三維動(dòng)畫技術(shù)是20世紀(jì)創(chuàng)立和發(fā)展起來的一種藝術(shù)形式，它讓藝術(shù)家展現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)中的三維世界。隨著當(dāng)今科技的飛速發(fā)展，三維動(dòng)畫技術(shù)也在不斷的發(fā)展，Maya軟件是一個(gè)三維動(dòng)畫系統(tǒng)，它允許藝術(shù)家扮演導(dǎo)演、演員、場(chǎng)景設(shè)計(jì)和電影攝影師等多個(gè)角色，它迎合了很大范圍的數(shù)字內(nèi)容制作者的需求，但它的技術(shù)含量很高，所涉及的知識(shí)范圍也很廣，要想完成一個(gè)完美的動(dòng)畫作品，不僅需要有藝術(shù)的思維同時(shí)也需要理性的思維?，F(xiàn)在很多高校都開設(shè)的Maya的相關(guān)課程，但大多數(shù)的教學(xué)都從藝術(shù)設(shè)計(jì)的角度來進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的教學(xué)，本文主要從技術(shù)實(shí)踐的角度來分析理性思維在三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)中指導(dǎo)意義，探討如何將相關(guān)的數(shù)理知識(shí)融入到三維動(dòng)畫軟件的教學(xué)中，從而培養(yǎng)學(xué)生的理性思維和創(chuàng)造能力。

1 Maya軟件的技術(shù)特點(diǎn)：

Maya軟件集成了Alias/Wavefront最先進(jìn)的動(dòng)畫及數(shù)字效果技術(shù)。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(jìn)的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運(yùn)動(dòng)匹配技術(shù)相結(jié)合。Maya可在Windows NT與SGIIRIX操作系統(tǒng)上運(yùn)行。在目前市場(chǎng)上用來進(jìn)行數(shù)字和三維制作的工具中，Maya是首選解決方案。它的技術(shù)特征是分模塊：如建模、一般動(dòng)畫、角色動(dòng)畫、動(dòng)力學(xué)、渲染、運(yùn)動(dòng)匹配、集成性與輸入／輸出，等等。

Maya的基本結(jié)構(gòu)是基于節(jié)點(diǎn)，Maya中的節(jié)點(diǎn)是最小的單位。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)屬性組。節(jié)點(diǎn)可以輸入，輸出，保存屬性，改變?nèi)我庖粋€(gè)節(jié)點(diǎn)就可以改變角色的結(jié)構(gòu)等(圖一)，如在使用Maya進(jìn)行三維制作時(shí)，所有操作都以各種幾何形狀，各種色彩的形式出現(xiàn)在品目上，但這些都不是真實(shí)存在的，而是由計(jì)算機(jī)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(shù)學(xué)計(jì)算。在操作的過程中，軟件系統(tǒng)將用戶輸入的指令，通過一系列計(jì)算轉(zhuǎn)換成屏幕上可視的內(nèi)容，但并不是所有的計(jì)算過程都是同時(shí)完成的。整個(gè)計(jì)算過程會(huì)分成一些小的單元，這些單元相互關(guān)聯(lián)又相互獨(dú)立，每個(gè)單元會(huì)完成一些計(jì)算步驟，形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，然后將計(jì)算結(jié)果交給下一個(gè)計(jì)算單元進(jìn)行進(jìn)一步處理。節(jié)點(diǎn)就是這種計(jì)算單元。節(jié)點(diǎn)有輸入屬性和輸出屬性，能完成相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算功能。這一切的計(jì)算過程都是基于與數(shù)理相關(guān)的理性思維的。

2 理性思維在三維動(dòng)畫技術(shù)中具有指導(dǎo)意義和教學(xué)意義

眾所周知，動(dòng)畫技術(shù)是與時(shí)間有關(guān)的，角色可以通過藝術(shù)的手段設(shè)計(jì)出來。如何使設(shè)計(jì)的角色活起來，動(dòng)畫制作者應(yīng)對(duì)時(shí)限(timing)的把握有很好的理解，這種技術(shù)的把握應(yīng)具有數(shù)理方面的理性思維來完成。圖二為人運(yùn)動(dòng)的實(shí)例圖，它反映了三維動(dòng)畫技術(shù)不僅需要藝術(shù)設(shè)計(jì)的知識(shí)、計(jì)算機(jī)技術(shù)知識(shí)，更需要精確的演繹思維即理性思維，在發(fā)展理性思維的基礎(chǔ)上，發(fā)揚(yáng)感性思維。

