基于Maya MEL语言的数字媒体艺术动画控制技术的研究
【摘要】 随着计算机科学技术的发展，新媒体与计算机技术的紧密相结合应用的领域越来越广泛，任何一种现代媒体都需要计算机相关的技术支持。数字媒体产业就是由媒体、网络技术、智能终端技术，联合文化产业而产生的一项现代化产业。科学技术的发展给新媒体提供了强有力的技术支持。放眼全球，以数字媒体为代表的应用多媒体文化产业，在市场上占有的份额正逐渐增加，人们的生活已离不开数字媒体。20世纪90年代前后随着计算机运算器变成高性能超大规模集成电路，数字应用技术普及，数字媒体艺术作为多媒体应用领域的新概念产生。这一新概念是指运用现代高科技技术来呈现艺术等形式，它既是一种数字化媒体也是一种艺术精神。数字媒体是一门新兴的学科也是一门交叉学科，它需要计算机技术中的网络技术、数字通信技术、数字信息处理技术等提供技术支持，同时也需要艺术设计、媒体传播等相关学科的参与。上述各类技术的不断创新发展和相互融合促进了数字媒体产业的迅猛发展。可以说是数字技术的纵深研发和应用产生了数字媒体产业。本文从数字媒体艺术作品的表现形式角度，结合Maya制作实际，选用MEL语言中控制角色动画的技术，针对性地解决了人工控制动画遇到的问题并可以达到三维立体动画在计算机视图操作中迅速展现。这样数字媒体作品在Maya设计中应对艺术知识进行合理选择并能够显现数字媒体艺术有效表征以符合目标受众者的认知规律，达到知识在数字传播时代有效传播的目的。在大多数的数字媒体艺术设计应用当中，很多能够基于参数控制的CG动画软件都大大提高了角色动画的生产效率和制作效果，如Maya中的MEL语言一直是国内外动画界的热门话题，为了更好地达到计算机技术和艺术在数字媒体艺术上的有效结合，完成了在数字媒体艺术设计工作过程中达到的实际效果,从而实现大量角色动画的场景。
第1 章 绪 论
1.1 课题背景
随着计算机技术应用的纵深发展，媒体与技术紧密相结合应用的领域越来越广，任何一种现代媒体都需要计算机相关的技术支持，媒体发展的历程也就是科学技术发展历程。
纵观多媒体技术在国内外的发展，以媒体、智能终端技术、网络技术与文化产业的相互融合，数字媒体产业应运而生。随着多媒体的应用和文化产业市场的迅猛发展，数字媒体产业也活跃于国内外市场。数字媒体产业的高速发展源于数字技术的深度研发及应用，包括数字技术、计算机技术和媒体产品的不断研发、突破和相互融合。
数字媒体艺术既是一门技术更是一种艺术，它是由多门学科相互融合形成的，涵盖了计算机图像处理技术、多媒体技术、艺术设计等多种技术[1]。20世纪90 年代前后随着计算机运算器变成高性能超大规模集成电路，数字应用技术普及，数字媒体艺术作为多媒体应用领域的新概念产生，这是艺术领域携同知识经济并驾齐驱，通过网络媒体模式将传统的单一表现模式以更艺术更美观的形式展现出来的多元化模式的一种总称。它主要分为三个类别：第一，从其整体内涵上的层面上讲，通过计算机技术贯穿整个流程中的设计，并且将软件和硬件设施融合进去进行整合创作，用艺术的形式展现出数据构造出画质的美感；第二，从其应用程序上来说，将庞大的数据进行优化，以一种更让人欣赏的手段通过计算机技术描绘出来，突破了传统的创作模式，通过一种更为简便、更为美感的艺术表现方式进行展现；第三种应用趋势来看则是运用计算机技术、网络技术、3D 打印技术、智能识别技术和移动通讯软、硬件设备等多元化技术融合对艺术作品进行数据模拟复合的数字化仿真手法或表现工具制作出来，使艺术作品在制作过程中虽然缺失大量数据时还能够通过多方信息数据的整合和多维度技术的复合集成而能够恢复原貌规格的艺术表现形式。
所谓艺术创作，究其本质而言，数字化媒体艺术创作并不仅仅是通过技术性创作而产生的显性表现，也不仅仅是一些艺术创作形式的反复叠加，而是依靠艺术创作性的本源通过改写、再造以及更新等一系列的形式打造而成的，在艺术性方面，它不但有其独特的意义而存在，而且也表现在美学的现代化、基础形式和基本理论等方面。
1.2 国内外现状与发展趋势
数字媒体运用信息技术和数字技术并借助传播载体，以音频、视频、文字、图片等各种媒介表现形式将传播的信息展现出来。在科技迅速发展之时，计算机信息科学以及数字传媒的发展速度也不容小觑，现在的传播媒体发生了巨大的变化。新兴的数字传播媒体已逐步取代了传统的传媒方式，如电脑动画以及虚拟现实等新一代的传播媒体逐渐走进人们的生活，而广播、传统电影、电视等已日益衰落。总的来说，传播媒体正快速的走向数字化，数字视频、音频、电的出现极大地增加了艺术多样化表现的形式。传播信息数字化的过程是指将收集的信息进行加工处理，从而使传播形式与内容都具备数字化。因此，数字媒体已是成为语言、文字、图片、电子技术等之后的最新信息载体[4]。
