三維動畫技術與三維虛擬技術探討

摘要：三維圖形技術是一項十分先進的科學技術，在很多領域當中都有著十分重要的應用。目前，三維圖形技術主要包含兩個方面，三維動畫技術與三維虛擬技術。本文首先對兩種技術的應用原理進行了分析，然后闡述了兩種技術相應的應用系統(tǒng)開發(fā)方法，最后對兩種技術進行了對比。

關鍵詞：三維動畫技術；三維虛擬技術；對比研究

隨著計算機技術和軟件技術的不斷發(fā)展和應用，三維圖形技術也得到了很快的發(fā)展。相比于平面圖形，三維圖形更加立體、直觀，能夠更好的闡述相關內容，因此得到了人們的廣泛重視。當前的三維圖形技術主要包括三維動畫技術和三維虛擬技術兩種，這兩種技術都是對想象的世界進行真實的模擬。其中，三維動畫技術主要應用于廣告、電影等預先設計好的演示，而三維虛擬技術則多用于仿真，需要對用戶輸入做出實時反應。

一、三維圖形技術的應用原理

（一）三維動畫技術的應用原理

1.造型

造型就是在計算機中利用三維造型軟件進行三維物體的繪制。在造型之前，需要對三維物體在場景中的位置、以及它們的形狀進行設計和確定。在進行造型的過程中，首先對基本的幾何形狀進行繪制，然后根據所需要的具體形狀對其進行改變。再利用不同的方法，將這些形狀進行組合，完成負責幾何形體的建立。在三維物體制作完畢之后，在具體場景中，根據其適當?shù)奈恢?，將完成造型的三維物體放置其中，從而形成完整的場景[1]。

2.動畫

動畫的目的是使各個三維物體進行運動。對此，首先需要對關鍵幀進行定義，制作人員需要在計算機當中一幅一幅的進行畫面的繪制。因此，要求動畫制作人員的繪畫水平必須達到較高的水平，才能夠將動畫畫面設計的生動、逼真。然后，按照一定得順序，將這些畫面進行排列和組合，使其達到連貫和連續(xù)。此外，可以在動畫當中插入一些中間幀的畫面，可以利用計算機進行中間幀的制作。通過以上步驟，就可以制作出十分真實的動畫。

3.繪圖

在動畫的制作當中，良好的視覺效果和非交互的美學體驗是十分重要的。因此在動畫繪圖的過程中，需要對光纖、貼圖、色彩等方面進行嚴格的控制，從而使動畫效果能夠更加的逼真、貼近現(xiàn)實[2]。

4.著色輸出

在當前應用的動畫制作軟件當中，通常都對動畫生成功能進行了提供。它可以將動畫繪圖過程中制作的畫面進行連接，從而形成類似于電影的形式，這就是動畫視頻。動畫視頻是以視頻文件的形式進行輸出和保存，如果需要觀看，只需要播放該文件，就能夠進行觀看。

（二）三維虛擬技術的應用原理

1.實時顯示技術

目前，三維圖形的顯示技術已經較為成熟，但是最關鍵的問題就是顯示的實時性。為了能夠迅速的生成三維幾何圖形，對于圖形的刷新頻率要求就比較高，最低速率也要達到每秒15幀的圖像刷新。要達到這一要求，與圖形的復雜度、畫面的紋理、陰影、照明度等因素都有著一定的關系。因此，三維圖形實時顯示技術的關鍵，在于對合理的技術措施進行利用，從而使可是場景的復雜度得到降低。

2.交互技術

在三維虛擬技術的研究當中，其一個重要的目標就是將人們所處的實際環(huán)境與計算機系統(tǒng)之間的界限進行消除。也就是說，在計算機系統(tǒng)提供的虛擬空間當中，人們可以通過語言、頭、皮膚、眼睛、手勢等感覺器官與行為動作，與其直接發(fā)生面對面的交互。目前三維虛擬技術的交互技術主要包括虛擬環(huán)境基本交互、虛擬環(huán)境交互、碰撞檢測等方面。

3.三維虛擬仿真系統(tǒng)的建立

三維虛擬仿真系統(tǒng)的建立，是一個較為系統(tǒng)的工程，主要可以分為兩個方面。其一是對三維視景數(shù)據庫進行建立，在建立過程中，應當采用三維視景數(shù)據庫建模和優(yōu)化工具平臺等進行模型的構建，而不宜采用3DS MAX等普通的建模工具。這樣，才能夠有效的提高反應速度，保證交互性和三維性之間的邏輯關系。其二是進行三維視景管理系統(tǒng)的開發(fā)，通過對良好的現(xiàn)實途徑進行利用，使該系統(tǒng)能夠調用各種數(shù)據庫、優(yōu)化硬件資源、顯示系統(tǒng)最終的效果，實現(xiàn)各種操作[3]。

