計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)在微課中的應(yīng)用與研究

梁啟友

摘 要：該文探討微課中關(guān)于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用的幾項(xiàng)具體技術(shù)，為教師們?nèi)绾卧谖⒄n中使用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)提供借鑒；論述計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)對(duì)于微課的意義，并對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)和微課相結(jié)合這一現(xiàn)象提出辯證的思考。希望該文可以幫助教師和學(xué)生更好地將多媒體和課堂結(jié)合，使課堂更加豐富有趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù) 微課 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP3-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（b）-0178-02

微課以其短小精悍和教學(xué)形式活潑有趣而逐漸被大家所認(rèn)可，成為一種新興的教學(xué)手段。目前動(dòng)畫以其形式多樣、內(nèi)容豐富、風(fēng)趣幽默和極強(qiáng)的表現(xiàn)力被廣泛應(yīng)用到微課的制作和研發(fā)上。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫及計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)在美國、日本、加拿大和亞歐很受重視，而國內(nèi)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)由于硬件條件的限制發(fā)展比較晚，但是近年來我國用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛。文章從使用技術(shù)上給出具體的指導(dǎo)，剖析了動(dòng)畫與微課結(jié)合的局限性，為教師很好地使用動(dòng)畫這一技術(shù)提供了參考。

1 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)在教學(xué)中使用的主要技術(shù)

1.1 構(gòu)造模型

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的幾何造型和用于一般工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的幾何造型方法相比，其特殊的要求是計(jì)算量小，以便使成千上萬幀的動(dòng)畫可以在一個(gè)合理的時(shí)間里完成。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作涉及建模、色彩、紋理、燈光、運(yùn)動(dòng)、特技效果和渲染等內(nèi)容，當(dāng)動(dòng)畫腳本確定后，角色的幾何造型和動(dòng)作軌跡是首要的基本建設(shè)。首先根據(jù)創(chuàng)意完成對(duì)場景及有關(guān)角色的造型設(shè)計(jì)，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示點(diǎn)、線、面、體等幾何元素以及幾何元素之間的鄰接關(guān)系，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)（主要是幾何學(xué)和計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)）、人機(jī)交互技術(shù)、圖形顯示技術(shù)等領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。描述具有幾何意義的點(diǎn)、線、面等的坐標(biāo)、長度、面積等的數(shù)據(jù)值或度量值，利用對(duì)象形體的棱邊和頂點(diǎn)來表示幾何形狀的模型。曲面、曲線的表達(dá)方式，標(biāo)準(zhǔn)解析式有顯式（y=f（x），z=f（x，y））和隱式（f（x，y，z）=0），在構(gòu)造曲線、曲面的時(shí)候包含控制型值點(diǎn)、曲面曲線的擬合、曲面曲線的逼近、曲面曲線的插值、樣條Bezier曲線等工序。計(jì)算幾何學(xué)針對(duì)線框模型、曲面模型和實(shí)體模型提供了數(shù)據(jù)擬合的多種方法，比如Coons方法、樣條函數(shù)方法和NURBS方法等。隨著樣條曲線的廣泛應(yīng)用，使用Bezier曲線不僅成為CAD系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，而且成為發(fā)展CAGD新方法的重要工具。Bezier曲線的性質(zhì)依賴于Bernstein多項(xiàng)式，它有許多良好的性質(zhì)，Bezier曲線與控制點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系在仿射變化下不變。

1.2 模擬質(zhì)感

在制作好模型之后，模型需要補(bǔ)充材質(zhì)，賦予物體幾何模型以某種材料的材質(zhì)屬性，比如顏色、光澤、亮度和透明度等參數(shù)，使之呈現(xiàn)出某種材料所應(yīng)該表現(xiàn)出來的顏色和質(zhì)感，以此造成物體是由某種材料“做成”的感覺。首先把紋理或圖案“貼”在物體表面，物體被賦予材質(zhì)之后，表面就會(huì)有逼真的材質(zhì)和紋理的效果。然后在場景中放置虛擬燈光，以模擬真實(shí)世界的明暗和色彩，如Gouraud明暗處理、Phong明暗處理等產(chǎn)生光亮和陰影的效果，也可以是在場景中放置虛擬攝像機(jī)，這樣可以產(chǎn)生攝像機(jī)視圖，從而使得制作出的畫面有如同真實(shí)攝像機(jī)拍攝到的畫面。最后需要通過計(jì)算機(jī)的“渲染”來生成動(dòng)態(tài)的影像文件或圖像序列，“渲染”之前的各道工序知識(shí)動(dòng)畫的場景文件，即設(shè)定動(dòng)畫場景中的幾何模型參數(shù)、材料屬性參數(shù)、燈光參數(shù)、攝相機(jī)參數(shù)和動(dòng)畫的關(guān)鍵值等，需要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將這些設(shè)定參數(shù)代入相關(guān)的計(jì)算機(jī)圖形算法和動(dòng)畫算法進(jìn)行計(jì)算，才能真正生成動(dòng)畫序列。最簡單的光照模型是Lambert，可用于模擬表面顏色暗淡、無光澤的材料，就像是乒乓球的材料，但是Lambert不能模擬類似金屬、陶瓷、玻璃等富有光澤的材料。二維紋理映射是一種紋理映射方法，這一技術(shù)是將一給定的紋理函數(shù)映射到幾何客體的表面上，對(duì)于此類映射已有成熟的算法，其基本思想是將在紋理空間中的二維紋理函數(shù)映射到景物空間的三維表面上，再進(jìn)一步映射到圖像空間的二維圖像平面，即屏幕上，這一過程也可以簡化為兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換，當(dāng)映射函數(shù)建立好以后，即可進(jìn)行紋理空間到圖像空間的映射。

