度而言，多媒体就是通过硬件、软件、设计师和用户的参与这四项来共同实现的高技术性艺术作品。

多媒体设计是艺术与科学交汇融合，以艺术形式表达科学，以科学方式体现艺术，艺术的韵味与科学的严谨相互辉映。比如在我们团队的古代科技多媒体作品开发过程中，不仅要遵循科学技术的规律，更要挖掘艺术设计的感觉，把所要表达的各种媒体信息进行整理，建立起信息与视觉、听觉特效的新局面。多媒体的设计，不仅要了解多媒体设计的特点，设计的思路和方法，也要掌握一些技术手段的使用。

三维技术就是多媒体设计中非常重要的一种技术手段，是一种可以在计算机虚拟世界中展现出（x，y，z）三轴坐标图像的技术。通过三维软件可将现有平面图形转化为立体模型，打造逼真的物体或环境，模拟实物造型，还可根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，让计算机自动运算，生成三维动画。它给人们带来了全新的视觉刺激和享受，实现了过去无法想象的特技效果。三维技术以其超强的特效功能及亲和力深入到各个领域，计算机硬件技术的突飞猛进也推动了三维软件的不断进步，其中最具代表性的软件是3DsMax。3DS Max是相对比较成熟的效果图和动画制作软件，自它诞生以来，就—直受到三维技术人员的极大青睐。尽管它多数运用于动画制作软件，同时也被用于制作单幅的静态效果图。3DS Max拥有多边形、样条线等建模方式，能够实现低精度和高精度的模型制作，可以方便地模拟出任意复杂的材质，并可以方便地模拟各种灯光效果。

三维技术的发展为多媒体设计领域带来了新革命，显示出了强大的技术优势和生命力。在设计过程中需要不断地把设计师头脑中想象的设计方案用通俗易懂的直观方式表达出来，从而方便设计师与非专业的人士进行交流。用三维技术作出一系列的三维效果图，可对设计方案进行逼真地表现。可以说三维技术在传达设计信息、表现设计效果有其现实的应用价值。

二、应用三维技术展示古代发明的优势

古代科技具有一定的历史性，并不容易被大众所渗透理解，传统文字上的获取知识的途径并不能全面地掌握堆砌的理解，而多媒体设计的形式可以从综合利用技术与艺术使人全方位掌握新知。多媒体设计在表现形式上丰富多样，突破了过去的展墙、图片、文学及灯光等静态展示手段，以动态的方式，更加直观、直体、形象、生动、全面和艺术地展现在参观者面前，通过人机交互实现了人们与作品的互动，完成了從单纯使用到体验良好的转变，使人留下深刻印象。借助三维技术实现古代发明的结构和原理形象而准确的展示，便可将抽象难懂的科学知识生动形象的表现出来，三维技术75面为多媒体设计中古代发明的展示提供了行之有效的新手段，提高了学术研究和展示手段的科技含量，另75面也增加了展示艺术效果，把原来只能通过照片或者亲自到实地才可以参观的古代发明，用一种艺术与技术相结合的全新手段展示出来，使高深枯燥的科学知识充满趣味性，能够吸引更多受众，向全人类展示我国悠久的古科技文化。下面将以我们团队制作的多媒体作品《旋转的智慧》为例，分析三维技术在古代发明展示中应用的优势。

《旋转的智慧》是一部古代科技题材的多媒体设计作品，体现了艺术与科技的融合，强调表现手法、交互设计和界面设计的个性特色，特别是三维制作水平及其对内容的表现力。在该部作品的总体设计中，大量制作运用了三维模型、三维动画，充分表现了四件以“旋转”为核心原理的巧妙科技发明，即走马灯、空竹、风扇车、龙骨水车。这些发明曾产生重大影响，推动世界文明的进步，有些甚至影响至今。史事本身无可争议，但是古文献记载微言大义，绘图简略，难以理解其复杂结构和原理。通过三维模型、三维动画表现，形象生动，使读者一目了然。同时，每项成就配有相关图片和详细的说明文字，给读者以全貌。

