三维动画人物设计与医学成像技术的融合

史学峰　康蕙滢

摘要：三维动画人物设计与医学成像技术分别处在艺术与技术两个领域，这两个领域虽然截然不同，但是两种技术的目的都是实现“虚拟人”的形象的再造和创造，用可视化的图像去诠释人类的身体。本文通过对三维动画人物设计与一些成像技术的技术构成、设计思想和制作过程进行分析，梳理出两者之间的互动。总结出“医学动画”是三维动画人物设计与医学成像技术的融合的结果，并对其进行分析探讨，同时也分析了动画人物设计与医学成像技术在视觉形象和运动设计中的相互渗透。

关键词：三维动画 人物设计 设计系统 医学成像技术 医学动画

中图分类号：J0-05 文献标识码：A 文章编号：1008-3359（2017）07-0174-04

一、三维动画人物设计与医学成像技术概述

对于三维动画设计系统和医学成像技术系统的“设计对象”来说，都是人类的身体，两种技术设计产品的表现形式也都是“人的身体的影像”。三维动画人物设计以及医学成像技术系统从技术的角度来看，都是采用虚拟形式去构造一个“虚拟人类的身体”，但是由于两种技术的主要用途不同，对人体构造的目的也不同，因此，两种技术的侧重点也不一样。三维动画人物设计属于艺术的范畴，对动画人物的设计来说，更注重动画人物感官上的艺术性，因此在构造动画人物时，主要运用造型、色彩、材质、光线等技术元素来对人类的外部特征进行造型；医学成像技术系统则是创造一个人类的身体图像用于医生对病人的诊断，所以医学成像技术系统等加注重图形数据的精确性和人体透视的准确性。我们可以把这两种不同的技术系统看成是人类对自己身体描述的两种方法，这两种方法一种是从外观描述人物身体是三维动画，另一种则是从内部描述人类身体的医学成像。因此，三维动画人物设计技术是一种属于艺术范畴的方法，而医学成像技术则是一种属于科学范畴的方法。

（一）三维动画设计系统

三维动画人物设计离不开计算机软件的支撑，用计算机技术进行三维动画设计与制作经历了由高级语言进行编程，用数学公式来表达图像的点线面，到传统计算机动画阶段再到先进计算机动画阶段的三个阶段。下面我们来分开阐述一下传统计算机动画以及先进计算机动画的原理与特征。

传统计算机动画运用的是设计关键帧技术，计算机软件根据动画设计师所设置的关键帧，自动生成两帧之间的中间动画，从而将关键帧联系起来，形成动画轨迹。在这个过程中，动画设计师只需把物体在动画变化过程中的关键属性设置成关键帧，如：大小、形状、方向、位置等，计算机便可以自动根据相邻两帧之间的属性差值自动计算并生成中间处在变化状态的动画。中间动画的生成方式于关键帧的设置方式密切相关，设置不同，生成的中间动画也有差别。关键帧动画有图像关键帧动画、参数关键帧动画和程序动画。同时，计算机也可以完成动画后期中的着色、剪辑以及特殊效果。

先进计算机动画是对机械规律、物理规律进行模拟而产生动画效果的计算机动画。模拟方式不同，产生的计算机动画效果也不同。计算机动画不仅可以制作出具有二维的平面视觉的动画，还可以创作出具有三维视觉立体效果的三维动画。在用计算机对三维动画设计时，可以构造出具有三维立体空间感，并且使之产生运动的人体，有着较强的视觉效果和人体运动的真实质感。因此，计算机动画有着巨大的吸引力，尤其是在计算机动画中动作捕捉技术被广泛应用之后，后期制作也更加简单了，同时动画人物在动作、表情的表现上也更加真实。

（二）三维动画人物的设计与制作过程

计算机动画技术在创作动画影片时，从角色造型到动画场景的创建再到上材质、打灯光以及加摄像机都在计算机上进行，其制作过程主要分为以下几点：

第一步，先来对人物角色进行造型设计。先把人物造型根据预先设计好的特点做成泥胶模型，再将其扫描到计算机里，角色模型便被数字化了，再通過计算机相关软件对角色人物设置骨骼、关节等参数。

