理性思維在動畫設計中的教學意義

三維動畫技術是20世紀創立和發展起來的一種藝術形式，它讓藝術家展現了運動中的三維世界。隨著當今科技的飛速發展，三維動畫技術也在不斷的發展，Maya軟件是一個三維動畫系統，它允許藝術家扮演導演、演員、場景設計和電影攝影師等多個角色，它迎合了很大范圍的數字內容制作者的需求，但它的技術含量很高，所涉及的知識范圍也很廣，要想完成一個完美的動畫作品，不僅需要有藝術的思維同時也需要理性的思維。現在很多高校都開設的Maya的相關課程，但大多數的教學都從藝術設計的角度來進行三維設計的教學，本文主要從技術實踐的角度來分析理性思維在三維動畫設計中指導意義，探討如何將相關的數理知識融入到三維動畫軟件的教學中，從而培養學生的理性思維和創造能力。

1 Maya軟件的技術特點：

Maya軟件集成了Alias/Wavefront最先進的動畫及數字效果技術。它不僅包括一般三維和視覺效果制作的功能，而且還與最先進的建模、數字化布料模擬、毛發渲染、運動匹配技術相結合。Maya可在Windows NT與SGIIRIX操作系統上運行。在目前市場上用來進行數字和三維制作的工具中，Maya是首選解決方案。它的技術特征是分模塊：如建模、一般動畫、角色動畫、動力學、渲染、運動匹配、集成性與輸入／輸出，等等。

Maya的基本結構是基于節點，Maya中的節點是最小的單位。每個節點都是一個屬性組。節點可以輸入，輸出，保存屬性，改變任意一個節點就可以改變角色的結構等(圖一)，如在使用Maya進行三維制作時，所有操作都以各種幾何形狀，各種色彩的形式出現在品目上，但這些都不是真實存在的，而是由計算機虛擬出來的東西。在這些虛擬物品的背后起支持作用的是數學計算。在操作的過程中，軟件系統將用戶輸入的指令，通過一系列計算轉換成屏幕上可視的內容，但并不是所有的計算過程都是同時完成的。整個計算過程會分成一些小的單元，這些單元相互關聯又相互獨立，每個單元會完成一些計算步驟，形成一個相對獨立的任務，然后將計算結果交給下一個計算單元進行進一步處理。節點就是這種計算單元。節點有輸入屬性和輸出屬性，能完成相對獨立的計算功能。這一切的計算過程都是基于與數理相關的理性思維的。

2 理性思維在三維動畫技術中具有指導意義和教學意義

眾所周知，動畫技術是與時間有關的，角色可以通過藝術的手段設計出來。如何使設計的角色活起來，動畫制作者應對時限(timing)的把握有很好的理解，這種技術的把握應具有數理方面的理性思維來完成。圖二為人運動的實例圖，它反映了三維動畫技術不僅需要藝術設計的知識、計算機技術知識，更需要精確的演繹思維即理性思維，在發展理性思維的基礎上，發揚感性思維。

因此，在三維技術的教學中，有效地培養學生的理性思維是完成教學的一個重要環節。

3 如何培養學生的理性思維

在三維藝術教學中，我們經常提到的思維一般包括分析、歸納、記憶、判斷與想象等要素。從表象上看，三維創作帶有直觀的感性特征，但內在的意義則積淀了大量的理性要素。嚴謹的理性是三維設計的基礎，現在藝術院校中，往往忽視理性的思考。例如我們的世界里時時刻刻離不開數學和物理這兩門基礎科學，在Maya中也充分體現了對這兩種科學的運用。我們在三維制作中，很多動畫都需要進行理性分析，才能做出符合現實狀態的逼真動畫。例如圖三的齒輪運動，我們必須在分析齒輪系統的基礎上，運用齒輪原理及相關的數學表達式，才能制作出一個合理的齒輪的運動動畫。

因而，教學中，如何啟發和引導學生運用理性的方式來思考和設計動畫，便成為我們在三維技術的教學中的首要任務。這里我結合齒輪轉動的教學實例來探討將數理知識融入到三維動畫的教學中，

首先，通過分析齒輪原理，會發現在同一個傳動系統里無論齒輪多大，具體到一個單獨的齒牙和齒口的尺寸是相等的，在齒輪運動時可以得出大小齒輪轉動經過的弧長是相等的，根據弧長公式得出大小齒輪轉動的角度之比就是他們的半徑之比。該公式是Maya軟件的編程的理論依據。

旋轉角度/360度＝旋轉的弧長／圓的周長

其次，根據弧長公式得出大小齒輪轉動的角度之比就是他們的半徑之比。

最后，根據上面的公式我們就可以在Maya的腳本編輯器中輸入以下表達式就可以實現模擬現實中齒輪轉動的效果。

Gear_23_01.rotateZ=-Gear 37 01.rotateZ/(7.309444/11.772555)；

從上面的例子我們可以看出，整個教學過程先從齒輪轉動的物理特性入手，目的是訓練學生的理性分析、歸納、判斷能力，從而進一步完成三維軟件的動畫編程，而實現這一動畫的過程結構是基于節點網絡的，是建立在精確的理性計算基礎上的。這樣動畫設計可以通過文件公式進行傳遞，也就是說教學中訓練學生的理性思維，可以幫助學生在動畫設計過程中研究物體的客觀運動規律，通過現有的條件，根據現有的理論方法求解，尋求合適的方法來完成設計。當然，在設計過程中也要使用一些感性方法，而這些感性思維也是建立在現有理性思維成果基礎上的。像前面講的齒輪運動和人運動都是依據客觀規律的，而不是想當然設計的，否則制作出的動畫作品就不符合現實了。

空間中兩點之間的距離的公式就是著名的畢達哥拉斯定理。

L²(X₂-X₁)²+(Y₂-Y₁)²+(Z₂-Z₁)²

這樣的復雜公式在Maya中是通過節點網絡連接實現的。

圖四為節點網絡圖

圖五為Maya利用加減節點求兩個三維點對應的X、Y、Z的坐標之差。

圖六為軟件用乘除節點求平方

圖七為軟件利用加減節點求和

圖八為軟件利用乘除節點開平方

4 結語

在科技文明高速發展的現代社會，學科滲透、文理交叉已是大勢所趨，理性思維在三維動畫設計是具有指導意義，而在動畫教學課程中運用實踐式的項目教學方式可以有效的訓練學生的創新思維能力。