有兩種途徑能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)。第一種是對底層三維圖形開發(fā)庫進行利用。其中，DirectX、OpenGL等三維圖形開發(fā)庫較為常用。對該方法進行應用，要求先關的開發(fā)人員必須對視點、光照、三維變換、三維坐標的進行熟悉的掌握和應用，同時能夠自行進行編碼的設計，保證相關功能的實現(xiàn)。這種方式靈活性較大，同時由于是免費提供的，因此也不涉及到版權的問題。不過，對此種方式進行利用，需要進行大量的工作。如果需要進行一般規(guī)模系統(tǒng)的完整制作，至少需要一年以上的積累才能夠完成。同時，系統(tǒng)內部很多的處理，都是由軟件開發(fā)人員自行考慮的。因此，很容易發(fā)生考慮不周全的情況，導致制作出來的系統(tǒng)性能十分不理想。

第二種方式是對高層開發(fā)平臺工具進行利用，例如OpenInventor、WorldToolKit、Worldup、X-IG、Vtree、VEGA、OpenGVS等工具平臺。這樣寫開發(fā)平臺都是以OpenGL圖形標準為基礎的高級三維可視化函數(shù)庫，提供了高級的API軟件的開發(fā)。通過對這些開發(fā)平臺進行利用，能夠有有效的減少代碼量，從而降低工作量。在三維圖形應用系統(tǒng)當中，這些開發(fā)平臺具有周期短、性能好等優(yōu)點，不過需要出資購買，因此成本較高[4]。

二、三維圖形技術應用系統(tǒng)的開發(fā)方法

（一）三維動畫技術應用系統(tǒng)的開發(fā)方法

在當前主要應用于三維動畫應用系統(tǒng)開發(fā)的平臺工具當中，3D Studio Max是一種應用比較廣泛的工具。在實際應用當中，需要現(xiàn)在3D Studio Max中對三維場景內各個物體的立體模型進行繪制。如圖1所示，是一個真空斷路器的模型，它的構成主要是多個幾何體。在3D Studio Max當中，對每一個幾何體進行繪制，然后對其進行組合。在利用3D Studio Max制作動畫的過程中，對真空斷路器從當前位置向右進行90°水平旋轉的動畫，進行的方式為關鍵點的設定。然后加入特定的燈光、材質等效果，取得更加生動、逼真的顯示效果。最后，利用渲染按鈕，對一些相關參數(shù)進行設定，然后進行動畫的生成[5]。假設設定的關鍵幀參數(shù)為5個，則這5個關鍵幀所對應的圖片如圖1中所示。

圖 1 真空斷路器動畫的關鍵幀

將以上五個圖片，按照一定的順序進行連接，就能夠生成相應的動畫視頻文件，并在需要的時候對該文件進行播放。在播放動畫的過程中，上面五個圖片通過連續(xù)的效果進行顯示，就能夠產生該斷路器以90°向右旋轉的視覺效果。如果需要達到垂直旋轉的效果，需要重新對動畫進行制作，將上述步驟中水平方向上的旋轉改變?yōu)榇怪狈较蛏系男D，然后以此進行后續(xù)工作，最終得到新的圖片序列。在實際應用當中，有時為了取得相應的動畫視頻效果，需要成千上百張這樣的圖片進行組合，才能夠最終實現(xiàn)。

（二）三維虛擬技術應用系統(tǒng)的開發(fā)方法

在三維虛擬技術應用系統(tǒng)的的開發(fā)當中，MultiGen+ OpenGVS是一個十分常用，也是十分有效的開發(fā)工具平臺。在應用過程當中，三維視景數(shù)據庫是通過MultiGen來建立的，如圖2所示，是一個封隔器的模型。在以三維模型的形式進行顯示的同時，在三維視景數(shù)據庫當中，還通過各種參數(shù)的方式進行存儲，以備后續(xù)工作中進行調用[6]。