1.3 模擬運(yùn)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)師動(dòng)畫的核心技術(shù)，動(dòng)畫的最簡單變化形式是對(duì)固定構(gòu)成的非固定觀測與記錄，較復(fù)雜的形式是造型與視點(diǎn)一起運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)生成的程序?qū)崿F(xiàn)方式以軟件工程方法為基礎(chǔ)，用面向?qū)ο蠓椒?、模塊化等方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)生成技術(shù)。運(yùn)動(dòng)生成技術(shù)主要分為關(guān)鍵幀方法（Keyframinganimation）、過程控制的運(yùn)動(dòng)生成方法、物理仿真方法和智能運(yùn)動(dòng)4類。在構(gòu)造好模型之后，可以創(chuàng)造比如沿路徑的運(yùn)動(dòng)，在所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)中位置及運(yùn)動(dòng)方向是最需要確定的物體的兩種運(yùn)動(dòng)參數(shù)。首先是從物體運(yùn)動(dòng)路徑的運(yùn)動(dòng)方向確定，有根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)形成的插值路徑，對(duì)于確定的路徑，物體運(yùn)動(dòng)速率的確定實(shí)際上是以弧長參數(shù)化運(yùn)動(dòng)路徑表示的曲線的過程，即定義物體某一時(shí)刻走過了某段弧長也就定義了物體的速率，根據(jù)力學(xué)原理，加速度位于運(yùn)動(dòng)路線的密切平面內(nèi)，因此按照Frenet坐標(biāo)架變換存在連續(xù)性的問題。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的軌跡設(shè)計(jì)時(shí)，常用到的動(dòng)畫技術(shù)是關(guān)鍵幀動(dòng)畫、算法動(dòng)畫以及關(guān)節(jié)動(dòng)畫，關(guān)鍵幀動(dòng)畫生成的基本方法是通過兩個(gè)關(guān)鍵幀之間各對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)進(jìn)行線性插值或非線性插值而產(chǎn)生中間畫，不過如果是采用動(dòng)畫系統(tǒng)制作動(dòng)畫，那么只要確定動(dòng)畫在兩個(gè)關(guān)鍵幀上的大小、形狀、位置及比例，系統(tǒng)將自動(dòng)在關(guān)鍵幀之間形成動(dòng)畫，關(guān)鍵幀的操作方法技術(shù)很簡單但是要求維度相同，而且彼此的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相差不能太大，所以制作時(shí)比較麻煩，造型的前期工作量比較大。而算法動(dòng)畫是通過表示某種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的參數(shù)來控制動(dòng)作進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)畫，可以制作比如風(fēng)吹、水波動(dòng)等自然現(xiàn)象的動(dòng)畫，用以表示諸如重力和摩擦力的課程內(nèi)容。而可以模擬人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)動(dòng)畫也是微課動(dòng)畫制作中常常用到的運(yùn)動(dòng)控制方式，它采用的是逆機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 微課中動(dòng)畫的優(yōu)勢

2.1 模擬實(shí)景，激發(fā)學(xué)生積極性

在動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)日益繁榮的現(xiàn)代，學(xué)生很多都是在動(dòng)畫文化的熏陶下長大的，因此對(duì)于動(dòng)畫的興趣十分濃厚。而動(dòng)畫的特點(diǎn)是夸張，它的鏡頭語言承自電影，幾乎實(shí)拍能表現(xiàn)的畫面動(dòng)畫都能夠演繹，并且以Maya、3DMax動(dòng)畫為主的動(dòng)畫制作融入了造型、色彩、音樂等多種表現(xiàn)形式，生動(dòng)直觀，具有極強(qiáng)的表現(xiàn)力。那么在微課中加入動(dòng)畫可以很輕易地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。而且用動(dòng)畫技術(shù)虛擬出的人物和環(huán)境十分形象，表現(xiàn)力豐富，能夠刺激學(xué)生的視覺觀感，激發(fā)學(xué)生的情感體驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的注意力和觀看課程的興趣，從而提高微課教學(xué)的效率。

