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

尚冠衛(wèi)

【摘 要】在平面的二維系中加入一個(gè)方向向量就構(gòu)成了三維，三維即可確定一個(gè)空間位置，基于此的三維技術(shù)就可以借助計(jì)算機(jī)技術(shù)根據(jù)無(wú)數(shù)點(diǎn)的空間位置在電腦軟件中集合構(gòu)成一個(gè)立體的存在，將三維技術(shù)運(yùn)用到動(dòng)漫發(fā)展中就產(chǎn)生了三維動(dòng)畫。隨著現(xiàn)代信息科技的不斷發(fā)展，為更好地對(duì)計(jì)算機(jī)生成的虛擬景象進(jìn)行體驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文主要是基于三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論研究，同時(shí)對(duì)兩者之間的關(guān)系做進(jìn)一步的探討分析。

【關(guān)鍵詞】三維動(dòng)畫；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；理論研究

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-0125（2017）20-0135-02

三維動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都是在計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)、硬件不斷創(chuàng)新突破的基礎(chǔ)上而產(chǎn)生的新興技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外都得到高度重視，歐美、日本等國(guó)家在理論建設(shè)、軟件開發(fā)包括基本理念等方面都領(lǐng)先很多。三維圖形技術(shù)是三維動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的基本技術(shù)手段，兩者是在三維圖形技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的具有不同特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)先進(jìn)技術(shù)；三維動(dòng)畫技術(shù)以虛擬仿真為特點(diǎn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更強(qiáng)調(diào)的是人與虛擬圖像之間的交互體驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在三維動(dòng)畫基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代高科技技術(shù)，兩者之間既有各自的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，又相互作用、相互推進(jìn)。

一、三維動(dòng)畫研究

計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和二維動(dòng)畫技術(shù)是對(duì)三維動(dòng)畫進(jìn)行理論研究的兩個(gè)有效著力點(diǎn)，一方面，三維動(dòng)畫是將計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)引進(jìn)到動(dòng)畫創(chuàng)作、動(dòng)漫發(fā)展的重要實(shí)踐成果；另一方面，三維動(dòng)畫是在二維動(dòng)畫的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，從平面性畫面升級(jí)為立體性的形象。

計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像的繪制、生成、表現(xiàn)的技術(shù)，“以物體在計(jì)算機(jī)中的模型為依據(jù)，通過計(jì)算機(jī)的處理產(chǎn)生物體真實(shí)或想象的圖形”[1]，既包括圖形的創(chuàng)作又要對(duì)其進(jìn)行展示；另外，不同于傳統(tǒng)的圖形技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以數(shù)據(jù)為表現(xiàn)形式，是虛擬的電子信息。三維動(dòng)畫是計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，WAVEFRONT、3DSMAX、LIGHTWAVE3D、SOFTIMAGE等都是在計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的三維動(dòng)畫制作軟件，通過造型、動(dòng)畫、繪圖和著色輸出等步驟完成三維動(dòng)畫的創(chuàng)作。動(dòng)畫經(jīng)歷了從二維到三維的發(fā)展過程，在表現(xiàn)形式上經(jīng)歷了一個(gè)將圖像由靜止發(fā)展為運(yùn)動(dòng)、由平面發(fā)展為立體的轉(zhuǎn)變過程，在創(chuàng)作手段上由傳統(tǒng)的紙質(zhì)書畫發(fā)展為計(jì)算機(jī)數(shù)字編制。計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)變革了二維動(dòng)畫的創(chuàng)作理念和創(chuàng)作方式，借助計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷更新發(fā)展為三維動(dòng)畫的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障和技術(shù)支撐。

進(jìn)行三維動(dòng)畫制作的第一步是進(jìn)行三維建模，即通過三維造型軟件在計(jì)算機(jī)的虛擬三維空間中設(shè)計(jì)好對(duì)象的形狀、位置等；第二步動(dòng)畫，將已建好的圖像按一定順序呈現(xiàn)出來(lái)形成連續(xù)的畫面展示，可以通過旋轉(zhuǎn)、變色、錯(cuò)切、鏡像等多種變換形式來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的效果；第三步繪圖，“動(dòng)畫的重點(diǎn)是非交互的美學(xué)和視覺效果，繪圖包括貼圖和光線控制等，目的是保證制作的動(dòng)畫逼真”[2]；最后一步是著色輸出，后期合成涵蓋音效、三維動(dòng)態(tài)、靜態(tài)等多種合成，形成成品。

