虛擬引擎在三維動漫中的應(yīng)用研究

姬宇晴

（河北美術(shù)學(xué)院　動畫學(xué)院，河北　新樂　050700）

虛擬引擎在三維動漫中的應(yīng)用研究

姬宇晴

（河北美術(shù)學(xué)院動畫學(xué)院，河北新樂050700）

我國動漫產(chǎn)業(yè)經(jīng)由長期發(fā)展，取得了喜人的成績，然而，仍滯后于國外動漫，涌現(xiàn)出制造不精細(xì)、觀念落后等一系列問題，同時(shí)，開發(fā)周期偏長，急需攻克.而虛擬引擎是一種現(xiàn)代技術(shù)，它的出現(xiàn)為三維動漫制作提供了希望與可能，減小了工作量，憑借虛擬引擎自身優(yōu)良的功能可規(guī)范制作.現(xiàn)階段，其精細(xì)度雖與預(yù)渲染動漫存在差距，但仍能節(jié)省較多時(shí)間與一定的金錢，有利于優(yōu)質(zhì)作品的創(chuàng)造.

虛擬引擎；三維動漫；應(yīng)用；研究

虛擬引擎作為虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用范圍寬廣，無論是在生產(chǎn)過程，還是在研究活動中均涉及虛擬引擎，它可促進(jìn)項(xiàng)目研究和系統(tǒng)評估.國外在虛擬引擎中所開展的研究活動較多，除涉及內(nèi)科外科外，還關(guān)聯(lián)用戶交互.VRT的出現(xiàn)沖出了實(shí)驗(yàn)室概念，并得到充分利用.我國通過不懈的努力，也實(shí)現(xiàn)了VRT的廣泛應(yīng)用.本文主要以虛擬引擎為對象，探討在三維動漫方面的具體應(yīng)用.

1　虛擬引擎當(dāng)前的研究狀況

七十年代以后，世界各國紛紛努力研究VRT，以美國為首，在這一時(shí)期取得的成績均建立在長期探索之上.目前，無論是美國，還是英國均有所收獲.除美國、英國外，瑞典也在VRT方面展開了研究，且取得的成果還贏得了一致認(rèn)可與高度贊揚(yáng)［1］.對于德國而言，其虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用體現(xiàn)在不同領(lǐng)域，例如，工業(yè)制造活動.防范新產(chǎn)品研發(fā)潛藏的風(fēng)險(xiǎn)；通過產(chǎn)品展示，贏得更多客戶；應(yīng)用到培訓(xùn)活動.CRT促進(jìn)了CRF的提高，工人不必深入基地，僅僅利用VRF便能操作機(jī)器.

每一個(gè)國家均已著手研究VRT，尤其是日本，在虛擬知識庫以及游戲開發(fā)方面均取得了卓越的成績.

國內(nèi)在虛擬現(xiàn)實(shí)方面的研究較少，處在初級階段，粗略對比便可發(fā)現(xiàn)，我國應(yīng)進(jìn)一步努力，也要在虛擬現(xiàn)實(shí)中需投入更多.我國面向虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所提出的舉措吸引了研究人員的眼球，紛紛投身到VR中，創(chuàng)設(shè)虛擬環(huán)境，并把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探索劃入重點(diǎn)項(xiàng)目行列，大多數(shù)研究單位以及各所高校也加入到了研究隊(duì)伍中.

2　需求分析

優(yōu)質(zhì)的圖形引擎依賴于動漫模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)，動漫自身的質(zhì)量影響著圖形引擎的綜合性能.合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)明確用戶的實(shí)際需求，進(jìn)而讓系統(tǒng)滿足用戶需求，在此基礎(chǔ)之上，開展方案設(shè)計(jì)，按部就班，遵循設(shè)計(jì)的簡潔、直白性，讓用戶正確認(rèn)識設(shè)計(jì)架構(gòu)，靈活運(yùn)用.

圖形渲染引擎指代實(shí)現(xiàn)場景管理、達(dá)成渲染效果的引擎.在該引擎中，其渲染一定要通過渲染窗口來完成，因此，一定要協(xié)同宿主操作系統(tǒng)構(gòu)造渲染窗口，且能夠支撐OpenGL.本文主要選取第三方庫，即SDL，屬于跨平臺開發(fā)、設(shè)計(jì)庫，在圖形與聲音等方面具有優(yōu)良支撐.在未來，該窗口支撐會利用EGL來達(dá)成，主要因?yàn)槲磥硎澜绮淮嬖趫D形系統(tǒng)支撐，而我們的任務(wù)便是設(shè)立一個(gè)圖形系統(tǒng)，與EGL配置相關(guān)的內(nèi)容將是主要研究內(nèi)容之一.

