張延發(fā) 吳越超 周婧 袁敏敏 高輝

（揚州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點/糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚州225009；第一作者：313985492＠qq.com；*通訊作者：gaohui＠yzu.edu.cn）

龍虬莊遺址入選“1993年中國十大考古新發(fā)現(xiàn)”之一。在其不同文化層中出土的炭化粳稻遺存是人工優(yōu)化甄選水稻品種的實物史料，將我國江淮地區(qū)的人工選種提早到新石器時期，對研究江淮地區(qū)史前稻作農(nóng)業(yè)文化的起源、社會經(jīng)濟(jì)生活和江淮地區(qū)的遠(yuǎn)古生境以及我國稻作發(fā)展史都具有極其深遠(yuǎn)的意義。龍虬部落先民們從發(fā)現(xiàn)原始野生稻，到歷經(jīng)1 500年之久的粳稻漸進(jìn)馴化演進(jìn)與人工栽培，再到稻作文明向外域傳播，均閃耀著江淮流域史前農(nóng)業(yè)文明之光[1-5]。

早已建成的江蘇省高郵市龍虬文物陳列館均以靜態(tài)方式離散展示史前文物，不僅缺少鮮明的生動性、交互性與沉浸感，而且缺乏整體感，缺失想像性，缺少說服力，科普效用不足。史前農(nóng)業(yè)的發(fā)展由于缺少系統(tǒng)的文字記載傳承，因而長期依靠考古實證加以邏輯推斷，往往多元化呈現(xiàn)出著作、匯編、論文、畫作、模型、雕塑等成果，而缺少三維動畫模擬。Maya軟件提供了完美的3D建模、動畫、特效和高效的渲染功能。因而可以借助Maya動畫制作軟件的強大功能，針對史前農(nóng)業(yè)地理、文化等領(lǐng)域在內(nèi)的潛在需求，進(jìn)行三維動畫系統(tǒng)開發(fā)，有助于生動還原史前農(nóng)業(yè)原貌，再現(xiàn)遠(yuǎn)古稻作文明[6-8]。

為此，基于Maya三維動畫開發(fā)平臺研發(fā)龍虬新石器時代稻作三維動畫系統(tǒng)，有助于生動再現(xiàn)史前稻作文明，起到豐富稻作考證、拓展研究領(lǐng)域、發(fā)掘農(nóng)業(yè)文化、助推科學(xué)普及等作用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點

該系統(tǒng)包含龍虬莊地理位置、地形地貌、氣候條件、土地土壤、稻田布局、河流水系、水稻作物、稻田生物、骨角器、石器、農(nóng)用陶器、先民形象、房舍、生活設(shè)施等諸多要素，因而可清晰展現(xiàn)與動態(tài)展示龍虬稻作文化與遠(yuǎn)古農(nóng)業(yè)文明演進(jìn)歷程中的場景。系統(tǒng)應(yīng)具有三維可視化、動態(tài)性、沉浸感、生動性與想像性等特點，且易于使用、易于理解、易于轉(zhuǎn)換，有利于增強龍虬遠(yuǎn)古稻作文明感染力，豐富龍虬史前農(nóng)業(yè)文化研究。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)與應(yīng)用

2.1 動畫片頭

以先民生活場景的巨型油畫為背景，運用Photoshop、Adobe After Effect等軟件，動態(tài)引入了三維動畫系統(tǒng)名稱，點明該系統(tǒng)的內(nèi)容（圖1）。同時使用Maya 2014軟件，通過選擇合適的攝像機(jī)角度，將圖片沿著Scale X（X位移）進(jìn)行拖動，并設(shè)置Key幀，之后用Mental ray渲染器進(jìn)行批量渲染（圖2）。

2.2 動畫主體

2.2.1 龍虬地理環(huán)境三維動畫構(gòu)建

2.2.1.1 天空飛鳥三維展示 飛鳥的制作流程為：首先在紙上繪制鳥的草圖；接著采用Maya軟件中Polygon模塊建模，構(gòu)建出1個多邊形球體，調(diào)整球體大小和角度，使其與草圖基本吻合，再利用Polygon Edges命令擠壓出鳥腿、翅膀和羽毛等；緊接著在模型中添加適量的曲線，選擇CV模式，通過拖拽、旋轉(zhuǎn)和縮放CV點獲得飛鳥精細(xì)模型；最后，經(jīng)Lambert材質(zhì)球中Color屬性賦予飛鳥以合適的貼圖即可（圖3）。天空中云朵的制作方式與飛鳥相似，不同的是云朵需通過Lambert材質(zhì)球賦予Env Sky材質(zhì)。

圖1 系統(tǒng)名稱的引入

圖2 先民生活場景

圖3 天空飛鳥

圖4 龍虬地形地貌和生物活動

2.2.1.2 地形地貌和生物活動三維展示 關(guān)于丘陵建模，首先在Maya中創(chuàng)建一個新Scene，用Polygon模塊工具創(chuàng)建多邊形平面；接著在Polygon Plane Options屬性編輯器中調(diào)節(jié)參數(shù)，并通過Hypershader（濾光器）在utilities下創(chuàng)建Height Field；緊接著，打開屬性編輯器為Height Field置換紋理創(chuàng)建noise紋理節(jié)點，并將節(jié)點調(diào)節(jié)至合適的地形；最后，創(chuàng)建新的Lambert材質(zhì)球，用鼠標(biāo)中鍵拖動noise材質(zhì)至displacementmap上，經(jīng)Mentalray渲染器進(jìn)行渲染即可。河流、湖泊在建模完成后，為模型創(chuàng)造一個粒子重力場，通過Particles中CreateEmitter（粒子發(fā)射器）進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，將河流、湖泊呈現(xiàn)出流動之效（圖4）。

