赛博格视角下的金属外骨骼AMP三维建模

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[摘 要] 三维动画设计是广播影视编导、计算机动画以及模具设计等高职相关专业的核心课程。文章基于赛博格理念，以好莱坞大片《阿凡达》电影中的AMP机甲模型为研究对象，通过逆向分析，揭示了AMP三维模型的设计思想与理念，并依照影片所设定的背景，以反向运动学理论为基础，利用3DS MAX三维动画技术创建了一个AMP角色，以解析AMP机甲造型角色的构建过程。其目的是将三维造型技术有效地与造型角色有机地结合起来，实现技术与需求的有效整合，从而培养高职相关专业学生良好的专业素养、职业适应能力和综合应用能力。

[关键词] AMP； 赛博格； 3DS； 金属外骨骼技术； 反向运动力学； 布尔计算

[中图分类号] G434 [文献标志码] A

[作者简介] 李志河（1974—），男，甘肃环县人。副教授，硕士生导师，主要从事信息技术教育、教育软件工程与职业技术教育等方面的研究。E-mail：。

当前的影视剧大量使用现代新技术进行角色塑造、画面造型和场景渲染。《阿凡达》影片是新技术应用的完美体现者，片中不仅展示了一个全新的外星球世界、宏大的山脉、巨型灵魂树、奇异生物和惟妙惟肖的纳美人，而且使用了多种金属外骨骼amp 3D（Amplified Mobility Platform，扩增式移动平台）。这种金属外骨骼机器不仅可以进行战斗，还可搬运重型货物，这实际上恰好反映了人类借助外部金属部件实现某些功能的理想。本文将赛博格、反向运动学理论、3D建模、实景技术和造型过程等多个方面知识有机地结合起来，通过逆向分析机甲骨骼模型AMP 3D角色的设计思路，并利用3DSMAX和MAYA模型造型技术创建了一个机甲模型角色。这对于高职院校的影视编导、动画设计、模具设计与制造等开设三维造型课程的专业学生的专业素养和综合应用能力提升具有一定的理论与实践价值。

一、赛博格

赛博格源于控制论思想，最早是美国航空和航天局的两个科学家曼弗雷德·克林斯和内森·克兰在20世纪60年代提出的。[1][2]他们从Cybernet、ICOrganism两个词各取前三个字母构造了一个新词： Cyborg，并认为运用药物和外科手术的方法可以使人类在外层严酷的环境条件下生存，以此希望通过技术手段对空间旅行人员的身体性能进行增强。[3]Cyborg后来被定义为一个人的身体机能经由机械拓展进而超越人体的限制的新身体。[4]美国哲学家唐娜·哈拉维（Donna Haraway）在1985年发表了著名的论文《赛博格宣言：20世纪晚期的科学、技术与社会主义女性主义》。她认为赛博格是一个控制有机体，一个机器与生物体的杂合体，一个社会现实的创造物，同时也是一个虚构的创造物。[5]在当代科幻电影中， 赛博格既是动物又是机器的生物体， 居住在自然与人类社会之间的模棱两可的世界中，其中，《阿凡达》电影中基于赛博格的金属外壳机甲模型表现尤为突出。

简而言之， 赛博格就是依据和运用一定的科学技术，包括电脑对人的身体机能进行的控制与改造，例如安装了假肢、义齿、心脏起搏器，就可使人获得或者增强身体的某些功能。而运用更先进的电子、生物技术，则有可能超越自然人体原本的限度，创造在机能上更加强大的新的人的身体。[6]

二、现实中的金属外骨骼

技术发展与实景画面

作为一种将人体和机器整合在一起的技术，金属外骨骼技术是基于赛博格技术（神经电子技术）而发展起来的。近年来，随着人体电子芯片植入技术的逐渐成熟和网络技术的飞速发展，金属外骨骼的研究与制作早已从概念与构想阶段向现实阶段迈进。图1所示为日本NHK科教纪录片《改变人类的赛博格技术》中的赛博格技术的原理图，描述了人类神经系统与外界辅助机械的关联关系。[7]

图2是松下充气式外骨骼，主要用于帮助瘫痪患者。它的肘部和腕部装有传感器，手臂可以控制8块人造肌肉，该骨骼模型的人造肌肉内装有压缩空气，用于挤压瘫痪部位，从而达到理疗和辅助运动的目的。

可见，通过人机接口将人与装备、网络零时刻连接起来从而实现真正意义上的人机整合将是未来发展的一大趋势，而此项技术将导致人类自身对“自我”的定义在哲学层面被重新诠释。

