3D打印技術(shù)在三維動(dòng)畫(huà)畢設(shè)中的應(yīng)用初探

楊魯

摘要：伴隨3D打印技術(shù)的進(jìn)步和日趨完美，耗材的多樣性，打印出的產(chǎn)品更加精致、質(zhì)感豐富，周期縮短。該文探索將此項(xiàng)技術(shù)有機(jī)整合融入三維動(dòng)畫(huà)畢業(yè)設(shè)計(jì)中;一方面增加動(dòng)漫專(zhuān)業(yè)課程的趣味性，一方面提升動(dòng)漫專(zhuān)業(yè)學(xué)生的造型能力。讓學(xué)生更好地鉆研和學(xué)習(xí)，激勵(lì)學(xué)生從事設(shè)計(jì)和科學(xué)等領(lǐng)域的工作，培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代需求的多維度創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)人才。

關(guān)鍵詞：3D打印;三維動(dòng)畫(huà);有機(jī)整合

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）34-0208-02

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)屬于快速成型技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是以三維模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀態(tài)的塑料、尼龍、金屬等可黏合材料，采取逐層打印、層層堆疊最終構(gòu)建出成品的技術(shù)。

目前3D打印均是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，常在工業(yè)設(shè)計(jì)、珠寶、模具制造等領(lǐng)域用來(lái)制造模具，隨后被逐漸用于少量產(chǎn)品和零、部件制造。此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在航空航天、軍工類(lèi)、建筑模具、汽車(chē)設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、玩具設(shè)計(jì)以及其他領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)的制造業(yè)，3D打印具備以下優(yōu)勢(shì)：保持成本的基礎(chǔ)下構(gòu)建復(fù)雜物件，零、部件一次性成型率高，減少組裝工序;按需打印、降低物流成本;設(shè)計(jì)想象空間無(wú)限，技能要求低，便于攜帶，二次污染少，耗材重復(fù)利用率高，以及精確復(fù)制等。

3D打印的制作流程：先通過(guò)計(jì)算機(jī)三維建模軟件設(shè)計(jì)構(gòu)建模型，再將三維模型縱向“分割”成一片片的橫截面，即切片處理，生成STL格式文件，導(dǎo)入3D打印機(jī)，選擇相應(yīng)耗材，層層堆疊打印到3DP成品。示意圖如圖1。

STL是3D打印機(jī)與三維建模設(shè)計(jì)軟件協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式。STL文件采取三角面構(gòu)成平面的方式來(lái)模擬物件的表面，三角面越小，構(gòu)成數(shù)量級(jí)越多，其生成的分辨率越高。

2 國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的探索

歐美國(guó)家的3D打印技術(shù)被推廣并較多的應(yīng)用在教育領(lǐng)域，率先進(jìn)入高等學(xué)校課堂，逐步向中小學(xué)課堂推廣。例如，新西蘭的一項(xiàng)新課程標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)配備給基礎(chǔ)教育的每4名學(xué)生1臺(tái)3D打印機(jī)，以便提供他們打印獨(dú)立設(shè)計(jì)的國(guó)際象棋棋子。STEM研究院已經(jīng)宣布與3D印刷公司Stratasys合作，將3D打印機(jī)整合到有編程課程的班級(jí)中。在英國(guó)克利文頓學(xué)校的STEM挑戰(zhàn)日，學(xué)生們進(jìn)行設(shè)計(jì)、3D打印，并嘗試測(cè)試迷你型超音速汽車(chē)，并向來(lái)訪的3D系統(tǒng)公司的工程師進(jìn)行展示。