2.2.2 居民生活場景三維動畫構(gòu)建

三維動畫系統(tǒng)中生活場景的展示堅持以人為本，其中人物模型的構(gòu)建是重中之重。首先繪制出三維動畫系統(tǒng)腳本設(shè)定的人物草圖，并掃描形成圖片模式，將圖片放到Maya軟件Front視圖里對齊中線，應(yīng)用Polygon模塊下Create Polygon tool勾出一半的人物形狀，用Instance方法復(fù)制拼合成一個人形；接著在勾出的平面多邊形上，按角色的結(jié)構(gòu)安排分割線，并通過Polygon模塊下Extrude命令擠壓出人形；緊接著，通過Lambert材質(zhì)球賦予材質(zhì)貼圖并通過Skeleton模塊下Joint tool為特定人物創(chuàng)建骨骼節(jié)點。最后，對模型進(jìn)行骨骼綁定、動作模擬與參數(shù)調(diào)節(jié)，通過Mental Ray渲染器進(jìn)行渲染，便可將先民的行為活動活靈活現(xiàn)地加以生動展示（圖 5、圖 6）。

2.2.3 龍虬稻作文明三維動畫構(gòu)建

考古學(xué)家在龍虬莊遺址發(fā)現(xiàn)了距今7 000至5 500年前的4 000多粒碳化粳稻，這種稻谷不同于韓井遺址和河姆渡遺址等發(fā)現(xiàn)的水稻種，表明了龍虬新石器時代的稻作文化具有獨特性與較高的研究價值。圖7、圖8為構(gòu)建的粳稻植株模型與龍虬先民撒播粳稻的場景。

2.3 動畫片尾

采用 Maya 2014中 Polygon、Surface等工具對田地、水面進(jìn)行平面粗模，并通過這些模塊下的Extrude命令擠壓與Height Field屬性中noise節(jié)點參數(shù)調(diào)節(jié)，構(gòu)造出3D模型，分別經(jīng)Lambert材質(zhì)球賦予模型Lambert和Ocean shader材質(zhì)，再通過IK handle tool調(diào)節(jié)人物動作以及其他參數(shù)，實現(xiàn)龍虬先民選種留種場景的展示（圖 9）。

圖5 打漁場景

圖6 狩獵場景

圖7 粳稻植株模型

圖8 龍虬先民撒播粳稻

圖9 龍虬先民選種留種

圖10 先民觀察水稻

最終片尾先使用Maya 2014進(jìn)行Camera的Translate和Rotate進(jìn)行Key幀設(shè)置，由近及遠(yuǎn)展示；背景為龍虬先民站立于稻田中觀察篩選水稻的三維虛擬展示，將背景導(dǎo)入至AE中，設(shè)置Key幀，其Start frame（開始幀）和End frame（結(jié)束幀）分別為1和96，渲染后制作成動畫，同時通過改變透明度等相關(guān)參數(shù)將背景淡淡消去（圖10）。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究運用三維動畫系統(tǒng)開發(fā)原理與方法，基于Maya 2014、Zbrush、Adobe After Effects、Photoshop、Adobe audition、格式工廠、Corel VideoStudio Pro X6等軟件平臺，研發(fā)了龍虬新石器時代稻作三維動畫系統(tǒng)。該系統(tǒng)普適性高，可在電腦平板、數(shù)字電視、智能手機(jī)等媒體上即點即用、即時播放。系統(tǒng)功能性強，生動還原與靈動展現(xiàn)了龍虬稻作文化發(fā)展與遠(yuǎn)古農(nóng)業(yè)文明演進(jìn)歷程，且起到拓展研究領(lǐng)域、發(fā)展農(nóng)業(yè)文化、深化科學(xué)普及等作用。系統(tǒng)沉浸感強，從時間維度，以三維動畫、特效、高效渲染、配音等方式，生動勾畫再現(xiàn)龍虬先民發(fā)現(xiàn)原始野生稻，到歷經(jīng)1 500年之久的粳稻漸進(jìn)馴化與人工栽培，再到稻作文明漸進(jìn)形成的歷程。

3.2 討論

系統(tǒng)模型庫龐大，包含諸多要素，如龍虬莊地理位置、地形地貌、氣候條件、農(nóng)田土壤、河流水系、水稻作物、稻田生物、骨角器、石器、農(nóng)用陶器、先民人物形象、房舍、生活設(shè)施等。因而，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大，開發(fā)周期較長，對計算機(jī)軟件和硬件要求極高，使得該系統(tǒng)的生物、天氣、地理環(huán)境等多樣性顯得不足，且模擬仿真度不夠，在生動性與鮮活感方面有所欠缺。

模型細(xì)節(jié)設(shè)計方面存在不足。就人物模型而言，由于缺少考證等因素，人物五官、表情、簡易衣著等做得不夠精細(xì)，且人物動作略顯僵硬。就地理環(huán)境而言，山、河流、湖泊較多，建模過程中缺少對這些模型細(xì)節(jié)上的描述反饋。就粳稻要素而言，材質(zhì)貼圖真實感缺乏，燈光渲染、陰影追蹤等未能完美展現(xiàn)。

場景還原的真實性尚待完善。新石器時代距今年代久遠(yuǎn)，生態(tài)環(huán)境發(fā)生了日新月異的變化，系統(tǒng)是通過在龍虬莊遺址考察和文獻(xiàn)史料研讀的基礎(chǔ)上加以豐富想象而進(jìn)行場景模擬展示的，亟待進(jìn)一步加以深入研究優(yōu)化。