三、金属外骨骼技术在

《阿凡达》影片中的应用

《阿凡达》影片中，人类已掌握了成熟的电子神经技术，甚至已经可以进行灵魂转移，然而该技术最为成熟的应用莫过于AMP 3D机甲。美国马萨诸塞州工程中心负责研发XOS机械装甲的大卫·奥德特说：《阿凡达》影片中的机械装甲具有未来发展的可行性的条件，并暗示着未来机械装甲存在的重要性。[8] AMP装甲全称为Amplified Mobility Platform（移动扩增平台），是一种单人驾驶操作的移动轻型装甲。这种装甲模仿人体构造，在技术精湛的驾驶员手中，能如同驾驶员的身体一般灵活。据《潘多拉百科全书》[9]介绍，AMP高4.205m，宽2.83m，重约1700kg，使用燃气动力涡轮发动机工作，中等功率运行长达8h。它配备有火力极猛的GAU-90三十毫米炮，也可配备火焰喷射器、陶瓷刀等，在战场上是地面部队有效的作战武器。从影片中可以看出AMP一步约为3m，依照1min110步计算，该机甲的巡航速度约为20km/h，依照10h的可用时间可推断其最大步行距离约为200km。在影片中，人类保安部队的地面分队并未装备班用机枪、迫击炮一类的面压制火器，单兵基本装备的是突击步枪和冲锋枪及枪榴弹。考虑到人类有大量的空中力量，火力支援任务主要由武装直升机担任，而地面的面压制一类的火力支撑点则由AMP扮演。正是由于AMP的强大火力支援，由AMP、枪榴弹、突击步枪构成了一个层次合理、分布均匀的防卫体系，该体系中的核心就是AMP战斗机甲。

四、设计思路

依据《阿凡达》电影中的AMP，本文创建的是一款以反装甲、反预设工事为主要任务的重型AMP机甲模型角色，其体型类似于影片中AMP，手臂加强使它可以单手配备有火力极猛的三十毫米火神炮，也可配备火焰喷射器，坦克导弹发射器等，并具有很好的适应性。驾驶室有全球定位系统、前视红外面板、动作搜索雷达等，用于导航和定位，还有与驾驶员声音匹配的语音控制系统。图3为AMP建模效果图。特别说明的是，在AMP胳膊、手臂等关键部位建模过程中需要用到反向运动学与布尔运算等关键技术。

反向运动学是一种与正向运动学正好相反的运动学系统，它主要操纵层次中的子物体，从而影响整个层次。反向运动学建立在层次链接的基础之上，要理解IK的工作原理，必须首先理解层次链接以及正向运动学的规则。另外，在反向运动学中出现了一个新的概念，即“IK解算器”。“IK解算器”是一个特殊的控制器，它用于处理IK方式，自动计算出IK的关键帧动画。例如一个人体手臂的链接结构，如果使用正向运动学系统，那么需要首先旋转大臂，然后旋转小臂，接着是手腕、手等，我们需要为每个子物体设置旋转的关键帧。图4就是反向运动学在骨骼系统上的应用。

在骨骼系统上的应用

在数学里，术语“布尔”意味着两个集合之间的比较。在3DSMAX中，则意味着两个几何体之间的比较。可以根据两个已经存在的几何体创建一个布尔组合对象来完成布尔运算，所用的两个物体称为“运算对象”，其运算结果则是布尔物体。这种运算有两种结果，即A-B或B-A。

五、角色的建模过程

（一）收集资料和设计模型

一位优秀的3D工程师一定是一个优秀的模型制作者，为了设计和造型某些特定的系统和角色，3D工程师都需要进行相关造型设计，这些设计一般是图片或者是模型。在早期的电影特效里都使用模型拍摄，直到现在，模型在电影拍摄中依然占有不可替代的地位，如泰坦尼克号模型、唐山大地震景象模型。在AMP造型的过程中，我们需要搜集相关的文档和图片资料，并借助模型造型，以便于全面和细致地掌握所要建模的对象。

（二）模型的建造

《阿凡达》中的AMP模型的构建过程过于复杂，而机甲胯部陀螺平衡系统既是一个平衡器，也是建模系统的协调器，具有一定的代表性，为此本文选取胯部陀螺平衡器这一部分的建模为例分析其建模过程。

1. 绘制线形图及图片分析

一般地，为了使后期的建模过程变得明确，建模师都要绘制效果图和创建对象。本建模对象选取了已有的AMP树脂模型，所以，本文的主要工作是对图片和模型进行分析，并利用3D工具设计出AMP轮廓。首先将图5中的物体用不同的颜色线条将不同零件的轮廓大体上勾勒出来，以便在建模时对物品的边、面的数量心中有数。我们不难看出，胯部陀螺平衡器的主体部分为一个多面体，其他零件也可用多面体修改。

2. 构建模型框架

模型框架建构是模型设计的重要步骤，需要依据实体模型和实际需要将物品的大体形态准确地构造出来，特别是在比例和大小上要准确把握。图6为模型框架的建模成品四个透视面示意图。

