基于三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論研究

沈陽工程學(xué)院 田 豐

基于三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論研究

沈陽工程學(xué)院 田 豐

三維動(dòng)畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近幾年的發(fā)展速度非常的快，二者的基礎(chǔ)都是三維圖形技術(shù)，都是通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。本文結(jié)合了對三維動(dòng)畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的介紹來對三維動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之間的聯(lián)系進(jìn)行了分析。

三維動(dòng)畫；虛擬現(xiàn)實(shí)；計(jì)算機(jī)圖形

1 引言

我們存在于一個(gè)由三維物體所組成的世界中，生活中我們接觸到的大多數(shù)物體都是處于一個(gè)三維狀態(tài)，三維動(dòng)畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維圖形技術(shù)基礎(chǔ)上的出現(xiàn)與發(fā)展，讓我們的世界更加豐富多彩。設(shè)計(jì)者能夠通過動(dòng)畫技術(shù)來最大限度地運(yùn)用自己所具有的想象力，用數(shù)字的形式進(jìn)行創(chuàng)作，與此相對而言，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)質(zhì)上是建立在三維圖形技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用主體視覺技術(shù)，多媒體技術(shù)，傳感技術(shù)等技術(shù)手段去構(gòu)成一個(gè)虛擬的世界。本文對三維動(dòng)畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了介紹，并分析了它們兩者之間的關(guān)系。

2 三維動(dòng)畫技術(shù)

生活給予我們最直接的呈現(xiàn)方式是一幅一幅不同的畫面與圖像，往往停留在我們記憶中的事情也是一幅一幅不同的畫面與圖像，故此圖像是我們生存環(huán)境中最直接以及最自然的表達(dá)方法。三維動(dòng)畫技術(shù)是指利用繪圖程序?qū)⒁环木拔锂嬅娉尸F(xiàn)出來，后一幀畫面相比前一幀畫面有了部分修改。該技術(shù)中下一幀的圖像并不是簡單的輸入就可以完成的，需要通過計(jì)算機(jī)對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而生成圖像。通過運(yùn)用這個(gè)技術(shù)，就可以將角色和場景的原始數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中建立起來，然后計(jì)算機(jī)再對角色和場景的運(yùn)動(dòng)軌跡和動(dòng)作進(jìn)行設(shè)置。在生成動(dòng)畫之后，可以添加攝影機(jī)和燈光在場景中，還可以賦予對應(yīng)的材質(zhì)給角色和場景。計(jì)算機(jī)是完成所有三維動(dòng)畫技術(shù)的根本，所有數(shù)據(jù)的處理都要經(jīng)過計(jì)算機(jī)才能完成，可以制作數(shù)字化角色的動(dòng)畫，并通過不同的媒體呈現(xiàn)出來，甚至可以通過最新的技術(shù)結(jié)合到實(shí)拍的鏡頭當(dāng)中。綜上所述，得知運(yùn)動(dòng)是三維動(dòng)畫的主要核心，通過不同角色和場景的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造出一個(gè)虛擬的世界，一切都是利用計(jì)算機(jī)來完成的。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是一種對虛擬世界進(jìn)行創(chuàng)造以及體驗(yàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。跟三維動(dòng)畫一樣，都是通過計(jì)算機(jī)生成想象中的世界。具體來說，就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)，通過三維動(dòng)畫等技術(shù)產(chǎn)生身臨其境的視覺、聽覺甚至是觸覺體驗(yàn)的虛擬環(huán)境，用戶可以在這個(gè)環(huán)境當(dāng)中切身的體驗(yàn)和感受這個(gè)世界中的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)用戶和環(huán)境的交互。這個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)涉及到很多方面，有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多傳感器、圖像處理與模式識別、語音處理以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等等，能夠讓用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，仿佛處身在一個(gè)真實(shí)的世界當(dāng)中，可以實(shí)時(shí)地對虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行操作，并可以在虛擬世界中自由行走。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最基本的特征是交互性、構(gòu)想性以及沉浸感，在這些年的不斷發(fā)展過程當(dāng)中都是以這幾點(diǎn)作為基本原則來進(jìn)行的，在虛擬環(huán)境中人自由的與可操作對象進(jìn)行的交流和溝通，進(jìn)而達(dá)到自己預(yù)想的目標(biāo)，可稱之為交互性；構(gòu)想性與多媒體技術(shù)以及計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)截然不同，其具體形容是指能讓人完全沉浸于虛擬環(huán)境當(dāng)中，且能真切的感受到虛擬環(huán)境當(dāng)中的內(nèi)容，此內(nèi)容是依據(jù)不同的虛擬環(huán)境而有所改變；沉浸感是指人進(jìn)入虛擬環(huán)境中的時(shí)候，有進(jìn)入一個(gè)真實(shí)世界的感覺，一切仿佛都是真實(shí)的，能夠讓人的思維的創(chuàng)造性和發(fā)散性得到有效的加強(qiáng)。在這幾年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展飛快，目前研究較為領(lǐng)先的是英國和美國，我國也在大力發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

