基于三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論研究

楊璐萍

【摘要】三維動畫和虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了對真實世界的模擬還原，是一種更高端、運用價值更高的圖形與圖像技術(shù)，相較于其他技術(shù)，它們具有實時性更強、交互性更明顯的特點，被廣泛運用于影視制作、游戲制作、城市規(guī)劃、模擬演練等過程中，給人們的生活和工作效率、效果的進(jìn)一步提升提供了很大的技術(shù)支持。未來世界的發(fā)展必然是向著更高端的技術(shù)運用方向發(fā)展的，對于三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用將會越來越廣泛，對基于三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論研究是促進(jìn)兩項先進(jìn)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和進(jìn)一步運用的前提和基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】三維動畫;虛擬現(xiàn)實技術(shù);理論研究

三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了更為突出和廣泛的使用，他們的誕生為影視、游戲等行業(yè)技術(shù)的革新帶來了極大的幫助，為人們帶來了更加新穎的、更高端的感官體驗，在社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展的推動下，三維動畫和虛擬現(xiàn)實技術(shù)將在未來得到更多方面、更深層次的運用。通過運用三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，人們的想象能夠得到更高程度的展現(xiàn)，立足于三維圖像技術(shù)，結(jié)合傳感、多媒體等多種技術(shù)將想象轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)象，因此，它們還能被廣泛用于場景再現(xiàn)、特殊訓(xùn)練、高端制造等環(huán)節(jié)中。在科技與經(jīng)濟不斷發(fā)展的趨勢下，計算機綜合性能得到了不斷的提升，未來三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會得到更進(jìn)一步的融合與發(fā)展。

1. 三維動畫的簡單概述

三維動畫是一種以軟硬件、數(shù)學(xué)、圖形、美術(shù)等多種領(lǐng)域為基礎(chǔ)的圖像圖形技術(shù)，它被廣泛運用于影視制作中，在很大程度上促進(jìn)了影視視覺效果的提升，在經(jīng)濟、藝術(shù)、學(xué)術(shù)等多個領(lǐng)域都發(fā)揮著極高的價值。簡單地說，三維動畫技術(shù)就是運用計算機的繪圖功能把一幀一幀的動畫高效銜接在一起的技術(shù)，但它并不是簡單地對每一幀的圖像進(jìn)行錄入，還需要利用計算機對圖形三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終形成圖像動畫。

三維動畫技術(shù)的原理主要包含造型、動畫、繪圖、著色四部分。其中，造型需要借助三維造型軟件對三維物體進(jìn)行繪制，并需要提前設(shè)計好三維形象的形態(tài)以及位置。所以造型部分需要兩個流程，第一，要先繪制成基本的圖形，然后再將所有三維物體進(jìn)行組合，最終形成更復(fù)雜的三維形體;第二，在繪制完成后，需要將各個三維物體放置在適當(dāng)?shù)奈恢?，最終組成系統(tǒng)完整的三維場景。動畫目的在于讓各種三維圖像“動”起來，需要設(shè)計人員的繪制也需要計算機的處理;非交互的美學(xué)與視覺保證是繪圖的關(guān)鍵，在繪圖中必須要保證動畫的真實感;著色也就是將上述步驟間連接的環(huán)節(jié)，是保證播放效果和滿足播放需求的重要環(huán)節(jié)。三維動畫技術(shù)具有對真實物體的擬人表現(xiàn)、真實性更高、圖像利用率更高、融合多個領(lǐng)域和學(xué)科的特點，在很多領(lǐng)域中都有很高的利用價值，例如教育領(lǐng)域、影視游戲制作、工業(yè)生產(chǎn)等等?？梢哉f三維動畫技術(shù)既能夠用于生活必須的衣食住行中，也能用于商業(yè)活動、工業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)學(xué)教育等各種領(lǐng)域中。

2. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的簡單概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡稱VR技術(shù)，是興起于上世紀(jì)末的新興技術(shù)，它的發(fā)展融合了計算機技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、AI技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)，它具有極強的交互作用，完成了對傳統(tǒng)人機交互模式的顛覆，塑造了更高端、更生動真實的交互模式。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種結(jié)合了人與信息的技術(shù)，在計算機三維環(huán)境的構(gòu)建下，形成真實感極強的場景，這些場景可以是真實世界中存在的，也可以是人們腦海中的想象畫面。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用下，不論多復(fù)雜的抽象概念都能夠得以真實生動的展示出來，是對人類意志體現(xiàn)較高的技術(shù)?？傊?，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種融合了更多領(lǐng)域、更多學(xué)科、更多技術(shù)的新興技術(shù)，能夠給予視覺、聽覺、觸覺等多種感官最大的滿足，是一種更高級的技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有很多優(yōu)勢，其中以交互性更強、沉浸感更高、構(gòu)想性更高三大優(yōu)勢最為突出。在交互性方面，人們只需要通過佩戴使用專門的設(shè)備，就能夠?qū)崿F(xiàn)在虛擬場景中的一切操作。計算機通過采集人們頭部、身體等運動信號來調(diào)整場景中的圖像和聲音，它能夠根據(jù)用戶需求進(jìn)行針對性的回應(yīng)，實現(xiàn)了場景的動態(tài)和互動。沉浸感方面，它是虛擬現(xiàn)實技術(shù)最主要的優(yōu)勢，它指的是用戶通過特定設(shè)備對虛擬場景的感知程度以及投入程度。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬場景中，人們所看到的、聽到的、摸到的真實感受都非常強烈，與現(xiàn)實世界基本上沒有區(qū)別，逼真的體驗會讓人們沉浸在場景中。這也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)所真正追求的目的，即用戶能夠“真實”融入到虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)的場景中，能夠有切身體會、身臨其境的感受。構(gòu)想性方面，需要通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)將抽象虛擬轉(zhuǎn)化為真實具體，這個過程就是構(gòu)想過程。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展時間有限，應(yīng)用范圍還不夠廣泛，目前運用于科研、設(shè)計、軍事、藝術(shù)、游戲等領(lǐng)域，但隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，它的運用將會更加廣泛和普遍。

3. 三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的融合可能性分析

三維動畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)都是以三維圖形為基礎(chǔ)的技術(shù)，并且都融合了計算機、傳感等多種技術(shù)，融合了數(shù)學(xué)、物理、美學(xué)等多個學(xué)科的知識，都是藝術(shù)與技術(shù)的結(jié)合形式。三維動畫技術(shù)的呈現(xiàn)需要通過計算機等技術(shù)對三維圖形進(jìn)行加工處理，形成后就無法改變，用戶只能觀看不能互動，因此，在交互性保障上三維動畫要稍稍落后于虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)則很好的彌補了三維動畫交互性欠缺的問題，用戶通過特定工具就能實現(xiàn)在虛擬場景中的一切行為，具有很高的自由度，能夠根據(jù)自身喜好對場景內(nèi)容進(jìn)行選擇，完成了與虛擬世界的交互。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在一定程度上彌補了三維動畫的不足，但三維動畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)之間也是存在一定的聯(lián)系的。要建立虛擬場景，首先需要利用三維動畫技術(shù)進(jìn)行場景的基本建模，在虛擬場景中的一花一木、道路、建筑等一切所需都需要三維動畫技術(shù)來完成創(chuàng)建。在虛擬場景的構(gòu)建過程中，三維空間坐標(biāo)很難確認(rèn)，需要通過三維建模軟件進(jìn)行確認(rèn)。虛擬場景的構(gòu)建不是簡單、獨立的三維動畫創(chuàng)建，需要保證其交互性和構(gòu)想性，因此，在一些特殊的細(xì)節(jié)處理上還需要使用到貼圖?？梢?，三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)之間的關(guān)系既是互相彌補，又是互相聯(lián)系的，將三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行融合是可行的。

4. 三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的融合運用

3DS MAX是常用的三維動畫造型軟件，本文將以它與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的融合運用為例對三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的融合運用進(jìn)行簡單分析。