三維動(dòng)畫的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其應(yīng)用到動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)發(fā)展中是我們最為熟悉、發(fā)展勢(shì)頭最為強(qiáng)勁的模式之一。三維動(dòng)畫應(yīng)用到動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中不僅拉動(dòng)了大批量的資金投入，而且對(duì)動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的技術(shù)更新和發(fā)展起到了決定性作用。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)不斷投入生產(chǎn)、實(shí)踐，三維動(dòng)畫在醫(yī)學(xué)、教育、軍事等多個(gè)領(lǐng)域都有長(zhǎng)足的發(fā)展，影響著日常生活和社會(huì)生產(chǎn)進(jìn)步的方方面面。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門綜合性的計(jì)算機(jī)技術(shù)，其融合了計(jì)算機(jī)圖形、傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)，“利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境（如飛機(jī)駕駛艙、操作現(xiàn)場(chǎng)等），通過多種傳感設(shè)備使用戶‘投入到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)”[3]，包括對(duì)虛擬環(huán)境的創(chuàng)建及體驗(yàn)虛擬環(huán)境等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)綜合技術(shù)發(fā)展起來(lái)的人與機(jī)器進(jìn)行互動(dòng)、對(duì)話的技術(shù)，主要包括對(duì)環(huán)境的模擬創(chuàng)造、用戶的感知體驗(yàn)等。對(duì)環(huán)境的模擬創(chuàng)造由計(jì)算機(jī)來(lái)完成，要求是逼真的、生動(dòng)的而且是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的，既要滿足人體生理學(xué)、心理學(xué)等相關(guān)規(guī)律，而且要以人的真實(shí)體驗(yàn)感受為前提去用技術(shù)完成虛擬環(huán)境的創(chuàng)制。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的用戶感知體驗(yàn)是全方位的，涉及人類的聽覺、觸覺、嗅覺等各種感官作用，致力于實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中的難分真假的充分的、真切的體驗(yàn)。虛擬環(huán)境進(jìn)行仿真體驗(yàn)只是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的第一步，其更高的旨趣在于人與機(jī)器的互動(dòng)，在進(jìn)行模擬環(huán)境的體驗(yàn)的同時(shí)，人的感官、動(dòng)作等能夠通過傳感器技術(shù)、立體顯示技術(shù)等再反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)已有的程序等再進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出，從而形成人與機(jī)器之間的互動(dòng)。

以人與機(jī)器的交互體驗(yàn)為重點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅改變了傳統(tǒng)的人與機(jī)器進(jìn)行信息交換的方式和手段，而且極大地拓寬了人類進(jìn)行技術(shù)研究、科學(xué)創(chuàng)新的思維和理念。人類與機(jī)器的傳統(tǒng)互動(dòng)方式是通過鼠標(biāo)、鍵盤機(jī)其他一些操作設(shè)備設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)的，側(cè)重的是人對(duì)機(jī)器已有信息或機(jī)器狀態(tài)的一個(gè)調(diào)控，人機(jī)之間的互動(dòng)沒有真正發(fā)生。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人機(jī)互動(dòng)正朝著智能化方向發(fā)展，全息投影技術(shù)是近幾年來(lái)發(fā)展得比較火的人機(jī)互動(dòng)典型，將真實(shí)的現(xiàn)實(shí)存在與虛擬的現(xiàn)實(shí)存在集中到一個(gè)空間內(nèi)；全息投影技術(shù)利用干涉和衍射原理記錄，再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中真實(shí)存在的三維圖像，不僅能夠產(chǎn)生虛擬的立體的景象，而且虛擬景象與現(xiàn)實(shí)的真實(shí)物體能夠有機(jī)互動(dòng)并呈現(xiàn)出來(lái)。

三、三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)是三維動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，兩者在技術(shù)手段上同屬一支，在一些技術(shù)手段和技術(shù)處理上具有共性。三維動(dòng)畫是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要利用三維動(dòng)畫技術(shù)在初始階段對(duì)所要構(gòu)建的場(chǎng)景和對(duì)象進(jìn)行描繪、加工。三維動(dòng)畫最大的特點(diǎn)是虛擬仿真性，即將表現(xiàn)的重點(diǎn)放在對(duì)場(chǎng)景和對(duì)象的再現(xiàn)上，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)調(diào)人機(jī)之間的實(shí)時(shí)交互性，需要實(shí)現(xiàn)的是人與機(jī)器之間的共振。三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)既有各自的特點(diǎn)、相互區(qū)別，又有著共同的理論基礎(chǔ)與發(fā)展旨趣，兩者是相互聯(lián)系、相互作用的。endprint

