對(duì)三維動(dòng)畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)的探討

劉澤國(guó)

摘 ? 要：三維圖形技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用，為進(jìn)一步了解該技術(shù)構(gòu)成，本文對(duì)其中最關(guān)鍵的兩個(gè)分支——三維動(dòng)畫技術(shù)和三維虛擬技術(shù)進(jìn)行分析。重點(diǎn)關(guān)注三維動(dòng)畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)的技術(shù)原理與系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程，總結(jié)三維圖形技術(shù)的理論經(jīng)驗(yàn)，供相關(guān)人員借鑒參考。

關(guān)鍵詞：三維動(dòng)畫技術(shù) ?三維虛擬技術(shù) ?技術(shù)原理

中圖分類號(hào)：TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）04（c）-0126-02

三維圖形在二維圖形的基礎(chǔ)上，更加直觀、清晰、立體的展示事物細(xì)節(jié)，可容納更豐富的圖形信息。三維動(dòng)畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)是三維圖形技術(shù)的兩大基本構(gòu)成，二者的技術(shù)原理、開發(fā)方法不同，相應(yīng)的應(yīng)用范圍和適用場(chǎng)景也存在明顯的區(qū)別。為更好認(rèn)識(shí)三維圖形技術(shù)，需要對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比分析。

1 ?三維動(dòng)畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)理論分析

1.1 技術(shù)原理分析

1.1.1 三維動(dòng)畫技術(shù)

三維動(dòng)畫技術(shù)可被分為四個(gè)流程，即建模、動(dòng)畫、繪圖和輸出。其中，建模指的是在專門的計(jì)算機(jī)軟件中構(gòu)建物體的三維模型，確定其形狀和位置。建模過(guò)程為：（1）繪制基本幾何圖形，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整和修改，得到所需的形狀，通過(guò)組合拼接，形成結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的立體模型。（2）完成物體模型設(shè)計(jì)后，確定其所在位置，以形成完整的動(dòng)畫場(chǎng)景。動(dòng)畫指的是將靜態(tài)的立體模型轉(zhuǎn)化為會(huì)動(dòng)的模型，制作過(guò)程中，先對(duì)關(guān)鍵幀進(jìn)行定義，然后完成每一幀畫面的繪制。整個(gè)過(guò)程涉及到大量的繪圖操作，因此三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)人員必須具備較強(qiáng)的繪畫能力，使每一畫面盡量細(xì)致、真實(shí)。然后按照既定的順序?qū)⑦@些畫面組合播放，形成連續(xù)的動(dòng)畫場(chǎng)景。在畫面中完善中間幀，使得動(dòng)畫中物體的運(yùn)動(dòng)更加流暢和連貫。中間幀的制作可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，極大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作壓力。繪圖階段是對(duì)動(dòng)畫的進(jìn)一步完善，從美學(xué)的角度出發(fā)，繪制貼圖、光影等細(xì)節(jié)元素，使動(dòng)畫更加優(yōu)美、逼真。輸出是三維動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)軟件能夠自動(dòng)完成大量畫面的銜接和輸出，得到的動(dòng)畫文件可供直接觀看。

1.1.2 三維虛擬技術(shù)

三維虛擬技術(shù)包括實(shí)時(shí)顯示技術(shù)和交互技術(shù)兩部分。三維虛擬技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)就在于如何實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的顯示。為有效提高幾何圖形的生成速度，圖形的刷新頻率應(yīng)保證在15幀/s以上，而光線、陰影、質(zhì)感、結(jié)構(gòu)等均會(huì)影響其刷新頻率[1]。因此在制作三維虛擬場(chǎng)景時(shí)，需要通過(guò)一定的技術(shù)手段，對(duì)場(chǎng)景的復(fù)雜程度進(jìn)行控制。常用的技術(shù)包括場(chǎng)景分塊、可見(jiàn)消隱和細(xì)節(jié)層次管理技術(shù)。以場(chǎng)景分塊為例。該技術(shù)通過(guò)將一個(gè)復(fù)雜的場(chǎng)景劃分成多個(gè)相互獨(dú)立的子場(chǎng)景，當(dāng)處于某個(gè)場(chǎng)景時(shí)，無(wú)法觀測(cè)到其他場(chǎng)景的情況。場(chǎng)景分塊能夠有效減少同一時(shí)刻中需要顯示多邊形的數(shù)量，進(jìn)而對(duì)場(chǎng)景的復(fù)雜程度進(jìn)行控制。