在國(guó)內(nèi)，得益于“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下，信息傳遞的高速化和技術(shù)的迅速普及性。各地政府鼎力扶持并發(fā)展高新科技產(chǎn)業(yè)，3D打印技術(shù)是其中一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)。3D打印熱潮在高校持續(xù)升溫，技術(shù)不斷推陳出新。以華中科技大學(xué)為代表的一批高校也在加大研發(fā)力度，山東省臨沂大學(xué)、青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院等高校嘗試開(kāi)辦3D打印課程乃至相關(guān)專(zhuān)業(yè)。國(guó)內(nèi)眾多中小學(xué)紛紛開(kāi)設(shè)以3D打印機(jī)應(yīng)用為主的興趣班或者科學(xué)課程，一類(lèi)以三維模型打印為基礎(chǔ)的課程：學(xué)生在初步學(xué)習(xí)了解3D打印技術(shù)后，利用網(wǎng)絡(luò)檢索熱門(mén)、趣味或有需求的模型，在模型下載后運(yùn)用3D打印機(jī)將模型實(shí)體化，并進(jìn)行表面渲染賦予材質(zhì)的學(xué)習(xí)過(guò)程。一類(lèi)以“傻瓜型”三維建模軟件為基礎(chǔ)的課程：學(xué)生利用不同類(lèi)型的三維建模設(shè)計(jì)軟件，快速搭建簡(jiǎn)易模型，利用3D打印機(jī)將設(shè)計(jì)模型實(shí)體化的過(guò)程。

在高職類(lèi)院校中將3D打印技術(shù)納入動(dòng)漫專(zhuān)業(yè)課程體系，再進(jìn)行創(chuàng)新性研究方面目前尚屬于探索階段。

3 三維動(dòng)畫(huà)畢業(yè)設(shè)計(jì)

五年制高職類(lèi)院校的動(dòng)漫專(zhuān)業(yè)學(xué)生，經(jīng)過(guò)四年的系統(tǒng)學(xué)習(xí)素描基礎(chǔ)、色彩理論、人體結(jié)構(gòu)剖析、二、三維動(dòng)畫(huà)、影視后期制作等專(zhuān)業(yè)課程后。畢業(yè)實(shí)習(xí)前學(xué)生根據(jù)自身的專(zhuān)長(zhǎng)和興趣選擇二維動(dòng)畫(huà)、三維動(dòng)畫(huà)、影視后期、手繪、室內(nèi)平面設(shè)計(jì)等方向，再與導(dǎo)師進(jìn)行雙向選擇后，在近四個(gè)月的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行畢業(yè)作品的設(shè)計(jì)與制作。具體到三維動(dòng)畫(huà)畢業(yè)設(shè)計(jì)方向，依據(jù)學(xué)生的學(xué)業(yè)情況和軟件操作水平，畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師有的放矢的框定設(shè)計(jì)范疇，大致分成以下幾類(lèi)。

（1）武備、道具設(shè)計(jì)：要求模型結(jié)構(gòu)合理，貼圖精美表現(xiàn)細(xì)節(jié)，以刀、槍、盾牌為藍(lán)本進(jìn)行微創(chuàng)新設(shè)計(jì);為戰(zhàn)士、法師及刺客類(lèi)等不同角色服裝、道具設(shè)計(jì)。這一類(lèi)別主要體現(xiàn)學(xué)生的模型制作能力，貼圖的繪制水平，裝飾性紋理的合理化處理能力，最終呈現(xiàn)作品有戰(zhàn)錘、次世代武器、道士裝備等。

（2）游戲場(chǎng)景設(shè)計(jì)：要求低面模型和高精模型結(jié)合，植被、植物、巖石等自然環(huán)境的搭建，符合游戲策劃的時(shí)空背景。這一類(lèi)別主要體現(xiàn)學(xué)生合理利用各種技術(shù)建模的綜合運(yùn)用能力，天空、地表等貼圖的繪制與無(wú)縫拼接;古典建筑的拆解和構(gòu)建，結(jié)構(gòu)部件的合理化重構(gòu)，中式建筑的斗拱、榫卯結(jié)構(gòu)的分拆與重現(xiàn)。低成本的實(shí)現(xiàn)建筑的數(shù)字化復(fù)原，虛擬化物體轉(zhuǎn)變成實(shí)體模型。