圖 2 封隔器模型

對三維視景進行相應的操作所利用的三維視景管理系統(tǒng)，是利用VC++的OpenGVS進行開發(fā)的。利用這個管理系統(tǒng)，能夠對三維視景數(shù)據庫當中的各個參數(shù)進行直接的讀取，在顯示器中顯示三維模型，在適當?shù)奈恢眠M行放置。同時對三維幾何變換進行利用，對封隔器進行各種不同的操作，例如拾取、移動、斜向、垂直、水平等各個方面的旋轉等。通過相應的編程就能夠實現(xiàn)這項功能，而不需要進行關鍵幀、關鍵點的方面的制作。如果先要進行操作的增加，也不需要進行重新的建模和動畫制作的過程，只需要添加能夠實現(xiàn)增加操作的代碼在原有的模型基礎之上，就能夠實現(xiàn)操作功能的增加，具有極大的靈活性和便利性[7]。

三、三維動畫技術與三維虛擬技術的對比

（一）三維動畫技術的固定性

在三維動畫技術當中，三維動畫的過程、時間都是無法改變的，是固定存在的。在三維動畫播放的過程中，其動畫畫面的順序不會按照用戶的想法來實時的進行變化。而三維虛擬技術則不然，它沒有時間上的限制，可以使展示過程更加的詳細、真實。在三維虛擬技術系統(tǒng)當中，用戶可以進行任意的操作，同時還會對用戶進行的操作進行相應的反應。

（二）三維虛擬技術的實時性

三維虛擬技術的實時性，是其與三維動畫技術之間最大的區(qū)別。由于具有良好的實時性，三維虛擬技術能夠在虛擬場景當中，實現(xiàn)人機之間的交互。在三維動畫技術當中，動畫的制作是沿著某種固定路線進行制作的固定動畫，一旦制作完成，就無法進行改變。如果需要改變演示的路徑和方式，僅僅幾分鐘的動畫還需要進行幾天時間的制作和渲染。而三維虛擬技術則不然，它所制作的場景具有良好的可變形，用戶可以利用鍵盤、鼠標、甚至數(shù)據手套等相關的交互設備，對虛擬三維空間進行親身的體驗，感受步移景異、身臨其境的體驗，其雙向互動的功能十分良好。

（三）三維建模

在三維建模的過程當中，三維動畫對模型的視覺效果、光照、美觀等方面的要求比較高，因此在模型建立過程中，需要仔細的刻畫更多的細節(jié)之處。而三維虛擬技術注重的是操縱和控制場景或場景中的物體。相比于三維動畫，三維虛擬建立的模型細節(jié)之處通常比較少，這樣能夠使繪制速度得到提升，同時一能夠降低滯后時間的影響。因此，對于需要根據用戶的具體輸入，對物體的狀態(tài)和場景的改變進行實時的控制的應用來說，三維虛擬技術建模是最為合適的。例如，用戶可以根據輸入相應的命令，實現(xiàn)在街道、校園、旅游景點等地的游覽。或是對事故現(xiàn)場進行模擬，通過人們的實際行為和動態(tài)，對事故發(fā)生的過程進行顯示。還可以對油田油水井的井下作業(yè)過程進行模擬，根據給定的相關參數(shù)，對作業(yè)過程進行實施。如果給出不同的參數(shù)，那么具體的方案也會不同，作業(yè)的過程就會發(fā)生相應的變化。

結論

三維動畫技術和三維虛擬技術是當前三維圖形技術當中最為重要的兩個部分，在很多領域中都具有十分廣泛的應用。但是，在實際應用中，這兩項技術都擁有各自不同的優(yōu)缺點。在不同領域當中，能夠發(fā)揮不同的作用。因此，應當根據兩種技術的特點，結合實際應用的需要，選擇最為適當?shù)募夹g進行應用。

參考文獻：

[1]劉賢梅，黃靜，劉曉明. 三維動畫技術與三維虛擬技術的研究[J]. 計算機仿真，2014，09：127-130.

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[4]陳曉群. 虛擬現(xiàn)實技術與三維動畫技術探析[J]. 藝術評論，2013，02：67-68.

[5]陳征. 二維動畫與三維動畫的融合研究[D].河北師范大學，2014.

[6]邱曉巖，孫慧. 影視動畫二維技術與三維技術的探討[J]. 深圳信息職業(yè)技術學院學報，2011，02：84-88.

[7]黃菁. 影視廣告創(chuàng)作中三維動畫運用之探析[D].浙江工商大學，2012.

作者簡介：邱建英（1982—），女，漢族，湖南益陽市人，碩士，講師，主要研究方向：計算機應用、交互式媒體技術、多媒體技術。