随着文化与传播行业市场对高科技应用发展的双向需求，近年来，文化产业的高速发展需要高科技的支持与数字电视技术、通信技术以及计算机网络技术的发展促进了多媒体产业和文化传媒产业的发展。多媒体产业已经深入到文化教育、艺术设计、娱乐出版、经济管理等各个方面。数字传媒与计算机、影视、教育等多个领域结合促进了知识经济的增长。由于多媒体产业涉及的内容之多、领域之广，可以预见在21世纪中多媒体产业将会像IT产业一样带动整个经济的增长[5]。我国的多媒体产业起步比较晚，但是发展速度相当迅速，尤其是以高科技和文化相结合的创意公司发展前景十分乐观。多媒体产业还为国民经济做出了巨大的贡献，近十年以来，在我国注册的动漫及其相关产业公司由原来的几百家扩增到 5000 多家，逐渐形成了动漫产业链，为近万人提供了就业岗位。国内中小型多媒体企业快速发展加上跨国资本的引入为我国的信息经济注入了新鲜的血液。多媒体产业在我国实现经济可持续发展、经济结构调整中起到了重要的作用。 数字媒体是多媒体产业中重要的组成部分，在新经济时代发挥着重要的作用。当今世界正处在大发展时期，是一个机遇与挑战并存的时期。新兴科技迅猛发展有力的推动着媒体技术的发展。
数字媒体的快速发展一方面给各国的传统媒体带来了挑战，另一方面也给各国新兴经济的发展带来了机遇。数字多媒体技术有助于中国经济发展模式由“中国制造”转变为“中国创造”，与此同时中国经济发展要实现可持续发展必须好好把握住数字媒体带来的机遇。数字技术和网络技术突破了传统媒体的技术障碍，使各大媒体的竞争实力增强，产生了一批重要的新兴媒体，如：车载电视和手机媒体等。
第2 章 数字媒体艺术研究理论概念
2.1 数字媒体艺术的特征
对于搞艺术创作的工作者来说，数字媒体艺术不仅仅是指某一传统艺术种类的新表现形式，而且是基于计算机数字技术的平台创造出来的多种媒体相结合的艺术样式，通过采用基本相通的表现元素的方法，运用统一的数字工具和技术语言方式，共同构成数字媒体艺术表情达意的基础。数字媒体艺术综合了多种艺术形式，它不仅能够进行数字绘画和数码设计，而且也具有类似电影的功能，可以对运动影像进行剪辑、编辑和重组，自然它也能够同时综合多种时间性的媒体如动画、电影、声音等从而拥有更加丰富的艺术表现形式。可见，群体交互性和动画特质是数字媒体艺术设计的一个最明显的特征，交互形式的多种多样可以给受众们带来不同的感受[11]。他们可以动用眼睛、耳朵甚至全身的感官去感受作品的艺术气息，并全程参与到艺术的互动中。
2.1.1 传播大众化
生活在 21 世纪的大众现代生活娱乐内容丰富多彩，无论在生活娱乐和工作学习上都可见数字媒体衍生的相关产品。例如，利用计算机设计打印平面广告、电子报纸杂志、3D 动画电影、创造插图、3D 广告和虚拟现实环境等等。高科技和计算机技术与艺术的结合推动了数字艺术的发展，进而人们的审美观念发生了根本变化。
大多数的设计师们使用数字媒体设计往往把计算机技术作为作品的计划和展示的工具应用到其它媒体之中。目前，我们的确已经步入了一个新的时代，即计算机技术和数字媒体相结合的真正的富媒介时代，这不仅仅表现在动画工具上，媒体与现代多元仿真技术之间交叉结合而产生的艺术表现形式或工具，都无不影响着艺术产品的创作表现形式[12]。对于动漫设计师而言，在他们合成电影特效的过程中，经常也会把他们的创意和观点利用数字媒体技术转化为动作渲染的创意，从而制作出2D动画。对电视片头、录像里特效的制作也是如此。而一些工业设计师则把模型中的渲染特效发挥到极致，他们为了能够利用数字媒体技术制作真实的模型，将其利用到各个方面如3D动画、立体建模、环境产品等。一些艺术家则通过多种技术的合成方法以计算机及相应软件为基础，探讨媒体和计算机之间的相互联系，并创造出能提升我们关于世界的体验的互动多媒体表现工具。
2.2 视觉元素表达的需求
数字媒体艺术的繁荣发展离不开计算机技术的促进。数字媒体艺术的传播是依托屏幕来实现的，这便是数字时代艺术的表现形式。从对受众者的吸引程度可以看到这种传播方式所带来的感官体验的效果，也就是界面上视觉元素的传达效果。
在艺术欣赏方面，观众对不同艺术作品的视觉感受是不同的。虽然艺术家均使用数字媒体这一表现形式，但因为“包装”方法不同，便使得不同的作品拥有了各自不同的表现力[16] 。不同的手法所表现的内涵也是“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”的，对风格而言也是如此。
