計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在三維動(dòng)畫制作中的應(yīng)用

摘? 要：虛擬仿真技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種虛擬系統(tǒng)，能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)中存在的事物和環(huán)境進(jìn)行模仿。虛擬仿真技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，它在當(dāng)前社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，且已成為人們認(rèn)識(shí)世界的一種基本方式。虛擬仿真技術(shù)在三維動(dòng)畫制作中得到了廣泛應(yīng)用，文章分析了虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用原理，并對(duì)其在三維動(dòng)畫制作中的應(yīng)用展開了探析。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù);三維動(dòng)畫制作;交互技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）08-0084-03

Abstract：Virtual simulation technology is a virtual system realized by means of computer technology，which can imitate the existing things and environment in reality. With the rapid development of computer technology，virtual simulation technology has been widely used in various fields of current society，and has become a basic way for people to understand the world. Virtual simulation technology has been widely used in the production of three-dimensional animation. This paper analyses the characteristics and application principles of virtual simulation technology，and explores its application in the production of three-dimensional animation.

Keywords：computer virtual simulation technology;3D animation production;interaction technology

0? 引? 言

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，虛擬技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)發(fā)展中一項(xiàng)必不可少的技術(shù)，又被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或者模擬技術(shù)。[1]計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)是在上個(gè)世紀(jì)八十年代產(chǎn)生的，它是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，其需要借助計(jì)算機(jī)硬件、軟件和三維傳感器構(gòu)成。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)具有較高的仿真性能，能夠帶給人們一種真實(shí)的體驗(yàn)感，讓人們感覺“身臨其境”。[2]由于采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)制作的三維動(dòng)畫所呈現(xiàn)出來(lái)的畫面具有很強(qiáng)的真實(shí)感，因而在軍事領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域、航空領(lǐng)域均運(yùn)用了此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行模擬、試驗(yàn)等操作。因此，計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在當(dāng)前的三維動(dòng)畫制作中得到了廣泛的應(yīng)用。[3]計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)對(duì)于三維動(dòng)畫制作來(lái)說(shuō)，發(fā)揮著重大的作用，具有非常重大的意義。

1? 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用體系得到了較好的完善，并且，我國(guó)的很多領(lǐng)域中都涉及到了虛擬仿真技術(shù)，如在室內(nèi)設(shè)計(jì)、旅游教學(xué)和城市建設(shè)等方面，都應(yīng)用到了虛擬仿真技術(shù)。

1.1? 虛擬仿真技術(shù)的定義

對(duì)于虛擬仿真技術(shù)，可以從多個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分析，從狹義的虛擬仿真技術(shù)方面進(jìn)行分析，虛擬仿真技術(shù)是隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，這種技術(shù)屬于試驗(yàn)研究類技術(shù)，借助虛擬仿真技術(shù)，能夠?qū)⑻摂M的空間進(jìn)行構(gòu)建;從廣義的層面對(duì)虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行分析，這種技術(shù)是幫助人們認(rèn)識(shí)世界、探索未知世界的。當(dāng)前的計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，在這種背景下，虛擬仿真技術(shù)能夠得到更加全面的發(fā)展和完善，從而借助虛擬的世界將真實(shí)的世界進(jìn)行展現(xiàn)。

1.2? 虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬仿真技術(shù)在進(jìn)行分類歸納的過(guò)程中，可以從四個(gè)方面將其進(jìn)行分類，其中分別是交互性、沉浸性、虛幻性、逼真性。下面將對(duì)虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行具體的分析。

1.2.1? 交互性

交互性，在虛擬仿真技術(shù)中主要指的是人與自然環(huán)境之間所產(chǎn)生的互動(dòng)。虛擬環(huán)境是人類通過(guò)設(shè)計(jì)展現(xiàn)出來(lái)的，因此，使用虛擬環(huán)境的人能夠通過(guò)改變虛擬環(huán)境中的某些因素將虛擬環(huán)境進(jìn)行改變，同時(shí)，如果對(duì)虛擬環(huán)境中的某些因素進(jìn)行控制，該因素對(duì)應(yīng)的地方便能夠出現(xiàn)相應(yīng)的改變。例如：通過(guò)虛擬仿真技術(shù)模仿導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程時(shí)，使用者通過(guò)點(diǎn)擊相關(guān)的按鈕，虛擬環(huán)境中的導(dǎo)彈就會(huì)發(fā)射，同時(shí)，導(dǎo)彈如果觸碰到了目標(biāo)就會(huì)產(chǎn)生爆炸，同樣會(huì)產(chǎn)生火光和碎片，人們能夠看到火光和碎片的產(chǎn)生，這便是虛擬仿真技術(shù)的交互性。

1.2.2? 沉浸性

虛擬仿真技術(shù)，顧名思義，將現(xiàn)實(shí)世界中存在的事物進(jìn)行仿真模擬。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，能夠?yàn)槭褂谜咛峁┮曈X、聽覺、嗅覺等多種感覺，讓使用者能夠有一種身臨其境的感覺，這便是虛擬仿真技術(shù)的沉浸性。