三维建模通俗来讲就是利用三维制作软件，通过虚拟三维空间，构建出具有三维数据的模型。本作品中的古代科技发明就是采用了三维建模的方式来展示的（图1），—方面360度展示逼真形象的发明物，摆脱了实体场馆参观的枯燥与乏味；另—方面，也保证了文物发明的安全与保护。以其中一件古代发明走马灯为例，走马灯是我国古代的—项灯具发明，它既是一种照明器具，又是传统节日的应时之物，它的发明，从科学技术发展史来看，可以说是现代燃起涡轮机和投影技术的萌芽。中国历史博物馆虽有实物陈列，然而观众只能见其外貌，难窥其内部机构。科学史著作有剖视图，但属静态描绘，一般读者看后仍不甚了了。现在用三维建模表现其结构，则有全新效果：走马灯外形为四方形，外框为木质，主体结构由灯芯、灯架组成，内部活动部件被外层灯壁挡住，无法查其究竟。通过走马灯的三维建模与人机交互，操作者可以手动旋转、拆分灯体，灯体可从任意角度观看外部与内部，每一部分都可单独仔细观察，知其连接方式，并配以详细文字解析与细节图，使浏览者真正获得了无障碍了解。

三维动画是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一项新兴技术。三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现对象的形状尺寸建立模型及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其他动画参数，最后按要求为模型赋上特定材质，并打上灯光。当这一切完成后，就可以让计算机自动运算，生成最后的画面。本作品大量使用三维动画来表现科技发明物的运作原理（图2），比单纯的图片展示与文字描述要生动形象的多。

走马灯的原理很是巧妙，一是利用热空气上升为动力，带动叶轮转动；二是巧妙利用光线直线传播原理，投影纸剪人马图像于灯壁。传统的图文描述并不能清楚形象地表现的十分到位，而借助三维动画来表现则达到生动直观的极佳效果：首先用鼠标手动点燃灯内蜡烛，然后动画演示，灯体内的空气受热后向上流动，上升的热空气经过纸屏顶上的叶轮，对叶轮上的叶片产生了推力，使得叶轮转动，叶轮连接在转轴上，因此把纸剪人马带着转动起来。烛光沿着直线传播，被纸剪人马挡住的地方光线不能通过，在灯壁上便形成了人马投影，通过三维动画演示，读者对走马灯的工作原理可有较好的直观理解。

三维技术是这部多媒体设计作品中主要的表现技巧，同时为使内容与形式的协调统一，并使科技与文化很好的融合，图文处理与界面设计的表现也有细致推敲，好的界面设计一定是内容提示和艺术效果的有机结合，并充分展示出个性特色。在界面的设计上，不仅突出内容特色，而且给人以睿智巧妙的视觉美感。冷峻睿智的科技色彩配以古代科技机巧构造线条元素完美结合，表现智慧的蓝色与科技发明的木质形成了冷暖对比，科技矢量抽象元素与发明物的实物图又体现了虚实对比。同时，界面设计也与三维技术相辅相成，简约的设计风格有利于三维技术的表现。

凭借其良好的视觉效果及生动的画面感等优势，三维技术为古代发明的展示开辟了新途径，这无疑是一种最直观、最便捷、最见效的方式。面对高深而复杂的古代科技，三维技术使人们在了解古代发明的过程中有了更真实的体验，给学习者提供了全方位学习的可能。

三、结语

三维技术營造的模型与动画真实客观，人们可以任意想象所需要展现的细节，通过虚拟环境来得以实现。在古代科技多媒体作品中，该技术可以通过模拟科技发明的结构原理，同时让人们得到更真实的感受，并从中学到相关的古代科技科普知识。

此外，三维技术具有可重复使用性和可传播性。在传统科普宣传活动中，由于发明物的限制和科技发明本身的特点，许多演示活动将具有很大的局限性和带来一定的资源消耗。而通过使用三维技术模拟再现，可以使科技学习过程和场景具有可重复多次使用的特点。

多媒体设计使人们享受在生动活泼、形象趣味的体验中。利用三维技术等现代多媒体技术展示古代发明，普及科学知识，宣传科学思想、倡导科学精神，是一次成功的尝试。可以说，多媒体使科技学习不再乏味单调。信息时代为古代科技知识的普及提供了如三维技术等这样新的载体和新的方法，我们要与时俱进，在实践中探索新的多媒体发展创新规律，将三维技术充分应用于多媒体设计工作中，以最直观、最便捷、最见效的方式，向公众传播诸如科学知识、科技成果这样的珍贵文化，以最快的速度缩短各方面知识文化与公众之间的距离，使信息传达更富有时代气息。