第二步，附材质。将动画人物的人物皮肤、毛发、瞳孔、人物角色等赋上相应的材质，来表现真实的质感。

第三步，为动画人物设计表情和动作。通过动画制作软件中的动作捕捉技术可以为动画中的人物加载一些运动参数，使动画人物按照既定的运动轨迹进行表情运动和肢体运动。

第四步，对场景进行设计。给三维动画人物设计适合的场景、打灯光、为人物加载光影效果，营造更加真实的效果。

第五步，渲染、剪辑，形成影视动画成品。

（三）医学成像技术分析

医学成像，在医学领域被称作医学可视化技术，其种类繁多，成像方法、原理以及所适用范围也都不相同。归根结底，医学成像技术是结合计算机技术，从观察到的数据中提取出人体中可以用作临床诊断的数据，用于医学诊断领域的图形处理技术。医学可视化技术的重点是对数据处理和图形的显示。它将人体解剖学与现代影像学有机的结合起来，将获取到的人体解剖结构数据，借助计算机，建立起人体三维模型。这个人体三维模型具有数字化，与真实人体一致的，能够显示人体各器官和组织结构立体的特征。这些模型能够在交互模式下实现视角的转换、平移、缩放等功能。

4.医学成像技术的处理过程

医学成像技术系统主要分为三个步骤：

第一步，对虚拟的人体信息进行采集。采集后的输入方式主要有两种：一是从真实物体中获取图像，二是采用几何模型输入数据。

第二步，对输入的图像数据进行转化。

第三步，将图像数据进行运算处理。

第四步，对运算处理成功的数据重构，并还原图像，将它们还原成可供人直接观看的图像。

二、动画人物设计技术与医学成像技术设计思路的异同分析

（一）三维动画人物设计的设计思路

三维动画人物的设计技术是运用动画设计软件和计算机，通过数字化的方式对人物外观进行虚拟表现，它将人物进行艺术化处理，不仅具有独立性的视觉特征，还具有美学的基本特性。三维动画人物设计是具有艺术性的人物虚拟表现。在对三维动画影像构建之前，需要设计者先来确定设计思路，对整个设计过程形成整体性的把握，主要是针对虚拟人物在艺术和情感两方面的表现走向，以便构建出更加真实、丰富的动画人物。

在进行三维动画人物设计时，通常对虚拟的人物设计采用两种手法：一种是真实模拟的表现手法；另一种是抽象夸张的表现手法。模拟真实的设计手法，追求对人体形象和结构的逼真再现，这种设计手法往往十分注重人物面部特征的表现，对面部表情、皮肤进行十分精细的处理，从而更加真实的去表现人物以及人物的情感。抽象夸张的表现手法，强调动画人物的特征，会将动画人物最具典型的特征进行强调处理，运用夸张的手法将人物某一部分进行重构，从而使观者能够产生较为深刻的印象。

当然，三维动画人物设计的根本目的是将其作为动画影片的组成部分，所以，无论采用真实模拟还是夸张再现的设计手法，根本目的都是能够激起观者的审美愉悦。因此，其设计思路有以下几个共同的特征：

1.强调人物造型的美感、运用色彩、线条、光线、材质等能够为造型表现服务的一切元素对三维动画人物进行丰富的表现；

2.强调人物运动力的表现，综合运用各种参数、函数、公式构成动画人物的运动表现力；

3.强调动画制作的手动调节功能，以便满足动画人物创作者的审美特征。

（二）医学成像技术系统的设计思路

医学虚拟人系统可以说是一个用于医学实验和医学临床诊断与治疗的一种可视化的智能影像系统。通过这个系统，将人们用多种科技手段获得的与人体以及人体器官相关的数字化数据进行系统的整合，形成严禁、清晰、准确的人类身体图像。这些图像并不是仅仅能够实现供人们观看的功能，它由各种严密的科学数据构建起来，在系统中输入各类病理信息数据，系统里的人体三维模型也会跟随数据的输入变化和活动起来。