就创作者而言，艺术的表现形式是多种多样的。因为要面对受众者的欣赏品位和审美情趣，所以数字媒体设计的艺术作品必须能够展现它的强大的界面视觉传达能力，，成为能够吸引受众者的新奇美好的数字作品[17]。数字媒体艺术的创作人员不仅需要加强音乐、美术、文学等相关领域基础知识的学习，对它们的创作规律及有关制作技术也应适当掌握。
如果创作者在制作三维动画时没有对于造型、结构等美术基本功知识的熟练掌握，就难以制作出一个基本的三维模型；如果缺乏对蒙太奇、构图、景别等影视常识的了解，那么处理虚拟摄像机的机位就比较困难；如果对色彩没有认真的领悟，显然就不能正确地设计材质、灯光等细节。但是如果仅仅懂得了使用Maya、3D 等三维设计软件的指令操作，要让作品能达到一个整体的效果也是很困难的。可见，成为一个优秀的三维动画师任重而道远。
数字媒体艺术是一门综合性艺术，具有金字塔形式的艺术表现体系，它在多学科发展的基础上建立，包含了多种艺术门类，是艺术、科学和技术三者的完美结合[18]。目前艺术创作的繁荣随着数字媒体艺术的快速发展，也带动着相关软件技术的升级，新版三维动画和绘图软件工具等数字化技术成果层出不穷。有的软件具有视图渲染编辑的功能，能够在生成视图文件时将后加入的新素材或效果融合到编辑中的文件中去使之成为最终画面文件可以进行实时播放，这类常用的三维软件有美国Autodesk公司的 3Ds Max、Maya，它的代表作有《X-MEN》、《魔比斯环》、《玩具总动员》、《星球大战》等，如下图2.4所示是《星球大战》电影场景；有的软件具有后期特效、合成、剪辑的功能，能够在传播媒介技术的渲染环境下由电脑软件所制作出与现实中一般不会出现的特殊效果，可以凭借人体的器官功能感知的，这类具有后期特效、剪辑、合成功能的软件在后期制作中各有所长，较为常见的有After Effect、Inferno、 Premiere、Combustion、Flame等。
第三章 数字媒体艺术动画设计分析与设计方法.............17
3.1 数字媒体艺术动画设计分析........................17
3.1.1 用户心理行为因素................................17
3.1.2 用户的类型.......................................17
3.1.3 认知和行为特性.....................................18
3.2 用户为中心的界面动画设计方法......................20
3.2.1 用户为中心的界面设计原则..........................20
3.2.2 用户可用性界面的一般设计原则.......................21
3.2.3 动画设计基本方法..............................21
第四章 Maya 嵌入式语言 MEL 的技术实现与分析.............24
4.1 嵌入式 MEL 语言作用在动画交互的表现特征 .........25
4.1.1 MEL 语言功能特点 ..............................25
4.1.2 Maya MEL 语言构建三维动画模型.................26
4.1.3 说明 MEL 命令及函数特点 ....................27
4.2 用 MEL 语言系统实现动力学动画原理分析 ...........29
4.3 基于 MEL 语言的 Maya 分析............................31
4.4 应用实例：用 MEL 语言实现人潮涌动模拟 .................32
4.5 MEL 对渲染的控制作用 .........................35
第五章 基于 MEL 语言的 Maya 数字艺术动画控制技术实例分析 ........36
5.1 动作特征在三维动画领域的应用分析...................36
5.2 三维动画系统构成简介...................................38
5.3 三维动画关键技术分析与实现.......................40
5.3.1 二维插值关键帧动画...............................40
5.3.2 包裹蒙皮变形技术................................41
5.3.3 基于 MotionBuilder 的运动编辑技术.............42