1.2.3? 虛幻性

虛擬仿真技術(shù)所構(gòu)建的畫面都是對(duì)真實(shí)存在事物的仿真模擬，這些事物可以是真實(shí)存在的，也可以是未來(lái)可能會(huì)存在的，但是所構(gòu)建的虛擬系統(tǒng)卻不是真實(shí)存在的，因此，虛擬仿真技術(shù)具有虛幻性。

1.2.4? 逼真性

虛擬仿真技術(shù)能夠構(gòu)建出非常逼真的事物，讓人們感覺到構(gòu)建出的虛擬事物與現(xiàn)實(shí)世界是一樣的，這是體現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)逼真性的一個(gè)方面;另一個(gè)方面是，在虛擬仿真技術(shù)系統(tǒng)中，能夠通過(guò)控制其中的某些元素而出現(xiàn)相應(yīng)的變換，讓使用者有身臨其境的感覺。

1.3? 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用原理

1.3.1? 基于三維圖形的實(shí)時(shí)顯示技術(shù)

三維圖形的實(shí)時(shí)顯示技術(shù)是當(dāng)前三維動(dòng)畫制作中的一項(xiàng)重要技術(shù)，通過(guò)借助三維圖形的實(shí)時(shí)顯示技術(shù)能夠有效地提高三維動(dòng)畫的制作效率，這是因?yàn)榻柚S圖形的實(shí)時(shí)顯示技術(shù)能夠?qū)⑷S幾何圖形形成的時(shí)間有效地縮短，不僅如此，還需要將每秒鐘刷新的頻率定為15副，畫面的背景、陰影以及其他的要素都要符合相關(guān)的規(guī)定。[4]對(duì)于圖形的場(chǎng)景分塊，要能夠?qū)D片進(jìn)行場(chǎng)景分塊，并將其中的分塊場(chǎng)景進(jìn)行消隱，這樣一來(lái)就可以降低一些復(fù)雜場(chǎng)景的復(fù)雜度。一些復(fù)雜的場(chǎng)景在普通技術(shù)下很難拆分，但在虛擬仿真技術(shù)的協(xié)助下，可以將場(chǎng)景分為多個(gè)模塊，在一個(gè)復(fù)雜場(chǎng)景的其中一個(gè)模塊顯像時(shí)，其他場(chǎng)景都為隱匿狀態(tài)。消隱技術(shù)就是通過(guò)轉(zhuǎn)換人的視點(diǎn)來(lái)讓人們看到不同的畫面場(chǎng)景的。

1.3.2? 虛擬仿真技術(shù)中的交互技術(shù)

在虛擬仿真技術(shù)的系統(tǒng)中，某些界面需要人為的操縱才能最終達(dá)到目的，人們通過(guò)操作界面人為改變虛擬環(huán)境中的虛擬值，就是交互技術(shù)?，F(xiàn)今成熟的交互技術(shù)有三大類，有直接用戶交互技術(shù)、物理控制技術(shù)和虛擬控制技術(shù)。他們的區(qū)別就在于操作方式不同，例如：直接用戶交互技術(shù)就是通過(guò)人的現(xiàn)實(shí)動(dòng)作映射到創(chuàng)造的虛擬場(chǎng)景中以形成三維動(dòng)畫，它的特點(diǎn)是可以直觀的表現(xiàn)和靈活的改變動(dòng)作。物理控制技術(shù)便是通過(guò)操縱輸入設(shè)備如鼠標(biāo)、鍵盤、手柄等來(lái)進(jìn)行虛擬環(huán)境的交互。這種技術(shù)更能讓人體會(huì)到虛擬場(chǎng)景的存在，但和直接用戶交互技術(shù)相比缺少了一定的靈活性。虛擬控制技術(shù)便是輸入一定參數(shù)，讓虛擬物在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互，讓用戶可以更加直觀的了解虛擬環(huán)境中的因素，為虛擬環(huán)境的變化提供了更多可能性。

2? 虛擬仿真技術(shù)在三維動(dòng)畫制作中的應(yīng)用

2.1? 虛擬仿真技術(shù)的建模軟件和語(yǔ)言

Multigen Creator是虛擬仿真技術(shù)的建模軟件，其用于建立建筑模型，并為許多模型的建立提供了素材，可以方便簡(jiǎn)潔的控制比例，增加貼圖。VRML（Virtual Rcality Modclling Language）是虛擬仿真建模語(yǔ)言，在應(yīng)用建模軟件之前需要學(xué)習(xí)相關(guān)的建模語(yǔ)言來(lái)輔助建模。[5]