医学成像系统的设计思路特征是：

1.它更加强调光学系统对身体产生的透视能力；

2.相对于三维动画来说，医学成像更加强调经由数据系统和光学而产生的线条、色彩、图像、明暗变化的准确性与清晰度；

3.医学成像系统具有模拟自然化的仿真性的图像变化，强调数据之间的交互。

三、“医学动画”——三维动画人物设计与医学成像技术的融合

“在技术史中，选择所操纵的实际单元是人工制品、人或企业，而不是这样的技术本身，这一点同样能够得以维持。”

三维动画与可视化医学成像技术的发展和演变，虽然没有什么因果关系，也不存在技术出现和发展的先后顺序，但是就约翰·齐曼持有的观点表述来说，它们的发展和融合是随着科技的发展和人类需求以及科技需求，而使科技之间不断借鉴、不断融合成了必然的发展趋势。而三维动画技术与医学成像技术的发展、融合、相互借鉴的成功应用结果就是医学动画技术。医学动画技术在在医学虚拟现实技术中产生高度融合，并得到发扬。

（一）医学動画技术

医学动画技术是三维动画人物设计技术与虚拟成像技术的成功结合，在医学动画中，两种技术形成了有机的融合。医学动画被广泛的应用于医学教学与医学科普宣传，它将复杂的医学原理以形象化、直观的方式用动画影片的方式展现出来。一些很难用语言和实物来进行表达的，将其制作成医学动画，可以把这些内容以生动的形象直观的展示出来。不管是在医学教学，还是医学科普宣传中，都能够生动的展示事物特征和本质。

（二） 医学动画的概念及特点

医学动画是用于医学科普以及医学教学领域的一种计算机动画形式，它运用计算机软件，将严谨的、枯燥的医学内容进行虚拟再现，同时医学动画也可以再现对象在时间和空间上的行为动作。我们把医学动画的特点归纳为以下几点：

1.医学动画的造型“写实”应该符合医学对象本身的要求。对医学动画对象进行造型时，不能够加入主观的情感色彩，也不能够抽象表达，造型没有规则可循。例如不能把心脏画成球形、不能把小肠画成圆柱体等等。

2.医学动画的材质“写实”。医学动画比传统三维动画更加追求质感的真实性，例如血管的材质如果看起来像pvc，就会影响医学动画本身的可信度，这样也就违背了医学动画制作的原则，所以“写实”是医学动画设计的基本要求。

3.医学动画使用规范化的色彩表现。医学动画在进行色彩的选择时，通常会选择世界公认的颜色进行设计，例如：人体动脉用红色、静脉用蓝色、神经用黄色、淋巴用绿色。

（三）医学动画的创作与设计过程分析

医学动画的创作过程要经历：选题、编写文字稿本、导演构思、分镜头设计、影音设计、镜头剪辑等。这个过程与普通动画设计的过程极为相似，不同的地方在于，医学动画必须在医学范围之内进行目标的选择。医学动画的选题目标通常是那些用传统拍摄方法不能实现的教学内容，例如：病毒入侵人体的过程、人类身体器官病变的过程等；也常常拍摄用于对持续过长与过短的医学过程进行记录，例如精子与卵子结合的瞬间；选定了拍摄对象，接下来就对文字稿本进行准备，与传统动画一样，根据选题和目标设定稿本并进行分镜头设计。医学动画的制作过程步骤如下：

第一步，对象造型。利用三维软件将对象的形象特征进行准确的描述。对象的造型，既要忠于科学的真实性，具有“写实”的特征，又要在写实的基础上进行一定的美化。对于肉眼可以观察，或者在显微镜下可以观察到的对象，写实描述的同时进行美化，使其具有一定的艺术感染力。而对于肉眼无法观察到的，或者在医学上只能根据科学内容构造的对象，需要加入想象，对创作对象进行虚拟，这样的想象就带有了创作的主观性。