因此，在三維技術(shù)的教學(xué)中，有效地培養(yǎng)學(xué)生的理性思維是完成教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

3 如何培養(yǎng)學(xué)生的理性思維

在三維藝術(shù)教學(xué)中，我們經(jīng)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(chuàng)作帶有直觀的感性特征，但內(nèi)在的意義則積淀了大量的理性要素。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦硇允侨S設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在藝術(shù)院校中，往往忽視理性的思考。例如我們的世界里時(shí)時(shí)刻刻離不開數(shù)學(xué)和物理這兩門基礎(chǔ)科學(xué)，在Maya中也充分體現(xiàn)了對(duì)這兩種科學(xué)的運(yùn)用。我們?cè)谌S制作中，很多動(dòng)畫都需要進(jìn)行理性分析，才能做出符合現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的逼真動(dòng)畫。例如圖三的齒輪運(yùn)動(dòng)，我們必須在分析齒輪系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用齒輪原理及相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，才能制作出一個(gè)合理的齒輪的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。

因而，教學(xué)中，如何啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用理性的方式來思考和設(shè)計(jì)動(dòng)畫，便成為我們?cè)谌S技術(shù)的教學(xué)中的首要任務(wù)。這里我結(jié)合齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的教學(xué)實(shí)例來探討將數(shù)理知識(shí)融入到三維動(dòng)畫的教學(xué)中，

首先，通過分析齒輪原理，會(huì)發(fā)現(xiàn)在同一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)里無論齒輪多大，具體到一個(gè)單獨(dú)的齒牙和齒口的尺寸是相等的，在齒輪運(yùn)動(dòng)時(shí)可以得出大小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過的弧長(zhǎng)是相等的，根據(jù)弧長(zhǎng)公式得出大小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(jù)。

旋轉(zhuǎn)角度/360度＝旋轉(zhuǎn)的弧長(zhǎng)／圓的周長(zhǎng)

其次，根據(jù)弧長(zhǎng)公式得出大小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度之比就是他們的半徑之比。

最后，根據(jù)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(dá)式就可以實(shí)現(xiàn)模擬現(xiàn)實(shí)中齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)教學(xué)過程先從齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的物理特性入手，目的是訓(xùn)練學(xué)生的理性分析、歸納、判斷能力，從而進(jìn)一步完成三維軟件的動(dòng)畫編程，而實(shí)現(xiàn)這一動(dòng)畫的過程結(jié)構(gòu)是基于節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的，是建立在精確的理性計(jì)算基礎(chǔ)上的。這樣動(dòng)畫設(shè)計(jì)可以通過文件公式進(jìn)行傳遞，也就是說教學(xué)中訓(xùn)練學(xué)生的理性思維，可以幫助學(xué)生在動(dòng)畫設(shè)計(jì)過程中研究物體的客觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過現(xiàn)有的條件，根據(jù)現(xiàn)有的理論方法求解，尋求合適的方法來完成設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)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(xiàn)有理性思維成果基礎(chǔ)上的。像前面講的齒輪運(yùn)動(dòng)和人運(yùn)動(dòng)都是依據(jù)客觀規(guī)律的，而不是想當(dāng)然設(shè)計(jì)的，否則制作出的動(dòng)畫作品就不符合現(xiàn)實(shí)了。

空間中兩點(diǎn)之間的距離的公式就是著名的畢達(dá)哥拉斯定理。

L²(X₂-X₁)²+(Y₂-Y₁)²+(Z₂-Z₁)²

這樣的復(fù)雜公式在Maya中是通過節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)的。

圖四為節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖

圖五為Maya利用加減節(jié)點(diǎn)求兩個(gè)三維點(diǎn)對(duì)應(yīng)的X、Y、Z的坐標(biāo)之差。

圖六為軟件用乘除節(jié)點(diǎn)求平方

圖七為軟件利用加減節(jié)點(diǎn)求和

圖八為軟件利用乘除節(jié)點(diǎn)開平方

4 結(jié)語

在科技文明高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，學(xué)科滲透、文理交叉已是大勢(shì)所趨，理性思維在三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)是具有指導(dǎo)意義，而在動(dòng)畫教學(xué)課程中運(yùn)用實(shí)踐式的項(xiàng)目教學(xué)方式可以有效的訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。