“沉浸感”是現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的典型特點(diǎn)之一，指人能夠完全沉浸到計(jì)算機(jī)虛擬、構(gòu)造出來(lái)的情境中去，“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)散性得到有效加強(qiáng)”[4]。在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)置、虛擬體驗(yàn)時(shí)，需要利用三維動(dòng)畫進(jìn)行建模，通過三維動(dòng)畫技術(shù)將計(jì)算機(jī)技術(shù)與要表現(xiàn)的某一領(lǐng)域有機(jī)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合利用，經(jīng)過技術(shù)加工后能呈現(xiàn)出逼真的模擬場(chǎng)景和對(duì)象；然后，要通過傳感技術(shù)、仿真技術(shù)、人機(jī)互動(dòng)技術(shù)等將人的特殊需求通過技術(shù)處理傳遞給計(jì)算機(jī)，這時(shí)要求三維動(dòng)畫本身是連續(xù)性的、實(shí)時(shí)性的，真正實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互體驗(yàn)，人能夠主動(dòng)地參與到場(chǎng)景中并對(duì)其環(huán)境、對(duì)象等進(jìn)行干預(yù)、改變，實(shí)現(xiàn)自由的交流和溝通。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來(lái)越多地被有機(jī)結(jié)合起來(lái)用于多個(gè)領(lǐng)域，既有效發(fā)揮了三維動(dòng)畫技術(shù)再現(xiàn)、仿真的優(yōu)勢(shì)，又充分融合進(jìn)了人的體驗(yàn)，尤其是在體驗(yàn)性服務(wù)消費(fèi)中得到了很好的開發(fā)利用。將三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行充分融合，運(yùn)用到現(xiàn)代房產(chǎn)銷售中就取得了顯著效果，利用三維動(dòng)畫技術(shù)構(gòu)建出仿真的虛擬樣板房，客戶通過相關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)手段對(duì)線上樣板房進(jìn)行實(shí)時(shí)體驗(yàn)，為保證體驗(yàn)效果，當(dāng)三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)在模型建立有所沖突時(shí)，從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)性需求出發(fā)，滿足虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)場(chǎng)景的需求，“常用一些簡(jiǎn)單的框架來(lái)代替復(fù)雜模型，但為了保證建模具有一定的真實(shí)性，可采用貼圖的方式來(lái)彌補(bǔ)視覺上的不足”[5]。線上樣板房模式既能保證客戶對(duì)房屋建筑的功能、使用的充分感知，極大地節(jié)約了建筑成本和資金投入，而且客戶在體驗(yàn)過程中能夠根據(jù)各自不同的需求進(jìn)行實(shí)時(shí)干預(yù)、體驗(yàn)不同的服務(wù)，使得售樓服務(wù)更加個(gè)性化、人性化。

以計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)為基礎(chǔ)的三維動(dòng)畫直接推動(dòng)了我國(guó)動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，雖然國(guó)產(chǎn)三維動(dòng)畫的整體水平較之歐美等先進(jìn)國(guó)家還有很大差距，但在三維動(dòng)畫的創(chuàng)意、制作等方面在近年來(lái)都有了質(zhì)的飛躍，在動(dòng)漫市場(chǎng)中的份額和影響力在不斷提升。遵循三維動(dòng)畫虛擬仿真的思維路線發(fā)展起來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更多的關(guān)注人的體驗(yàn)，著眼于人機(jī)互動(dòng)，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活的多領(lǐng)域都得以廣泛利用，改變了傳統(tǒng)社會(huì)機(jī)器的冰冷面目，實(shí)現(xiàn)了人與物之間的互通。科學(xué)技術(shù)在推動(dòng)生產(chǎn)力發(fā)展、提升生活品質(zhì)的同時(shí)也帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)，在用技術(shù)推進(jìn)三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)不斷創(chuàng)新、升級(jí)的同時(shí)，也要充分關(guān)注技術(shù)變革帶來(lái)的道德倫理、人文關(guān)懷等問題，真正實(shí)現(xiàn)“科技讓生活更美好”的旨意，用技術(shù)升級(jí)體驗(yàn)、用科技裝點(diǎn)生活。

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