第二步，附材质。任何一个动画对象在创作好其造型特征后，都需要赋上材质，对这些对象进行更加写实的表现。对于医学动画来说，材质的赋予通常都要遵守其写实性，尽量的表现对象的真实质感。当然，医学动画的材质常常具有符号性。

第三步，构图。对于医学动画来说，其构图的时候应该弱化艺术性，把动画所要描述的主观主体进行构图，遵循主体、陪体和背景的原则来归纳和安排。

第四步，设计景深。景深与摄影技术中的景深概念相同，景深为医学动画赋予了一定的艺术品格，它使医学动画既脱离了二维动画场景的失真性，又告别了记录性质影片的真实和枯燥，具有自身独特的影像张力。

第五步，赋色。医学动画的赋色，不同于传统动画，采用的是统一的标准。例如动脉是红色的，静脉是蓝色的，神经是黄色的，淋巴是绿色的。

最后，渲染、剪辑和合成字幕等。

四、动画人物设计与医学成像技术的相互渗透

动画人物设计与医学成像技术的相互渗透，得益于计算机技术的飞速发展。两者在计算机技术基础之上相互渗透、取长补短。我们从以下几点来探讨两者之间的相互渗透，探寻两者之间的联系。

（一）共同构造“虚拟人”的视觉形象

对于“虚拟人”的这个对象，计算机数字技术，帮助了两者之间进行融合。在运用计算机和三维数字设计软件对“虚拟人”进行设计制作时，医学成像技术为人体结构提供了标准的数据库；医学成像技术中的“虚拟人”，则是借鉴了三维动画设计技术中色彩、线条动画的成果。这两种技术系统都在试图构造出一个关于人体的庞大的数据库，这些数据库里的信息是关于人体的运动、线条、色彩等标准数据。人们可以通过人工操作，从而提取出符合审美视觉的视觉的准确、清晰、生动的影像。在计算机技术的参与下，三维动画的影像具有了科学思维的精确性，而数字化的人体医学影像，也具有艺术的幻觉性。

（二）“虚拟人”的人体造型及其运动设计的相互渗透

计算机数字显示技术的出现改变了手工动画在对人物设计时，依赖设计者的主观经验对其形体、轮廓、表情、动作进行把握，而基于 X 射线透视的医学成像技术，则是一次性的由化学显影完成的，其身体影像既不具备清晰性的这种现状。计算机数字技术中的三维动画技术汲取了医学成像系统中的关于人体结构与运动数据，使其成为人物造型中对骨骼、关节、蒙皮、动作捕捉的设计基础。

医学成像系统同样的也注入了来自动画技术系统的色彩、线条、光线生成方式，使得过去模糊呆板的人体影像成为具有互动特性的充满了生气的人体结构与运动图形，为医学诊断技术提供了一个崭新的平台 。

参考文献：

[1]十一郎.动画创作理论[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]梁国伟.影像技术：人类生命的总体化表征[M].哈尔滨：黑龙江人民出版社，2005.

[3]江丹立.科学计算可视化在现代医学中的应用[J].人类工效学，1999，（03）.

[4]杜焱，李一.计算机图像处理在医用图像诊断中的应用[J].沈阳工业学院学报，2003，（22）.

[5]邢英杰，張艳峰，陆海涛，刘晓冰.医学图像体视化技术的研究与开发[J].体视学与图像分析，2003，（08）.

[6]梁国伟.影像技术：人类生命的总体化表征 [M].哈尔滨：黑龙江人民出版社，2005.

[7]常向东，牟永阁，张京铁.二十一世纪的医学成像技术展望[J].实用医技，1999，（05）.

[8][美]约翰·齐曼.技术创新进化论[M].孙喜杰，曾国平译.上海：上海科技教育出版社，2002.