理性思维在动画设计中的教学意义

三维动画技术是20世纪创立和发展起来的一种艺术形式，它让艺术家展现了运动中的三维世界。随着当今科技的飞速发展，三维动画技术也在不断的发展，Maya软件是一个三维动画系统，它允许艺术家扮演导演、演员、场景设计和电影摄影师等多个角色，它迎合了很大范围的数字内容制作者的需求，但它的技术含量很高，所涉及的知识范围也很广，要想完成一个完美的动画作品，不仅需要有艺术的思维同时也需要理性的思维。现在很多高校都开设的Maya的相关课程，但大多数的教学都从艺术设计的角度来进行三维设计的教学，本文主要从技术实践的角度来分析理性思维在三维动画设计中指导意义，探讨如何将相关的数理知识融入到三维动画软件的教学中，从而培养学生的理性思维和创造能力。

1 Maya软件的技术特点：

Maya软件集成了Alias/Wavefront最先进的动画及数字效果技术。它不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合。Maya可在Windows NT与SGIIRIX操作系统上运行。在目前市场上用来进行数字和三维制作的工具中，Maya是首选解决方案。它的技术特征是分模块：如建模、一般动画、角色动画、动力学、渲染、运动匹配、集成性与输入／输出，等等。

Maya的基本结构是基于节点，Maya中的节点是最小的单位。每个节点都是一个属性组。节点可以输入，输出，保存属性，改变任意一个节点就可以改变角色的结构等(图一)，如在使用Maya进行三维制作时，所有操作都以各种几何形状，各种色彩的形式出现在品目上，但这些都不是真实存在的，而是由计算机虚拟出来的东西。在这些虚拟物品的背后起支持作用的是数学计算。在操作的过程中，软件系统将用户输入的指令，通过一系列计算转换成屏幕上可视的内容，但并不是所有的计算过程都是同时完成的。整个计算过程会分成一些小的单元，这些单元相互关联又相互独立，每个单元会完成一些计算步骤，形成一个相对独立的任务，然后将计算结果交给下一个计算单元进行进一步处理。节点就是这种计算单元。节点有输入属性和输出属性，能完成相对独立的计算功能。这一切的计算过程都是基于与数理相关的理性思维的。

2　理性思维在三维动画技术中具有指导意义和教学意义

众所周知，动画技术是与时间有关的，角色可以通过艺术的手段设计出来。如何使设计的角色活起来，动画制作者应对时限(timing)的把握有很好的理解，这种技术的把握应具有数理方面的理性思维来完成。图二为人运动的实例图，它反映了三维动画技术不仅需要艺术设计的知识、计算机技术知识，更需要精确的演绎思维即理性思维，在发展理性思维的基础上，发扬感性思维。

因此，在三维技术的教学中，有效地培养学生的理性思维是完成教学的一个重要环节。

3 如何培养学生的理性思维

在三维艺术教学中，我们经常提到的思维一般包括分析、归纳、记忆、判断与想象等要素。从表象上看，三维创作带有直观的感性特征，但内在的意义则积淀了大量的理性要素。严谨的理性是三维设计的基础，现在艺术院校中，往往忽视理性的思考。例如我们的世界里时时刻刻离不开数学和物理这两门基础科学，在Maya中也充分体现了对这两种科学的运用。我们在三维制作中，很多动画都需要进行理性分析，才能做出符合现实状态的逼真动画。例如图三的齿轮运动，我们必须在分析齿轮系统的基础上，运用齿轮原理及相关的数学表达式，才能制作出一个合理的齿轮的运动动画。

因而，教学中，如何启发和引导学生运用理性的方式来思考和设计动画，便成为我们在三维技术的教学中的首要任务。这里我结合齿轮转动的教学实例来探讨将数理知识融入到三维动画的教学中，

首先，通过分析齿轮原理，会发现在同一个传动系统里无论齿轮多大，具体到一个单独的齿牙和齿口的尺寸是相等的，在齿轮运动时可以得出大小齿轮转动经过的弧长是相等的，根据弧长公式得出大小齿轮转动的角度之比就是他们的半径之比。该公式是Maya软件的编程的理论依据。

旋转角度/360度＝旋转的弧长／圆的周长

其次，根据弧长公式得出大小齿轮转动的角度之比就是他们的半径之比。

最后，根据上面的公式我们就可以在Maya的脚本编辑器中输入以下表达式就可以实现模拟现实中齿轮转动的效果。

Gear_23_01.rotateZ=-Gear 37 01.rotateZ/(7.309444/11.772555)；

从上面的例子我们可以看出，整个教学过程先从齿轮转动的物理特性入手，目的是训练学生的理性分析、归纳、判断能力，从而进一步完成三维软件的动画编程，而实现这一动画的过程结构是基于节点网络的，是建立在精确的理性计算基础上的。这样动画设计可以通过文件公式进行传递，也就是说教学中训练学生的理性思维，可以帮助学生在动画设计过程中研究物体的客观运动规律，通过现有的条件，根据现有的理论方法求解，寻求合适的方法来完成设计。当然，在设计过程中也要使用一些感性方法，而这些感性思维也是建立在现有理性思维成果基础上的。像前面讲的齿轮运动和人运动都是依据客观规律的，而不是想当然设计的，否则制作出的动画作品就不符合现实了。

空间中两点之间的距离的公式就是著名的毕达哥拉斯定理。

L2(X2-X1)2+(Y2-Y1)2+(Z2-Z1)2

这样的复杂公式在Maya中是通过节点网络连接实现的。

图四为节点网络图

图五为Maya利用加减节点求两个三维点对应的X、Y、Z的坐标之差。

图六为软件用乘除节点求平方

图七为软件利用加减节点求和

图八为软件利用乘除节点开平方

4 结语

在科技文明高速发展的现代社会，学科渗透、文理交叉已是大势所趋，理性思维在三维动画设计是具有指导意义，而在动画教学课程中运用实践式的项目教学方式可以有效的训练学生的创新思维能力。