计算机动画技术在微课中的应用与研究

梁启友

摘 要：该文探讨微课中关于计算机动画技术应用的几项具体技术，为教师们如何在微课中使用计算机动画技术提供借鉴；论述计算机动画技术对于微课的意义，并对计算机动画技术和微课相结合这一现象提出辩证的思考。希望该文可以帮助教师和学生更好地将多媒体和课堂结合，使课堂更加丰富有趣，调动学生的学习积极性，提高学生的学习效率。

关键词：计算机动画技术 微课 应用

中图分类号：TP3-4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（b）-0178-02

微课以其短小精悍和教学形式活泼有趣而逐渐被大家所认可，成为一种新兴的教学手段。目前动画以其形式多样、内容丰富、风趣幽默和极强的表现力被广泛应用到微课的制作和研发上。计算机动画及计算机辅助教学系统在美国、日本、加拿大和亚欧很受重视，而国内计算机动画技术由于硬件条件的限制发展比较晚，但是近年来我国用计算机动画技术应用愈加广泛。文章从使用技术上给出具体的指导，剖析了动画与微课结合的局限性，为教师很好地使用动画这一技术提供了参考。

1 计算机动画技术在教学中使用的主要技术

1.1 构造模型

计算机动画的几何造型和用于一般工业产品设计的几何造型方法相比，其特殊的要求是计算量小，以便使成千上万帧的动画可以在一个合理的时间里完成。计算机动画制作涉及建模、色彩、纹理、灯光、运动、特技效果和渲染等内容，当动画脚本确定后，角色的几何造型和动作轨迹是首要的基本建设。首先根据创意完成对场景及有关角色的造型设计，通过适当的数据结构表示点、线、面、体等几何元素以及几何元素之间的邻接关系，综合运用数学（主要是几何学和计算机数学）、人机交互技术、图形显示技术等领域的相关技术。描述具有几何意义的点、线、面等的坐标、长度、面积等的数据值或度量值，利用对象形体的棱边和顶点来表示几何形状的模型。曲面、曲线的表达方式，标准解析式有显式（y=f（x），z=f（x，y））和隐式（f（x，y，z）=0），在构造曲线、曲面的时候包含控制型值点、曲面曲线的拟合、曲面曲线的逼近、曲面曲线的插值、样条Bezier曲线等工序。计算几何学针对线框模型、曲面模型和实体模型提供了数据拟合的多种方法，比如Coons方法、样条函数方法和NURBS方法等。随着样条曲线的广泛应用，使用Bezier曲线不仅成为CAD系统的数学基础，而且成为发展CAGD新方法的重要工具。Bezier曲线的性质依赖于Bernstein多项式，它有许多良好的性质，Bezier曲线与控制点的相对关系在仿射变化下不变。

1.2 模拟质感

在制作好模型之后，模型需要补充材质，赋予物体几何模型以某种材料的材质属性，比如颜色、光泽、亮度和透明度等参数，使之呈现出某种材料所应该表现出来的颜色和质感，以此造成物体是由某种材料“做成”的感觉。首先把纹理或图案“贴”在物体表面，物体被赋予材质之后，表面就会有逼真的材质和纹理的效果。然后在场景中放置虚拟灯光，以模拟真实世界的明暗和色彩，如Gouraud明暗处理、Phong明暗处理等产生光亮和阴影的效果，也可以是在场景中放置虚拟摄像机，这样可以产生摄像机视图，从而使得制作出的画面有如同真实摄像机拍摄到的画面。最后需要通过计算机的“渲染”来生成动态的影像文件或图像序列，“渲染”之前的各道工序知识动画的场景文件，即设定动画场景中的几何模型参数、材料属性参数、灯光参数、摄相机参数和动画的关键值等，需要计算机系统将这些设定参数代入相关的计算机图形算法和动画算法进行计算，才能真正生成动画序列。最简单的光照模型是Lambert，可用于模拟表面颜色暗淡、无光泽的材料，就像是乒乓球的材料，但是Lambert不能模拟类似金属、陶瓷、玻璃等富有光泽的材料。二维纹理映射是一种纹理映射方法，这一技术是将一给定的纹理函数映射到几何客体的表面上，对于此类映射已有成熟的算法，其基本思想是将在纹理空间中的二维纹理函数映射到景物空间的三维表面上，再进一步映射到图像空间的二维图像平面，即屏幕上，这一过程也可以简化为两个坐标系之间的变换，当映射函数建立好以后，即可进行纹理空间到图像空间的映射。