（3）靜幀藝術(shù)作品：要求模型結(jié)構(gòu)布線均勻，合理的面數(shù)來(lái)表達(dá)模型細(xì)節(jié)，以角色造型為主，可以適當(dāng)夸張，跨種族特征的生命體有機(jī)結(jié)合創(chuàng)造新的角色。這一類(lèi)別主要體現(xiàn)學(xué)生高精模型的造型和實(shí)現(xiàn)能力，直觀地體現(xiàn)學(xué)生作品的可視性和合理性。比較多的作品是動(dòng)漫類(lèi)造型手辦，熱門(mén)游戲的周邊產(chǎn)品，影視作品中的科幻角色重現(xiàn)，如變形金剛、重型裝甲機(jī)器人、半獸人、科莫多巨型蜥蜴、植物大戰(zhàn)僵尸中的大噴菇等。

（4）定格實(shí)驗(yàn)偶動(dòng)畫(huà)：要求定格人偶模型布線精簡(jiǎn)、關(guān)節(jié)合理、適合裝配、表情制作注重細(xì)節(jié)，歸類(lèi)整理定格人偶用到的表情，將其整理成表情素材庫(kù)。人偶軀干和關(guān)節(jié)依據(jù)不同的需求進(jìn)行無(wú)數(shù)次排列組合，合成各種身形體態(tài)。

4 有機(jī)整合

往屆學(xué)生制作完成三維動(dòng)畫(huà)畢業(yè)設(shè)計(jì)作品，進(jìn)行展覽時(shí)呈現(xiàn)方式比較單一，大部分采用數(shù)字影像化的方式進(jìn)行展現(xiàn)，少部分作品的精彩細(xì)節(jié)開(kāi)放給參觀者互動(dòng)。本年度的三維動(dòng)畫(huà)畢設(shè)作品設(shè)計(jì)與展現(xiàn)，嘗試采取數(shù)字媒體技術(shù)與3D打印技術(shù)有機(jī)整合，將電腦中設(shè)計(jì)出的虛擬化物件轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)物件，數(shù)字化模型實(shí)體化展示呈現(xiàn)。流程圖如圖2。

三維模型：在MAYA、C4D、3DSMAX等三維軟件中進(jìn)行模型的數(shù)字化創(chuàng)建，根據(jù)規(guī)范刪減多余面片。

格式轉(zhuǎn)換：創(chuàng)建好的數(shù)字模型導(dǎo)出為OBJ格式，導(dǎo)入3D打印軟件轉(zhuǎn)換為STL格式，檢查有無(wú)破面，細(xì)節(jié)丟失，面數(shù)精簡(jiǎn)是否合理，有問(wèn)題再回到三維軟件中修改直至無(wú)誤。

3D打印：選擇適合模型需求的打印耗材，將轉(zhuǎn)換好的模型文件設(shè)定好參數(shù)進(jìn)行打印，打印周期長(zhǎng)短由模型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)繁復(fù)程度決定。

素組模型：模型打印完成后，按照數(shù)字模型分解圖進(jìn)行模型的重新拼接、粘連，打印后的水口和毛躁面進(jìn)行拋光處理等，大部分3D打印模型為白色模型。

藝術(shù)處理：預(yù)處理完素組模型后，依據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)作品的類(lèi)別不同進(jìn)行相應(yīng)的藝術(shù)處理，例如模型分色、球形關(guān)節(jié)打磨、表情繪制、道具噴漆、旋轉(zhuǎn)站臺(tái)設(shè)計(jì)、燈光設(shè)置等。

三維動(dòng)畫(huà)畢業(yè)設(shè)計(jì)作品通過(guò)3D打印技術(shù)呈現(xiàn)出來(lái)，對(duì)于注重造型設(shè)計(jì)的動(dòng)漫專(zhuān)業(yè)學(xué)生極具吸引力。在短短的四個(gè)多月時(shí)間中，學(xué)生突破以往只能在屏幕上進(jìn)行數(shù)字模型制作、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)的桎梏，利用3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)模型實(shí)體化呈現(xiàn)和觸覺(jué)感知，牢記三維空間模型造型的核心概念，進(jìn)一步消化吸收所學(xué)知識(shí)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)周期中學(xué)生通過(guò)搜索整理素材、設(shè)計(jì)制作模型、打印模型小樣、修改設(shè)計(jì)缺陷，直至打印出畢業(yè)設(shè)計(jì)作品。這一套流程下來(lái)，學(xué)生的三維模型設(shè)計(jì)得更加具備可視性和合理性。