4.1 三維虛擬場景創(chuàng)建

3DS MAX的對象模型有多邊形建模、非均勻有理B樣條曲線建模、細(xì)分曲面建模等等，在三維虛擬場景創(chuàng)建過程中，往往需要組合運用。多邊形建模適用于對形狀較規(guī)則、沒有彎曲面的三維物體，在多邊形建模的使用過程中，需要先創(chuàng)建完成基礎(chǔ)三維物體，然后結(jié)合需求對其形狀進(jìn)行完善調(diào)整。多邊形建模具有簡單、方便的優(yōu)勢，但同時也具有無法創(chuàng)建有曲面或者對光滑度有需求的物體。非均勻有理B樣條曲線建模是計算機圖形中的一種數(shù)學(xué)概念，它能夠創(chuàng)建出對光滑度有需求的三維物體，同時能夠?qū)?fù)雜度高、真實度要求高的模型進(jìn)行創(chuàng)建，是對多邊形建模缺點的彌補，但同時他也具有自身的弊端，因為它必須要依靠曲面片作為基礎(chǔ)建模，所以它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常有限，在很大程度上限制了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜度的提升，在創(chuàng)建復(fù)雜度較高的模型時還可能會對曲面進(jìn)行裁剪，但裁剪的同時又意味著很容易出現(xiàn)計算措施，造成模型破壞。細(xì)分曲面技術(shù)是上世紀(jì)末引入的三維建模技術(shù)，是對非均勻有理B樣條曲線建模缺點的彌補，它通過多面體完成對網(wǎng)格的控制，再通過控制網(wǎng)格生成平滑度高的曲面，細(xì)分曲面技術(shù)的網(wǎng)格的形狀各異，所以它可以創(chuàng)建出更多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并同時保證曲面的平滑度。此外，細(xì)分曲面技術(shù)還能落實于細(xì)節(jié)，能夠在結(jié)構(gòu)中添加細(xì)節(jié)，但不會對整體結(jié)構(gòu)造成影響，也不會增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。不可否認(rèn)的是，細(xì)分曲面技術(shù)也同樣存在一定的局限性，因為該技術(shù)誕生時間較其他建模較短，所以很多控制、工具都不夠成熟完善，尚不能用于復(fù)雜度過高的建模之中。

4.2 圖像繪制

IBR技術(shù)能夠在普通計算機上完成真實感圖形的繪制，并保證實時性，但它需要以預(yù)先準(zhǔn)備的圖像為基礎(chǔ)，才能生成不同的圖像畫面，相比傳統(tǒng)繪制技術(shù)，它的優(yōu)點更加突出，主要表現(xiàn)于以下幾個方面：第一，IBR技術(shù)實現(xiàn)了圖形繪制過程中的獨立性，它只與生成圖像的分辨率有關(guān);第二，它對預(yù)先提供的圖像要求不高，不論是計算機合成的，還是實際拍攝到的都可以作為基礎(chǔ)使用;第三，IBR技術(shù)對計算資源的要求也不高，它能夠在普通的計算機上完成場景的繪制和展示。3DS MAX在IBR中的應(yīng)用效果非常好，IBR技術(shù)的文理視圖以及貼圖控制能力，能夠?qū)D像進(jìn)行方便快捷的處理和控制。3DS MAX為虛擬現(xiàn)實技術(shù)建好模之后，可以根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)對模型輸出的文件類型更改為環(huán)境可接受的文件類型。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用中，常需要視差和景深視圖，可以在3DS MAX中用雙攝影機對人眼進(jìn)行模擬，滿足視差與景深需求，提高場景立體感和真實感，在雙攝影機的設(shè)置上，要注意攝影機之間的位置。

5. 結(jié)束語

在經(jīng)濟與科技的不斷發(fā)展中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維動畫技術(shù)得到了更廣泛的運用，同時對其技術(shù)要求也不斷增加，他們在各自領(lǐng)域中發(fā)揮著突出價值。隨著計算機技術(shù)及計算機及性能的完善，在未來的運用過程中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和三維動畫技術(shù)的研究方向?qū)l(fā)生一定的改變，將二者進(jìn)行融合運用是必然趨勢。在未來的研究中，首先需要解決的問題是虛擬場景的構(gòu)造問題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展基石是動畫技術(shù)，所以，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展也必將推動三維動畫技術(shù)的發(fā)展，二者將會在未來社會中得到更為廣泛和普遍的運用。

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