2.2? 三維動(dòng)畫制作軟件

三維動(dòng)畫制作軟件很多，功能各異，不同的三維動(dòng)畫制作軟件有著各自的特色，常見的有Maya、3ds Max、Premiere、Houdini及Zbrush，其中3ds Max和Maya兩款功能最強(qiáng)大、應(yīng)用范圍最廣，也是現(xiàn)在最主流的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件。兩者比較而言，3ds Max作為世界上應(yīng)用最廣泛的三維建模、動(dòng)畫、渲染軟件，完全能滿足制作高質(zhì)量動(dòng)畫的需要，只是它更多的效果制作依賴于外部插件。如分別用Maya和3ds Max制作同一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，Maya會(huì)比3ds Max花更多的時(shí)間和步驟，但其具有更大的可控制性和可操作性，在生成的圖像上也比用3ds Max生成的圖像有更多的細(xì)節(jié)。Maya在建模、渲染、制作數(shù)字角色和場(chǎng)景時(shí)讓用戶擔(dān)當(dāng)了導(dǎo)演、演員、場(chǎng)景設(shè)計(jì)者和攝影師的角色。

2.3? 三維動(dòng)畫建模

計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在很多方面都有其作用，在制作三維動(dòng)畫時(shí)，首先就要建立三維模型。三維模型包括對(duì)虛擬場(chǎng)景、三維動(dòng)畫人物、動(dòng)作表現(xiàn)的制作。進(jìn)行三維建模時(shí)，要通過(guò)虛擬仿真技術(shù)和交互技術(shù)的相互配合來(lái)完成相關(guān)模型的建立，主要是通過(guò)現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)來(lái)建模，再引入一些三維動(dòng)畫人物來(lái)體現(xiàn)需要展示的內(nèi)容。虛擬仿真技術(shù)的難點(diǎn)也在于設(shè)計(jì)人員需要在建模過(guò)程中充分準(zhǔn)備材料，整理好虛擬場(chǎng)景、虛擬人物的相關(guān)素材資料，與此同時(shí)還要進(jìn)行三維圖紙的準(zhǔn)備來(lái)保證三維動(dòng)畫的正常建立。在準(zhǔn)備一些實(shí)物的三維動(dòng)畫時(shí)，還需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員提前進(jìn)行人工拍攝、航拍等工作來(lái)獲取真實(shí)信息，最終確定三維動(dòng)畫的元素。在計(jì)算機(jī)技術(shù)未成熟之前，還需投入大量的人力財(cái)力來(lái)完成建?；顒?dòng)。因此，要想快速完成虛擬仿真技術(shù)在三維動(dòng)畫上的應(yīng)用，必須加快建模的速度來(lái)提高工作效率。

2.4? 應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，必然導(dǎo)致其運(yùn)用范圍的持續(xù)擴(kuò)大。目前，虛擬仿真技術(shù)在三維動(dòng)畫上的應(yīng)用已經(jīng)開始向航空領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域發(fā)展。[6]三維動(dòng)畫可以通過(guò)仿真模擬技術(shù)制造出一個(gè)虛擬場(chǎng)景，可以對(duì)未來(lái)進(jìn)行無(wú)損害模擬，通過(guò)模擬分析來(lái)找出所有可能發(fā)生的事件，對(duì)現(xiàn)今掌握的技術(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)進(jìn)行有效規(guī)避，這在軍事、航空領(lǐng)域是非常重要的一項(xiàng)技術(shù)。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以創(chuàng)造出虛擬環(huán)境來(lái)進(jìn)行模擬演練，借助這項(xiàng)技術(shù)，人們就可以更好地對(duì)我們的世界進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)更多的未知領(lǐng)域。在建筑方面，虛擬仿真技術(shù)可以快速建立三維動(dòng)畫，人們可以更加直觀的觀察一些高大精密的建筑。與CAD技術(shù)不同的是，虛擬仿真技術(shù)建立的是三維動(dòng)畫，更加直觀、更加立體，符合人的美學(xué)概念，更加生動(dòng)的表現(xiàn)一個(gè)建筑的空間結(jié)構(gòu)。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)上，能夠給我國(guó)的工業(yè)帶來(lái)非常良好的發(fā)展前景。

3? 結(jié)? 論

虛擬仿真技術(shù)將現(xiàn)實(shí)中存在的物體映射到虛擬環(huán)境中，用虛擬的三維動(dòng)畫場(chǎng)景和人物體現(xiàn)事物本質(zhì)，將一些抽象的事物具體反映成動(dòng)畫呈現(xiàn)在人們眼前，使人們能夠更好地理解動(dòng)畫內(nèi)容所表達(dá)的含義。計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在各個(gè)方面的應(yīng)用，既能夠方便我們的生活，加快工業(yè)進(jìn)步，使航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域都有所發(fā)展，還能促進(jìn)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在三維動(dòng)畫制作過(guò)程中，通過(guò)借助虛擬仿真技術(shù)，給人們的視野帶來(lái)極大的沖擊，讓人們能夠真實(shí)地感受到三維動(dòng)畫所傳達(dá)的內(nèi)容。虛擬仿真技術(shù)不但可以增強(qiáng)三維動(dòng)畫制作的效果，也可更好地促進(jìn)三維動(dòng)畫制作技術(shù)的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：曾龍凱（1988.07-），男，漢族，湖南祁陽(yáng)人，碩士，助教，研究方向：計(jì)算機(jī)多媒體動(dòng)畫設(shè)計(jì)與制作。