交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬場(chǎng)景間的互動(dòng)，用戶動(dòng)作通過(guò)輸入工具被傳輸?shù)教摂M場(chǎng)景中，引發(fā)其變動(dòng)。最常用的輸入工具為鼠標(biāo)，而直接檢測(cè)用戶手勢(shì)并能完成場(chǎng)景變化的技術(shù)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。依照輸入工具不同，可將交互技術(shù)分為直接交互技術(shù)、物理交互技術(shù)和虛擬交互技術(shù)。直接交互即直接將用戶的手勢(shì)映射到虛擬場(chǎng)景中，完成人機(jī)交互過(guò)程。物理交互即通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤、操縱桿等工具完成指令映射。而虛擬交互技術(shù)雖然具備更高的靈活性，但由于缺少力的反饋，因此對(duì)虛擬物體的控制難度較大。

為確保三維虛擬場(chǎng)景的真實(shí)性，需要對(duì)用戶在虛擬場(chǎng)景中的動(dòng)作進(jìn)行限制，以達(dá)到與真實(shí)世界中運(yùn)動(dòng)相類似的效果。該過(guò)程一般通過(guò)碰撞檢驗(yàn)來(lái)完成，通過(guò)碰撞檢驗(yàn)，避免虛擬場(chǎng)景中出現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)中物體相融合的情況。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)分析

1.2.1 三維動(dòng)畫技術(shù)

目前主流的三維動(dòng)畫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)為3D Studio Max。在3DS Max平臺(tái)中完成三維動(dòng)畫場(chǎng)景中物體模型的繪制，再對(duì)多個(gè)模型進(jìn)行拼接重組，然后添加光影、質(zhì)感等效果插件，使得整個(gè)物體視覺(jué)效果更佳逼真和生動(dòng)。3DS Max平臺(tái)帶有自動(dòng)渲染功能，通過(guò)相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)，即可完成動(dòng)畫制作并輸出。例如，某物體的關(guān)鍵幀被設(shè)置為5個(gè)，系統(tǒng)對(duì)5幅圖形進(jìn)行排序，產(chǎn)生連貫的動(dòng)畫視頻。在播放動(dòng)畫產(chǎn)品時(shí)，就可觀測(cè)到連續(xù)的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。物體在每一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)都需要重新制作動(dòng)畫文件，常規(guī)的三維動(dòng)畫作品往往需要大量的圖片才能組合完成。

1.2.2 三維虛擬技術(shù)

常用的三維虛擬技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)為MultiGen+OpenGVS，該平臺(tái)可高效完成三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。當(dāng)系統(tǒng)界面顯示三維模型時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)同步進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)調(diào)節(jié)方式的存儲(chǔ)，以方便后期使用。使用MultiGen+OpenGVS平臺(tái)開發(fā)三維場(chǎng)景管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中信息的直接讀取。將三維模型顯示在系統(tǒng)窗口，并通過(guò)幾何變換，模擬物體的各項(xiàng)操作動(dòng)作，如平移、旋轉(zhuǎn)等。這些動(dòng)作指令通過(guò)系統(tǒng)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不涉及到三維動(dòng)畫技術(shù)中對(duì)關(guān)鍵幀的繪制。結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)和編程技術(shù)，想要增加物體動(dòng)作指令也相對(duì)簡(jiǎn)單，只要在原本三維模型的基礎(chǔ)上添加與動(dòng)作相對(duì)應(yīng)的代碼即可。

2 ?三維動(dòng)畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)關(guān)系總結(jié)