圖形渲染模塊涵蓋模型與紋理分析研究、緩沖區(qū)數(shù)據(jù)框架與渲染工序的封裝，主要為封裝的OpenGL，此種封裝無需用戶熟悉底層細(xì)節(jié)，僅僅利用接口便可實(shí)現(xiàn)功能利用.在模型研究中，用戶參照規(guī)范模型文件構(gòu)造渲染所需數(shù)據(jù)據(jù)框架，進(jìn)而為底層渲染模塊提供便利；在紋理研究中，該引擎可適用于若干圖片格式，最大限度地利用可拓展性［2］.

為強(qiáng)化圖形引擎的實(shí)際功能，增加可拓展性，筆者將進(jìn)一步優(yōu)化動漫模塊，并將此對為主要研究內(nèi)容.完成動漫模塊設(shè)計(jì)工作后，將其整合至圖形渲染系統(tǒng)中，在這一過程所參照的方法應(yīng)滿足軟件設(shè)計(jì)理論，保證高內(nèi)聚與低耦合.

三維圖形引擎內(nèi)部的動漫模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)下述功能：節(jié)點(diǎn)動漫以及骨骼動漫.其中節(jié)點(diǎn)動漫能夠達(dá)成實(shí)體平移變換、關(guān)鍵幀設(shè)計(jì)、動漫軌跡構(gòu)造、動漫狀態(tài)保障，要求盡量有序、合理達(dá)成節(jié)點(diǎn)動漫.而骨骼動漫主要建立在骨架之上.本文所探討的動漫模塊應(yīng)符合下述需求：

其一，支撐節(jié)點(diǎn)動漫，可構(gòu)造若干關(guān)鍵幀動漫，通過時(shí)間完成動漫控制；

其二，探討達(dá)成節(jié)點(diǎn)動漫的基本操作，涉及節(jié)點(diǎn)平移、轉(zhuǎn)換、尺寸縮小與放大；

其三，支撐骨骼動漫，可探究網(wǎng)格、分析骨架文件；

現(xiàn)有區(qū)域金融風(fēng)險(xiǎn)研究更多屬于根據(jù)歷史資料的靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理，通常忽略動態(tài)因素，或者為了簡便處理建立在線性相關(guān)假設(shè)上。未來研究將更加契合經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)開放而復(fù)雜的特點(diǎn)，充分考慮風(fēng)險(xiǎn)因素的動態(tài)變化，構(gòu)建科學(xué)全面的指標(biāo)。模型選擇要多借鑒國外先進(jìn)研究經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)我國情形進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，克服數(shù)據(jù)搜集的困難，對區(qū)域金融風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行精細(xì)嚴(yán)密的研究。

其四，依托骨骼蒙皮技術(shù)完成皮膚形變；

其五，探索骨骼動漫細(xì)節(jié)問題，例如，動漫提速與降速效果的達(dá)成.

3　依托虛擬引擎制作動漫的基本原理

經(jīng)過多年發(fā)展，虛擬引擎更加完善，已演變?yōu)閺?fù)雜系統(tǒng)，無論是在建模、動漫、光影設(shè)計(jì)、物理系統(tǒng)，還是在所用插件、編輯工具中，囊括開發(fā)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié).

首先，在光影效果中.光影效果指代場景內(nèi)部光源所產(chǎn)生的具體影響，主要表現(xiàn)在人和物中.光影效果一般通過引擎進(jìn)行控制，其中折射與動態(tài)光源等幾乎都利用引擎編程來達(dá)成［3］.

其次，在動漫中.現(xiàn)階段，主要包含骨骼動漫與模型動漫這兩種系統(tǒng).前者借助內(nèi)置骨骼促使物體作出各種動作，應(yīng)用較多；而后者則是依托模型進(jìn)行變形操作.引擎將上述兩種動漫系統(tǒng)提前體植入，促進(jìn)了角色設(shè)計(jì).對于骨骼動漫系統(tǒng)而言，骨架共同組成骨骼，進(jìn)而構(gòu)建成網(wǎng)格.網(wǎng)格頂點(diǎn)以及骨架密切相連，因此，其在模型中的空間位置均以骨架為參照，并非指示在世界中的具體位置.由此可知，若變換骨架，則各頂點(diǎn)位置也會出現(xiàn)一定改變.這表明一定要讓骨骼運(yùn)動，節(jié)約了較多的內(nèi)存.另外，骨骼動漫還存在其它優(yōu)點(diǎn)，可參照能干擾頂點(diǎn)的骨架科學(xué)估價(jià).同時(shí)，也存在缺點(diǎn)和不足，若想讓有機(jī)的東西正常運(yùn)動，需要在其內(nèi)部增設(shè)更多的骨架，這在某一層面增加了處理時(shí)間［4］.

引擎還存在另一顯著功能，即可提供物理系統(tǒng)，進(jìn)而讓物體運(yùn)動依照特定規(guī)律.以角色的跳躍動作為例，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重力值關(guān)乎著跳躍的實(shí)際高度，影響著下落速度，且子彈飛行軌跡也與物理系統(tǒng)相關(guān).

