生理学三维动画的制作技巧及体会

陈　沛，郜鑫磊，汪　铭中国科学技术大学生命科学学院，安徽　合肥　230027



生理学三维动画的制作技巧及体会

陈沛，郜鑫磊，汪铭
中国科学技术大学生命科学学院，安徽合肥230027

【摘要】：在分析三维动画技术优势基础上，结合生理学理论教学需要，介绍了利用3D Maya软件经由剧本创建、模型建立、材质灯光编辑、动画设计、图片渲染和后期合成优化等过程，先后完成有关呼吸和循环3D动画短片的技巧及特点。

【关键词】：Maya；三维动画；生理学；网络课件

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201602012

三维动画又称3D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。三维动画通过各种三维动画软件来实现，在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师便可以在这个虚拟的三维世界中按照要表现对象的空间位置、形状和尺寸等信息来建立模型以及所处场景或“物体所属世界”，甚至可以按照物理参数设定各种“场”；然后可以根据需要设定模型的运动轨迹、形变参数、虚拟摄影机的运动和其他各种属性的变化；最后按要求为模型赋上特定的材质或者贴图，并添加上灯光。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。三维动画由于具有高仿真性、高容量性、生动趣味性和易传播性，目前已被广泛应用于医学、教育、军事、娱乐等诸多领域［1-2］。

1　制作生理学三维动画课件的要求与程序

三维动画可以应用于医学生物学课件教学［3］。在生理学课件，是通过在三维软件中（这里主要是Autodesk Maya）构建仿真的生物模型或者细胞、分子等水平上的生物学相关过程。在3D软件中，各种模型都是由简单的几何面或者曲面构成的，所用的几何面多为三角形或者四边形，通过大量的几何面围成几何体，而我们所需要的生物模型表面便是由大量细分的多边形组成。然后通过为建立的模型添加各种材质，颜色或者贴图，模型便有了质感和不同的外表。再通过其他三维建模软件（如数字雕刻软件ZBrush，等）对模型进行细分优化，使局部结构更加细腻逼真。当模型构建成功后，便可在Maya中设定动画过程了。在Maya中应用关键帧动画可以随着时间的推移，让模型实现形状、位置、颜色等各方面的变化；再通过Maya中的虚拟摄像机观察，输出我们所想要的动画过程，达到所见即所得。经过后期处理软件进行剪辑编排、添加字幕配音后，制作好的动画便可以上载到网上共享了。

2　制作过程

2.1主要步骤

2.1.1前期工作 确定要构建动画的生理学过程或者要展示的生理结构，根据教材中的文字和图片勾勒出模型的草图，网络上的图片资源通常只有平面图，且只有简单的线条勾勒，要想建立更为精确、逼真的三维模型，最好找到实物模型参考。

2.1.2建模 在Maya中构建出3D模型。在Maya中为动画的场景添加适当的灯光照明效果，为模型添加适合的材质，然后根据图片或者文字描述资料，编辑模型表面的颜色或者材质，使得模型更逼真。如有必要，可将模型进一步导入ZBrush进行表面的光滑处理和纹理细节雕刻，无形之中模型的细分程度大大提升，会得到更好的表面效果。

2.1.3动画 根据制作对象的生理学过程可事先编辑一个动画剧本，即动画中模型的运动或者变化过程，然后根据剧本编辑关键帧动画，要标注动画各个步骤的持续时间和相对时间。

设置完动画的关键帧后，便要进行预览检测。选择所需视角的摄像机来观察动画的演示，看是否存在错误或者不合理之处，是否需要进行修改。由于前期在Maya中已对每个的动画片段甚至关键帧渲染图片，之后都可能在动画中被反复引用，因此务必在前期就处理好细节，尽量渲染出模型的各个角度，以备后期制作剪辑使用。

2.1.4渲染输出 设定好的动画要通过渲染输出，设定好渲染的相关参数，比如分辨率，文件格式和文件目录，等，就可以渲染了。用Maya渲染出的动画实际是一系列有序图片，可以通过Maya自带播放软件fCheck先进行预览检查。