3. 刻画细节

3D的建模过程即为实体模型的虚拟化。当模型框架等结构形态完成后，接下来就需要依据模型和实际刻画细节，从线条到曲面，甚至细化到每一个铆钉的形状。这个过程主要包括框架结构设计、材质确定、灯光渲染、摄像机机位设定等多个环节。值得注意的是，蒙皮效果虽则简洁和方便，但是蒙皮的细节有很多局限性，所以，一般表现较为复杂的对象都不会采用蒙皮的方式进行。当以上关键工序完成后，对象的建模过程也就基本上完成了。图7是完成品模型与模型框架的对比。

（三）骨骼的绑定

骨架是一个模型对象的灵魂，骨骼系统在3D中是动画与模型间的桥梁，特别是对那些有关节链接和运动倾向的角色对象而言。为此，我们要切实注重分析和构建合理的AMP骨骼骨架及其关节运动。

1. 物体的运动方式分析

以角色手指创建为例，本角色的手指是五段体而非常见的三段体，如图8所示。所谓五段体是指每个手指相邻的两节之间再加上一个短节（图8红线处），使之运行更加流畅。

2. 创建骨骼

该环节要求依据人体结构和骨骼关节的特点，依据赛博格关于骨架支撑方法创建骨骼及其肌肉组成（如图9所示）。

这一步只要调整好尺寸与位置即可，并无太大难度。但也应注意骨骼间的联结点要靠近关节转动的中心位置（图9黑圈中的中心点），以达到关节灵活、运动自如的效果。

3. 创建IK解算器

IK（Inverse Kinematics）反向运动是使用计算父物体的位移和运动方向，从而将所得信息继承给其子物体的一种物理运动方式。与反向运动对应的是正向运动，正向运动学使用自上而下的方法，它在定位和旋转父对象的地方开始，然后向下进行到定位和旋转每个子对象的层次。正向运动学的基本原则包括：按照父层次到子层次的链接顺序进行层次链接，轴点在对象之间定义关节，子对象继承父对象的变换。由于手指是多段体而非简单的两段体，所以不必担心在创建IK链接后会出现移动幅度过大导致不符合常理的现象。图10为IK链接后的效果图。

4. 将骨骼绑定在相应的物体上

由于本模型中的零部件都是刚性的，其膨胀、弯曲和形变的能力有限。为此，一般我们可以考虑直接将物体绑定在骨骼上，而不需要添加任何蒙皮修改器，如图11所示。如果我们面对的是柔性比较强的模型，那么就应该注意使用蒙皮效果。

（四）手部动画的制作

AMP机器人模型手部动画制作主要包括以下三个步骤：（1）确定起始关键帧与结束关键帧；（2）按照关键帧，调整模型动作；（3）导出AVI格式文件。由于文章篇幅问题，在这里不再赘述。

六、总 结

我们不难看出，赛博格理念和方法已经得到全面应用，人类也越来越依赖技术，希望通过与技术的结合扩展人类功能，从而实现其目标。本文以赛博格理念和挑战回应力学为基础，通过分析技术与人类基本功能的有机结合，不仅提示我们认识自我及其功能，而且也说明一个优秀的三维角色模型创建决不单单是角色的创建，而是需要依赖一定的理论和方法，创建一个完整的、科学的和严谨的建模体系。《阿凡达》电影金属外骨架AMP造型分析和模型构建过程不仅体现在三维建模技术上，而且通过具体分解影片《阿凡达》AMP技术特性和模型构造，在无形中大大提升了三维造型技术的人文特性和教学实践应用性。这对于改变当前高职院校3D相关技术课程重视实践操作、忽视与相关理论和实际相结合的现状具有一定的借鉴意义，并对提升高职学生专业素养和职业综合应用能力具有一定的实际意义。

[参考文献]

[1] Harry Scarbrough.Know Ledge as Work： Conflicts in the Management of Know ledge Workers[J].Technology Analysi s & Strategic Management，1999，（1）：6～77.

[2] [英]布里恩·温斯顿.媒介的产生——技术决定论亦或文化决定论[J].江西财经大学学报，2001，（1）：66～70.

[3] Uwe Borghoff ， Remo Pareschi.Information Technology for Knowledge Management.Springer[J].Verlag Berlin Hei deberg，1998，（10）：26.

[4] 费多益.“进化”的文化选择[J].自然辩证法通讯，2009，（2）：1～6.

[5] Ruth Burch.The Cyborg Woman Meets the Dog （Another Companion Species）： Significant Otherness[J].Partial Connections and Virtuality in Donna Haraway，2003，（8）：2～10.

[6] John Glad.Redesigning Humans： Our Inevitable Genetic Future[J].Mankind Quarterly，2003，（44）：11.

[7] 立花隆.改变人类的赛博格技术[N].NHK，2005.

[8] 悠悠.电影《阿凡达》背后的科学[N].扬子常州晚报，2010-01-08.

[9] 潘多拉百科全书[EB/OL].http：///showtopic-707850.aspx.