2.1 靈活性

靈活性方面，三維虛擬技術(shù)高于三維動(dòng)畫技術(shù)。三維動(dòng)畫產(chǎn)品在制作過(guò)程中，其時(shí)間、流程、畫面已固定存在，當(dāng)用戶在使用三維動(dòng)畫時(shí)，其時(shí)間、流程等不會(huì)因用戶的需求而改變。但在三維虛擬技術(shù)中，不存在時(shí)間的限制，可更加真實(shí)、實(shí)時(shí)的展示物體。同時(shí)，三維虛擬技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶與虛擬產(chǎn)品間的實(shí)時(shí)互動(dòng)，用戶任意切換操作，虛擬產(chǎn)品可給出相應(yīng)的反饋。

2.2 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性方面，三維虛擬技術(shù)高于三維動(dòng)畫技術(shù)。實(shí)時(shí)性也是區(qū)別三維虛擬技術(shù)與三維動(dòng)畫技術(shù)的最主要指標(biāo)。因?yàn)閷?shí)時(shí)性的特點(diǎn)，三維虛擬技術(shù)所模擬出的場(chǎng)景可供實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，且這種虛擬場(chǎng)景具備良好的縱深性，通過(guò)鍵盤、鼠標(biāo)及其他控制工具，用戶能夠在場(chǎng)景中開展虛擬動(dòng)作，帶來(lái)身臨其境的感受，人機(jī)互動(dòng)性及用戶體驗(yàn)感更強(qiáng)[2]。而在三維動(dòng)畫技術(shù)中，被設(shè)計(jì)、制作成型的動(dòng)畫產(chǎn)品無(wú)法依照用戶的意愿而修改。若想要改變動(dòng)畫的內(nèi)容、路徑、時(shí)間節(jié)點(diǎn)等，無(wú)異于重新進(jìn)行三維動(dòng)畫制作，短短幾分鐘的動(dòng)畫需要耗費(fèi)幾天的時(shí)間進(jìn)行修改和制作。

2.3 細(xì)致性

細(xì)致性方面，三維動(dòng)畫技術(shù)高于三維虛擬技術(shù)。三維動(dòng)畫技術(shù)對(duì)動(dòng)畫產(chǎn)生的視覺(jué)效果要求非常高，甚至動(dòng)畫中的光影變化都經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)與制作，以盡可能展示、還原物體細(xì)節(jié)。而三維虛擬技術(shù)更重視用戶體驗(yàn)感的滿足，講求虛擬場(chǎng)景的可操縱性和變化性。相比之下，其場(chǎng)景中呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)有限。弱化細(xì)節(jié)呈現(xiàn)也有利于提高三維虛擬技術(shù)的靈敏性，降低虛擬場(chǎng)景制作時(shí)長(zhǎng)并降低時(shí)滯。當(dāng)用戶的主觀控制意愿較強(qiáng)時(shí)，三維虛擬技術(shù)更加適用。例如，對(duì)工程建設(shè)過(guò)程中某一項(xiàng)高危作業(yè)的實(shí)施過(guò)程進(jìn)行模擬，以檢驗(yàn)作業(yè)方案的合理性并輔助相關(guān)人員掌握作業(yè)的操作流程和要求。

如此看來(lái)，三維動(dòng)畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用過(guò)程中，需結(jié)合用戶需求及產(chǎn)品設(shè)計(jì)目的進(jìn)行選擇。

3 ?結(jié)語(yǔ)

三維動(dòng)畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)的應(yīng)用范圍及深度不斷增加，二者雖然各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在相適應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景中均可發(fā)揮出極高的作用價(jià)值。在實(shí)踐工程中，應(yīng)客觀認(rèn)識(shí)三維動(dòng)畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)的特點(diǎn)和作用，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇，促進(jìn)三維圖形技術(shù)體系的擴(kuò)張和發(fā)展，并以此為基礎(chǔ)研發(fā)更高性能的虛擬技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 鄧國(guó)軍.淺析三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2017（12）：145.