2.1.5合成动画 利用After Effects将Maya渲染出的有序图片导入，可以在后期制作过程中，根据实际情况调整各个分动画的播放时间和速度，比如旋转快慢和镜头切换，等，然后添加字幕、声音、特效等处理后便可以合成输出了，输出的视频通常为avi格式。例如，低位脑干对呼吸影响的动画制作过程，包括多边形建模、模型光滑处理、添加纹理和表面材质、上色、透明化体现内部结构、制作横切动画、渲染输出和合成动画（如图1所示）。

图1　低位脑干对呼吸影响的动画制作过程

将原始视频按所需的格式利用格式转换软件进行压缩处理，输出为网络上通用的格式。

然后将动画文件上载到网络上实现共享［4-7］。运用3D动画技术我们制作了大脑的模型和脑神经分布、LTP的机制、感光换能机制等一系列3D课件［8］，并探讨Maya动画技术在生物学相关课程中的应用［9］。

在“大学生研究计划”中以及后来的其他教学实践活动中，我们利用三维动画制作技术开展了包括呼吸器官（肺，肺泡，等）的模型和呼吸过程、呼吸运动的神经调节（肺牵张反射）、低位脑干横断对呼吸运动影响和心脏的动画演示课件。

2.2呼吸相关的三维动画制作

2.2.1呼吸器官和相关结构模型 利用肺的参考图（多来自于网络资源），在Maya中勾勒出初始轮廓，然后通过相应的延伸或者挤压构造出模型的毛坯，然后根据生理学的相关知识对细节进行修饰。

在构建肺叶的过程中，我们要应用到模型贴图，主要是为了使肺叶的外观更加逼真、有质感。在编辑贴图的过程中主要难点在于要使贴图上的纹理按照给出的参考图片分布到模型表面。对于其他的模型（比如肺泡和气管，等）主要是应用材质和颜色来实现其外观的不同，比如肺泡表面的毛细血管就通过红色和蓝色来表现流动的是动脉血或者静脉血。

2.2.2肺的通气和换气动画 我们的动画过程包括先有一个气体进入体内的路径演示，然后是氧气分子通过气管进入肺内部的过程。此过程主要是靠Maya的摄像机动画实现，摄像机的关键帧动画可以实现镜头跟踪气体分子运动的效果。在演示气体进出肺泡的过程时，我们要应用到一个肺泡的截面模型，这里涉及到镜头的移动和气体分子的运动，所以在设置镜头和气体分子的关键帧时要注意两者时间的同步，避免让运动的气体分子偏出镜头。最后演示氧气分子与血红蛋白结合的过程。

2.2.3肺牵张反射 在这个动画中，我们通过一个闪动的光点来表现兴奋在神经中传导。另外，还要表现肺收缩和舒张的进行，通过让肺收缩和舒张的演示节奏放慢来达到较为明显的视觉效果。

2.2.4低位脑干对呼吸影响的动画制作 脑干的基本三维模型均通过Maya软件建立，模型制作参考生理实验室的脑干模型和网上的图片资料，等。基本方法是通过多边形建模由大体形状到局部细节逐渐向实物模型逼近，最后为模型添加材质和高光效果，等。后期采用AE软件添加文字和配音，并将前期的一系列脑干和肺部的小动画串联起来，通过改变图片序列的播放时间和播放速率，达到动画和动画之间、动画和解说之间的同步，背景解说配音文稿参考生理学资料，动画声音由科大讯飞语音软件生成，最后渲染预览，导出为avi格式的视频，再通过格式转换软件转成需要的格式。在配音过程中遇到的问题，主要是通过语音合成的背景解说不够流畅，断句也不够自然。可尝试通过真人录音配音改进，增加音频处理步骤，通过Audition等音频处理软件对原始配音文件进行降噪等处理。

2.3心脏3D模型制作

制作心脏时是把心脏所连接的主要大血管、肺静脉、肺动脉、主动脉、上下腔静脉和表面的冠状动脉等与心脏主体分开制作，所以只要做出心室和心房的大致外形就可以了，然后再添加其他结构。待各个主要结构建好后，再制作左右冠状动脉和静脉窦，这里将再次利用曲面建模的拉伸工具，通过一个与血管管径相同的圆环沿着一条表现血管走向的曲线拉伸出各条小血管。最后用ZBrush软件对心脏形状进行雕刻，以趋于完善。