3D 打印技術(shù)應(yīng)用在三維動(dòng)畫(huà)畢業(yè)設(shè)計(jì)中初步改變傳統(tǒng)的“以教師為中心”的教學(xué)模式，將動(dòng)漫學(xué)科中與造型設(shè)計(jì)相關(guān)的課程整合起來(lái)，如將“角色造型”“三維動(dòng)畫(huà)”“攝影構(gòu)圖”等造型課程用3D 打印教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，充分探索相關(guān)課程的學(xué)習(xí)活動(dòng)方式，教學(xué)周期、方式及進(jìn)度，并在此基礎(chǔ)上形成并確立“以學(xué)生為主體”的自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式，讓學(xué)生從設(shè)計(jì)二維三視圖到制造數(shù)字化模型，打印出小樣到改良設(shè)計(jì)再到開(kāi)發(fā)出周邊產(chǎn)品，有機(jī)地整合融入動(dòng)漫學(xué)科中各課程知識(shí)點(diǎn)。在此背景之上學(xué)生設(shè)計(jì)出的畢業(yè)作品更加體現(xiàn)個(gè)性化、系列化、故事化。

3D打印耗材的多樣化，從初期的幾種材料，到現(xiàn)在的各類(lèi)金屬、尼龍、PP粉末、有機(jī)化學(xué)物質(zhì)等，打造出更富有質(zhì)感的模型，充分表達(dá)作者的想法，促進(jìn)各種美術(shù)風(fēng)格呈現(xiàn)。3D打印技術(shù)的日趨完美和進(jìn)步會(huì)促使模型道具更精致，制作流程提速等。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于三維動(dòng)畫(huà)畢業(yè)設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)作品展出后得到參觀者的一致好評(píng)，互動(dòng)效果遠(yuǎn)超以往。這一有機(jī)整合在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段充分鍛煉了學(xué)生從多維度設(shè)計(jì)的立體思維，有助于學(xué)生提前適應(yīng)創(chuàng)新型企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程，與工作崗位有效接軌。另一方面學(xué)生可以參與搭建3D 打印技術(shù)平臺(tái)，設(shè)計(jì)制作出三維模型、并制作成模型資料庫(kù)，方便師生實(shí)踐課使用和微創(chuàng)新設(shè)計(jì);同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生利用3D打印平臺(tái)優(yōu)勢(shì)自主創(chuàng)業(yè)，建立小型的個(gè)性化定制工作室，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行營(yíng)銷(xiāo)和推廣。

美中不足的目前3D打印技術(shù)有待改進(jìn)和提高，并在使用過(guò)程中暴露出一些問(wèn)題。例如中小型3D打印機(jī)受限于成本設(shè)計(jì)，打印周期過(guò)長(zhǎng)、耗材種類(lèi)不多;打印的質(zhì)量與精度達(dá)不到要求，打印出來(lái)的材料表面粗糙，不夠光滑，需要二次加工等。高端和大型3D打印機(jī)打印雖然耗材選擇豐富，質(zhì)感美觀，但成本過(guò)高，打印成品經(jīng)濟(jì)性不夠，不利于推廣等。期待隨著3D打印市場(chǎng)的日趨成熟，網(wǎng)絡(luò)化打印的推廣，使得打印成本更加經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)周期更加縮短，如此3D打印方能普及開(kāi)來(lái)，應(yīng)用領(lǐng)域才能更加寬泛。

5 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)與三維動(dòng)畫(huà)畢業(yè)設(shè)計(jì)有機(jī)整合為學(xué)生提供更好的教育背景，可以讓學(xué)生在校期間更好地鉆研和學(xué)習(xí)，更能激勵(lì)學(xué)生從事設(shè)計(jì)和科學(xué)領(lǐng)域的工作，培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代需求的多維度創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)人才。

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