5.3.4 几何“皮肤”由骨架控制..................43
第5章 基于MEL语言的Maya数字艺术动画设计实例分析
不管使用手动交互控制还是MEL语言，三维动画技术的关键点之一依旧包括动画的流畅度。动画片是否成功的标志如下：一、运动规律由动画物体、动作表现的质量好坏决定；二、动画的表现效果与创作意图是直接影响因素。如果使用Maya 软件，那么在新建好角色模型与骨骼后，需要对模型施行蒙皮处理，接下来需要反复转换动作才能控制住动作。在此过程中，正反向动力学的转变都会被牵涉。MEL 语言新建 IK/FK 语言系统后会将其设定为控制按钮，以便制作出多姿多彩的动画效果，快捷地实现转换[31]。
在本章节中，骨骼系统是 Maya 软件的产品。它是利用 MEL 语言对手臂的IK/FK 实现控制转换，并新建 IK/FK 的转换系统，以保证此骨骼系统能够被各种角色模型应用。动物的尾巴可以依靠MEL语言系统来控制，群体动画的动力学模拟系统也以MEL语言系统为基础。
5.1 动作特征在三维动画领域的应用分析
经过专业深入的研究以及长期的实践，相当多的一批专业人员总结出了动画相关规律，并形成了一套动画运动系统。值得提出的是，迪士尼公司所提出的动画原理是当下最受欢迎和最为流行的，其动画遍布了计算机动画的每个角落，但制作三维动画过程里面需要遵循的基本规律依旧是迪士尼的动画师所制定的原理与规律。动画里面经常使用的动作特点如下：
1.缓慢出入（Slow-input）：当某特定物体长期处于固定状态时，受某种或某些因素影响，瞬间改变其原有状态，其间所经历的过程定会涉及到其他环节。例如，人在行走时，一旦迈出脚步或者停止前进，他的速度都会减慢，中间则会加快以保证整体动作不至于干瘪。
2.伸展压缩（Stretch）：当某两个或多个人物发生撞击或拉扯等动作时，都可能产生伸展和压缩的现象，而这个动作能够将物体的量感和质感体现出来。通常，人们在动画里面看到的是夸张表现，并不是真实的物理体现，动画中的动作会尽量拉长压扁，将角色身体的变形程度加大，以完成预想的夸张效果。如果制作三维动画，那么伸展和压缩的功能会遍布整个制作过程。之所以如此，是因为其自身的网格式功能所引起的。这一功能不但涉及到基本形变、压缩或扩大比例，甚至涉及到进阶方面。例如FFD BOX这种形变功能他属于网格式，他们都会涉及此方面的内容。
第6 章 结论和展望
随着数字媒体的发展与互联网和IT行业的关联越来越多，将在不久的以后，成为新媒体全产业发展的不可或缺的重要力量并推动着整个产业的发展。数字媒体与消费者的行为紧密的结合在一起，通过这种方式影响着整个领域的进步和发展，同时制造业和消费业等也都受到了数字媒体带来的强烈冲击力量。在商业化的文化传播领域，把数字媒体产品的服务和技术创新与品牌的市场推广体系结合在一起，实现数字媒体营销成果效益的最大化；如今，在新媒体市场中，广告商、代理人、媒体等各方面角色通过何种方式迅速找到合适定位、并利用现有业务进行市场拓展，是数字媒体行业在持续发展的过程中亟待解决的问题。中国拥有着全世界最大的互联网用户量、广阔的市场前景，成为了国际数字媒体行业巨头的必争之地。如今在中国，高达3亿数量的网民经常通过网络观看在线视频，这一现状预示着其将成为产生数字媒体广告费用的主力之一。如中国社交网站（SNS）的用户已经超过了 1.5 亿，不少于三分之一的网民都是 SNS 的使用者；众多主流互联网媒体也争相往社交方面转型，使得许多 SNS 新平台和社交产品不断更新。因此，视频网站和社交媒体是数字媒体发展的新的方向。
与此同时，我们在研究工作时更需关注数字媒体发展的新领域和方向，比如虚拟现实、3D 渲染打印技术等，研究的实用效果和应用范围应该为人们生活和工作带来便利，如建立在三维实时渲染技术基础上的火灾训练系统包括如下内容：建筑三维地图构造及显示、与用户的交互、火灾实况模拟、逃生策略指导和救援方案。
MEL 语言功能特点，分析 MEL 语言在三维动画中的优点所在；通过运用MEL 语言解决三维动画中的模拟、动画等问题以及实现某些随机事件的处理；这是一个将理论分析和实践创新紧密结合的毕业项目，通过该项目的完成，我对计算机三维动画有了深入钻研，通过编写程序过程，对国内外计算机三维动画的历史和发展现状有了较为系统和全面的认识和了解，感受到了三维动画中 MEL语言的作用，自身 MEL程序的语言编写能力得到了很大的提升。
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本文编号：19368
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