心脏内部三维结构比表面复杂的多，而且有很多附属结构，比如房室瓣口和房室瓣，等。这些结构与心脏的功能息息相关，在建立模型时是不能简化或者省略的。这里我们还是在Maya中先作出毛坯模型，导入到ZBrush中对细节进行雕刻。最后仍需对模型进行材质和贴图编辑以及添加灯光，得到最终效果。

3　三维动画课件制作体会

制作生理学或生物学三维动画课件需要有一定的生物学知识积累，否则让一个对生物学一知半解的人来做这样的教学视频，容易出现很多理论上的或者科学性的错误。

制作过程中发现，Maya中建模的细节程度还不足以达到使模型逼真的要求。实践中发现，我们采用的这种方法虽然可以大大提升建模的效率和模型的视觉效果，但缺点是受到机器配置的限制，在模型的细分级别提高后，相对来说，计算机处理速度也会变慢很多，最后生成的文件也会变大。

制作者对软件的熟练运用程度在很大程度上影响作品的质量。要想制作出好的三维动画，仅仅依靠普通的一两种软件技术是不可能达到的，必须在实践中根据实际情况不断寻找新工具和新方法，学会使用更多的制作工具，并加以灵活运用。

作为一个动画课件制作团队需要一个稳定的人才队伍，建立一个比较好的传承机制。可以让高年级的学生对后续参加的低年级学生进行辅导培训，使其能够在比较短的时间里掌握相关的技能。

几年的实践经验告诉我们，团队的技术力量不仅是重要的，而且还需要是一个分工明确和知识结构合理的制作团队。在制作过程中，除了事先要精心设计动画课件外，还需借鉴前人作品的优点和不足，汲取经验和教训，通过不断地尝试和改革，才能保证团队制作的动画课件质量不断提高。

参考文献

［1］刘广.浅谈3D动画的发展［J］.硅谷，2008（7）：140

［2］杨卓，孙明.浅谈3D动画的发展［J］.艺术与设计：理论，2008（10）：138-139

［3］于哲，马保安，周勇，等.计算机三维动画技术在创伤骨科教学课件中的应用及优势［J］.中国医学教育技术，2012，26（1）：32-34

［4］张晗.Maya 2008完美风暴［M］.北京：人民邮电出版社，2008：39-233

［5］刘畅.Maya 8角色动画技术教程［M］.北京：兵器工业出版社，2008：53-539

［6］Spencer S，杜玲.ZBrush角色塑造：高级数字雕刻［M］.杨越，译.北京：人民邮电出版社，2009：15-30

［7］蔡明.ZBrush 3.5完全自学教程［M］.北京：人民邮电出版社，2010：218-264

［8］汪铭.生理学3D多媒体教学课件［Z］.合肥：中国科学技术大学音像出版社，2012

［9］廖鹏，汪铭.Maya动画技术在生物学网络课件中的应用［J］.实验室研究与探索，2011（30）：31-33

电话：13856911825；E-mail：wming@ ustc.edu.cn

Skills of 3D animation making for physiology course and our experience

Chen Pei，Gao Xinlei，Wang Ming
School of Life Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China

【Abstract】：This paper first analyzes the advantages of 3D animation technology.Then based on the needs of physiological theory teaching，it introduces the process of using 3D Maya software in scripting，modeling，editing of material and light，animation design，image rendering and late-stage synthesis.It also introduces the skills and characteristics of making 3D animated short films of respiration and circulation.

【Key words】：Maya software；3D animation；physiology；online courseware

通信作者：汪铭（1969-），女，安徽青阳人，副教授，博士，主要研究方向：生理学。

作者简介：陈沛（1988-），男，四川内江人，博士研究生在读，主要研究方向：生理学。

收稿日期：2015-10-26

【中图分类号】：TP317.4；G642.0

【文献标志码】：A

【文章编号】：1004-5287（2016）02-0156-03