4 三維動(dòng)畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)系

三維動(dòng)畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)都是三維圖形技術(shù)，三維動(dòng)畫技術(shù)將計(jì)算機(jī)科學(xué)，數(shù)學(xué)，物理，藝術(shù)與其他學(xué)科結(jié)合起來綜合利用，再以計(jì)算機(jī)技術(shù)來生成多種連續(xù)性的虛擬化的真實(shí)畫面，是一項(xiàng)由藝術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形的組成的技術(shù)。其動(dòng)畫作品在被用戶使用的交互性上具有記到的局限性，經(jīng)過技術(shù)加工剪輯所呈現(xiàn)的動(dòng)畫作品一旦形成后就成了用戶只能對其直接觀看的最終產(chǎn)品，不能改變其中的內(nèi)容，不能和動(dòng)畫產(chǎn)生交互。

而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就很好地解決了這個(gè)問題，虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)是臨場感、交互性和真實(shí)感。早期，用戶可以通過手柄等操作方式控制自己在虛擬世界中的移動(dòng)，而現(xiàn)在，虛擬世界甚至可以直接感受用戶的腳步，用戶只需要在特定的儀器上行走就可以在虛擬世界中移動(dòng)，并通過手勢等操作對虛擬世界中的物體進(jìn)行控制和操作，用戶的圖像也是實(shí)時(shí)的，正是這種操作和圖像的實(shí)時(shí)性讓人和虛擬世界具有了交互。虛擬現(xiàn)實(shí)既可以用于建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和園林設(shè)計(jì)的交互瀏覽，讓用戶自己塑造自己想要的環(huán)境，也可以讓自己置身在虛擬世界當(dāng)中玩游戲，享受切身的游戲體驗(yàn)。用戶在虛擬世界中具有絕對的行動(dòng)自由權(quán)，可依據(jù)自身喜歡和需求選擇體驗(yàn)不同的項(xiàng)目。虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品所具有觀看不受觀察角度與時(shí)間等限制，都可以由用戶根據(jù)自身需求創(chuàng)造屬于自己的瀏覽路線以及瀏覽內(nèi)容。

三維動(dòng)畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之間是相互聯(lián)系的，如果要建立一個(gè)虛擬的校園系統(tǒng)，第一步就是利用三維動(dòng)畫技術(shù)進(jìn)行建模。在空間中，實(shí)體的對象一般包括建筑、地形、綠地、樹木和道路等等，這些實(shí)體需要通過專用的三維建模軟件或者編寫程序來進(jìn)行創(chuàng)建。編寫程序的方法就是通過程序，利用圖形繪制函數(shù)來對三維空間的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算出來的數(shù)據(jù)來建立模型，因?yàn)槿S物體的坐標(biāo)相對復(fù)雜，很難確定模型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，因此現(xiàn)在絕大多數(shù)的人都選擇使用已經(jīng)比較成熟的三維建模軟件來進(jìn)行模型的創(chuàng)建工作，如3DSMAX和MAYA等等。創(chuàng)建虛擬場景不同于創(chuàng)建三維動(dòng)畫技術(shù)的場景，需要考慮其交互性和實(shí)時(shí)性。同時(shí)，考慮到節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，在一些比較復(fù)雜的細(xì)節(jié)處可以使用貼圖來處理，并不會對模型的真實(shí)性造成很大影響。因此，三維動(dòng)畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是相互聯(lián)系的，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要利用三維動(dòng)畫技術(shù)來進(jìn)行場景的建模等工作，二者聯(lián)系緊密。

5 結(jié)言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的虛擬世界已經(jīng)變得越來越逼真，廣大用戶也應(yīng)用得越來越普遍。設(shè)計(jì)師的想法能夠通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并且擁有者較強(qiáng)的交互性和實(shí)時(shí)性。也因?yàn)樘摂M世界的多種多樣，能夠讓人們體驗(yàn)到不同的世界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)是動(dòng)畫技術(shù)，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展同樣也推動(dòng)了動(dòng)畫技術(shù)的不斷發(fā)展。目前，在社會的各行各業(yè)當(dāng)中已經(jīng)廣泛地應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在之后會變得越來越普遍。

[1]王煒,包衛(wèi)東．虛擬仿真系統(tǒng)導(dǎo)論[M]．長沙:國防大學(xué)出版社,2007．

[2]吳會松．虛擬現(xiàn)實(shí)在教育教學(xué)中的應(yīng)用[J]．中國教育技術(shù)裝備,2008(14)．

[3]李長山,劉曉明,朱麗萍,李冰．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京:石油工業(yè)出版社,2006．

田豐（1978—），沈陽工程學(xué)院信息學(xué)院講師，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)與藝術(shù)。