碰撞探測作為物理系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，能夠探測每一種物體對應(yīng)的物理邊緣.若兩個(gè)3D物體相互碰撞，則該技術(shù)能夠規(guī)避相互穿過問題，促使人碰撞墻壁時(shí)，不會出現(xiàn)穿墻而過的現(xiàn)象，更不可能撞倒墻壁，這是因?yàn)榕鲎蔡綔y會參照人體與墻壁之間的特征判斷兩者的實(shí)際位置與對應(yīng)關(guān)系.

攝影機(jī)系統(tǒng)是另外一個(gè)基本功能.借助鏡頭自身的變換推拉，改變?nèi)藗兊囊暯?，使得場景也隨之不斷變化，進(jìn)而豐富三維感受，營造一種身臨其境的氛圍［6］.

4　依托虛擬引擎制作動漫的主要方法

首先，借助三維建模軟件完成角色建模，設(shè)定人物材質(zhì)、貼圖，賦予角色模型以骨骼，設(shè)計(jì)骨骼動漫，營造三維場景.

對于3DSMAX提出不同的建模手段，包含自底向上建模與自上到下建模.因自底向上建模主要由基本幾何體不斷塑造，最終變成完整模型，此種方法具有顯著優(yōu)點(diǎn)，可提前估測三維模型，進(jìn)一步認(rèn)識整個(gè)網(wǎng)格涉及的所有面，面數(shù)控制決定著引擎的實(shí)際計(jì)算時(shí)間，在具體調(diào)整環(huán)節(jié)，應(yīng)額外留心模型布線問題［7］.

其次，格式調(diào)整.對角色模型以及場景模型進(jìn)行格式調(diào)整處理，同時(shí)導(dǎo)入到引擎中，營造三維場景，圍繞場景內(nèi)部的物體合理添設(shè)紋理貼圖，適當(dāng)添加角色模型，結(jié)合場景適當(dāng)增設(shè)燈管，配置攝影機(jī)，科學(xué)設(shè)置［8］.

隨后，在虛擬引擎內(nèi)部合理編制腳本語言，實(shí)現(xiàn)動漫控制.具體包含粒子系統(tǒng)腳本與骨骼動漫腳本等的構(gòu)建.現(xiàn)階段，主要存在頂點(diǎn)動漫與骨骼動漫這兩種模型.從處理器性能層面而言，骨骼動漫具有一定的優(yōu)勢，便于創(chuàng)建、創(chuàng)建效率較高.不同樣式的骨骼動漫能夠進(jìn)行整合處理，大部分引擎均支撐頂點(diǎn)動漫，然而，并非各引擎均支撐骨骼動漫.要求角色模型一定會動，主要由角色可利用動作決定.在各動漫階段，對應(yīng)的制作方法均相同，只有優(yōu)秀的腳本寫作者方可用腳本完成骨架創(chuàng)建，達(dá)成骨骼動漫.

最后，將動漫轉(zhuǎn)移至后期處理工序，將其編輯成動漫，一般包含配音以及特效控制這兩項(xiàng)內(nèi)容.

5　結(jié)語

原三維動漫的整體開發(fā)周期偏長，需要配置多種開發(fā)設(shè)備，開發(fā)成本大，這主要是因?yàn)閯勇谱餍枰M(jìn)行重復(fù)勞動，從而提升制作成本，拉長開發(fā)周期.但使用虛擬引擎實(shí)現(xiàn)動漫制作能夠縮減開發(fā)成本，降低開發(fā)時(shí)間，值得大力推廣和進(jìn)一步研究.綜合來說，依托虛擬引擎進(jìn)行動漫制作既可節(jié)省時(shí)間，還可提升經(jīng)濟(jì)效益，市場價(jià)值巨大.

〔1〕王洪福，陳雷霆，李東魁，等.三維圖形引擎中骨骼蒙皮動漫的一種實(shí)現(xiàn)方法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2013，23（12）:349-350，356.

〔2〕唐亞輝，趙宏林，常迎春，等.基于Unity3D平臺的籃球游戲三維動漫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2015（2）:73-76.

〔3〕陳駿.三維動漫制作與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2014（14）:224-224，226.

〔4〕甄杰，鄭力明.基于OGRE的動漫制作引擎設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2015，27（2）:160-162.

〔5〕王濤.基于UDK的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維虛擬數(shù)字校園中的應(yīng)用與研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014（15）:33-36.

〔6〕周演.三維虛擬漫游中相關(guān)技術(shù)的研究［D］.江蘇大學(xué)，2013.38-40.

〔7〕湯磊.基于Virtools的三維場景實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.大慶石油學(xué)院，2014.

〔8〕許梅，周曉成.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在景觀建筑創(chuàng)作中的應(yīng)用——基于大觀園交互式漫游系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì) ［J］.南風(fēng)，2015（35）:48-49.

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1673-260X（2016）07-0025-02

2016-03-12