2.2 化抽象知識(shí)，更加通俗易懂

對(duì)于一些理論性強(qiáng)、知識(shí)概念比較抽象，而解釋起來又比較繁雜的專業(yè)課程，可以從中找出其本質(zhì)做成微課。微課的特點(diǎn)就是短小精悍，它的動(dòng)畫也因此被賦予了節(jié)奏緊湊、內(nèi)容精簡等特點(diǎn)，利用動(dòng)畫的形象直觀地讓學(xué)生了解到復(fù)雜知識(shí)語言下所隱藏的真理，營造出生動(dòng)活潑的學(xué)習(xí)氛圍，讓學(xué)生們可以投身到微課的學(xué)習(xí)中去，將無聊枯燥的課堂變成充滿樂趣和新奇的試聽旅程。所以設(shè)計(jì)精妙、指向明確的動(dòng)畫制作，可以和別的多媒體結(jié)合成一個(gè)主題突出、類型多樣、結(jié)構(gòu)緊湊的微課堂。

3 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)與微課相結(jié)合的辯證

3.1 技術(shù)是否是最重要的

對(duì)于很多教師來說，使用多媒體制作微課，進(jìn)行動(dòng)畫的制作，視頻的剪輯是很困難的，甚至像比如Flash、Maya等動(dòng)畫制作軟件都沒有見過，那么微課的制作是不是就要在這里停止呢？其實(shí)一般的微課不需要很復(fù)雜的編輯，那些需要復(fù)雜編輯的視頻其實(shí)是因?yàn)樵谂臄z過程中出現(xiàn)了問題，或者是設(shè)計(jì)的時(shí)候沒有考慮到一些問題而導(dǎo)致視頻最終不夠精致才需要很復(fù)雜的編輯技術(shù)來修復(fù)它。不過當(dāng)然也需要對(duì)拍好的視頻進(jìn)行編輯，但是那些只是簡單的編輯就可以了，不一定非要專業(yè)的剪輯軟件。而且其實(shí)要是微課要使用一些復(fù)雜的動(dòng)畫，就可以請(qǐng)專業(yè)團(tuán)隊(duì)來制作，教師只要提供設(shè)計(jì)思路和教學(xué)素材就好了，所以技術(shù)在微課上不是最重要的。

3.2 沒有動(dòng)畫的微課是不是好微課

由于每一個(gè)課程的內(nèi)容是不一樣的，所以在動(dòng)畫制作中所側(cè)重的技術(shù)也是不一樣的。微課有很多種表現(xiàn)形式，需要使用哪種形式表現(xiàn)其實(shí)取決于微課的內(nèi)容、受眾和教學(xué)設(shè)計(jì)，而動(dòng)畫只是作為其中一種方式。從媒體表現(xiàn)形式的原理來看，動(dòng)畫用于表現(xiàn)肉眼無法直接觀測到的宏觀、微觀的物體或動(dòng)作，比如天體的運(yùn)轉(zhuǎn)，分子中原子的運(yùn)動(dòng)，甚至是處于封閉狀態(tài)無法觀察的工作中的發(fā)動(dòng)機(jī)。在這種情況下就需要使用動(dòng)畫展現(xiàn)，但是其他的課程內(nèi)容或許只需要教師的板書和言語就能傳授。所以是否使用動(dòng)畫取決于微課的內(nèi)容是否在實(shí)際生活中不易展示，取決于微課的教學(xué)設(shè)計(jì)和受眾，不能生搬硬套，不然會(huì)適得其反。與此同時(shí)，可以看到動(dòng)畫在微課制作中有著局限性，首先，制作動(dòng)畫比較常見的Flash制作出來的是二維動(dòng)畫，形象比較卡通，無法達(dá)到微課寫實(shí)、具象的效果；其次，三維動(dòng)畫做出來的足夠精美卻很難操作，需要經(jīng)過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)才能達(dá)到。

4 結(jié)語

綜上所述，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)都是非常綜合的領(lǐng)域，涉及到的技術(shù)也很多。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)在微課中的使用已經(jīng)顯而易見，文章對(duì)于技術(shù)方面的部分具體指導(dǎo)進(jìn)行探討，試圖通過這些探索為教師找到更好的制作微課的方法。多媒體技術(shù)是微課發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)與手段，微課多樣化的信息形式得以實(shí)現(xiàn)和集成，多媒體的發(fā)展已經(jīng)到了不能阻擋的境地，微課和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)的融合可能代表著一個(gè)新的朝氣蓬勃的信息時(shí)代的到來。

參考文獻(xiàn)

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