1.3 模拟运动

运动设计师动画的核心技术，动画的最简单变化形式是对固定构成的非固定观测与记录，较复杂的形式是造型与视点一起运动。运动生成的程序实现方式以软件工程方法為基础，用面向对象方法、模块化等方法实现运动生成技术。运动生成技术主要分为关键帧方法（Keyframinganimation）、过程控制的运动生成方法、物理仿真方法和智能运动4类。在构造好模型之后，可以创造比如沿路径的运动，在所有运动参数中位置及运动方向是最需要确定的物体的两种运动参数。首先是从物体运动路径的运动方向确定，有根据关键点形成的插值路径，对于确定的路径，物体运动速率的确定实际上是以弧长参数化运动路径表示的曲线的过程，即定义物体某一时刻走过了某段弧长也就定义了物体的速率，根据力学原理，加速度位于运动路线的密切平面内，因此按照Frenet坐标架变换存在连续性的问题。在进行运动的轨迹设计时，常用到的动画技术是关键帧动画、算法动画以及关节动画，关键帧动画生成的基本方法是通过两个关键帧之间各对应的控制点进行线性插值或非线性插值而产生中间画，不过如果是采用动画系统制作动画，那么只要确定动画在两个关键帧上的大小、形状、位置及比例，系统将自动在关键帧之间形成动画，关键帧的操作方法技术很简单但是要求维度相同，而且彼此的拓扑结构相差不能太大，所以制作时比较麻烦，造型的前期工作量比较大。而算法动画是通过表示某种运动规律的参数来控制动作进而产生动画，可以制作比如风吹、水波动等自然现象的动画，用以表示诸如重力和摩擦力的课程内容。而可以模拟人体关节运动的关节动画也是微课动画制作中常常用到的运动控制方式，它采用的是逆机构运动学的方法设定运动轨迹。

2 微课中动画的优势

2.1 模拟实景，激发学生积极性

在动漫产业日益繁荣的现代，学生很多都是在动画文化的熏陶下长大的，因此对于动画的兴趣十分浓厚。而动画的特点是夸张，它的镜头语言承自电影，几乎实拍能表现的画面动画都能够演绎，并且以Maya、3DMax动画为主的动画制作融入了造型、色彩、音乐等多种表现形式，生动直观，具有极强的表现力。那么在微课中加入动画可以很轻易地调动学生的积极性。而且用动画技术虚拟出的人物和环境十分形象，表现力丰富，能够刺激学生的视觉观感，激发学生的情感体验，充分调动学生的注意力和观看课程的兴趣，从而提高微课教学的效率。

2.2 化抽象知识，更加通俗易懂

对于一些理论性强、知识概念比较抽象，而解释起来又比较繁杂的专业课程，可以从中找出其本质做成微课。微课的特点就是短小精悍，它的动画也因此被赋予了节奏紧凑、内容精简等特点，利用动画的形象直观地让学生了解到复杂知识语言下所隐藏的真理，营造出生动活泼的学习氛围，让学生们可以投身到微课的学习中去，将无聊枯燥的课堂变成充满乐趣和新奇的试听旅程。所以设计精妙、指向明确的动画制作，可以和别的多媒体结合成一个主题突出、类型多样、结构紧凑的微课堂。

3 计算机动画技术与微课相结合的辩证

3.1 技术是否是最重要的

对于很多教师来说，使用多媒体制作微课，进行动画的制作，视频的剪辑是很困难的，甚至像比如Flash、Maya等动画制作软件都没有见过，那么微课的制作是不是就要在这里停止呢？其实一般的微课不需要很复杂的编辑，那些需要复杂编辑的视频其实是因为在拍摄过程中出现了问题，或者是设计的时候没有考虑到一些问题而导致视频最终不够精致才需要很复杂的编辑技术来修复它。不过当然也需要对拍好的视频进行编辑，但是那些只是简单的编辑就可以了，不一定非要专业的剪辑软件。而且其实要是微课要使用一些复杂的动画，就可以请专业团队来制作，教师只要提供设计思路和教学素材就好了，所以技术在微课上不是最重要的。

3.2 没有动画的微课是不是好微课

由于每一个课程的内容是不一样的，所以在动画制作中所侧重的技术也是不一样的。微课有很多种表现形式，需要使用哪种形式表现其实取决于微课的内容、受众和教学设计，而动画只是作为其中一种方式。从媒体表现形式的原理来看，动画用于表现肉眼无法直接观测到的宏观、微观的物体或动作，比如天体的运转，分子中原子的运动，甚至是处于封闭状态无法观察的工作中的发动机。在这种情况下就需要使用动画展现，但是其他的课程内容或许只需要教师的板书和言语就能传授。所以是否使用动画取决于微课的内容是否在实际生活中不易展示，取决于微课的教学设计和受众，不能生搬硬套，不然会适得其反。与此同时，可以看到动画在微课制作中有着局限性，首先，制作动画比较常见的Flash制作出来的是二维动画，形象比较卡通，无法达到微课写实、具象的效果；其次，三维动画做出来的足够精美却很难操作，需要经过系统的学习才能达到。

4 结语

综上所述，计算机动画技术和计算机辅助教学系统都是非常综合的领域，涉及到的技术也很多。计算机动画技术在微课中的使用已经显而易见，文章对于技术方面的部分具体指导进行探讨，试图通过这些探索为教师找到更好的制作微课的方法。多媒体技术是微课发展的技术基础与手段，微课多样化的信息形式得以实现和集成，多媒体的发展已经到了不能阻挡的境地，微课和计算机动画技术的融合可能代表着一个新的朝气蓬勃的信息時代的到来。

参考文献

[1] 任心燕.微课在教学中的认识误区[J].北京宣武红旗业余大学学报，2015（4）：42-45.

[2] 黄心渊，古梅，戈建涛，等.计算机动画技术在辅助教学中的应用研究[J].北方工业大学学报，1996，8（3）：51-56.