對三維動畫技術與三維虛擬技術的探討

劉澤國

摘 ? 要：三維圖形技術在現代生產生活中有著廣泛的應用，為進一步了解該技術構成，本文對其中最關鍵的兩個分支——三維動畫技術和三維虛擬技術進行分析。重點關注三維動畫技術與三維虛擬技術的技術原理與系統開發過程，總結三維圖形技術的理論經驗，供相關人員借鑒參考。

關鍵詞：三維動畫技術 ?三維虛擬技術 ?技術原理

中圖分類號：TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0126-02

三維圖形在二維圖形的基礎上，更加直觀、清晰、立體的展示事物細節，可容納更豐富的圖形信息。三維動畫技術與三維虛擬技術是三維圖形技術的兩大基本構成，二者的技術原理、開發方法不同，相應的應用范圍和適用場景也存在明顯的區別。為更好認識三維圖形技術，需要對二者進行對比分析。

1 ?三維動畫技術與三維虛擬技術理論分析

1.1 技術原理分析

1.1.1 三維動畫技術

三維動畫技術可被分為四個流程，即建模、動畫、繪圖和輸出。其中，建模指的是在專門的計算機軟件中構建物體的三維模型，確定其形狀和位置。建模過程為：（1）繪制基本幾何圖形，對其進行調整和修改，得到所需的形狀，通過組合拼接，形成結構更加復雜的立體模型。（2）完成物體模型設計后，確定其所在位置，以形成完整的動畫場景。動畫指的是將靜態的立體模型轉化為會動的模型，制作過程中，先對關鍵幀進行定義，然后完成每一幀畫面的繪制。整個過程涉及到大量的繪圖操作，因此三維動畫設計人員必須具備較強的繪畫能力，使每一畫面盡量細致、真實。然后按照既定的順序將這些畫面組合播放，形成連續的動畫場景。在畫面中完善中間幀，使得動畫中物體的運動更加流暢和連貫。中間幀的制作可由計算機自動完成，極大減輕了設計人員的工作壓力。繪圖階段是對動畫的進一步完善，從美學的角度出發，繪制貼圖、光影等細節元素，使動畫更加優美、逼真。輸出是三維動畫技術應用的最后一個環節，計算機軟件能夠自動完成大量畫面的銜接和輸出，得到的動畫文件可供直接觀看。

1.1.2 三維虛擬技術

三維虛擬技術包括實時顯示技術和交互技術兩部分。三維虛擬技術的應用關鍵點就在于如何實現虛擬場景的顯示。為有效提高幾何圖形的生成速度，圖形的刷新頻率應保證在15幀/s以上，而光線、陰影、質感、結構等均會影響其刷新頻率[1]。因此在制作三維虛擬場景時，需要通過一定的技術手段，對場景的復雜程度進行控制。常用的技術包括場景分塊、可見消隱和細節層次管理技術。以場景分塊為例。該技術通過將一個復雜的場景劃分成多個相互獨立的子場景，當處于某個場景時，無法觀測到其他場景的情況。場景分塊能夠有效減少同一時刻中需要顯示多邊形的數量，進而對場景的復雜程度進行控制。

交互技術實現用戶與虛擬場景間的互動，用戶動作通過輸入工具被傳輸到虛擬場景中，引發其變動。最常用的輸入工具為鼠標，而直接檢測用戶手勢并能完成場景變化的技術也已經實現。依照輸入工具不同，可將交互技術分為直接交互技術、物理交互技術和虛擬交互技術。直接交互即直接將用戶的手勢映射到虛擬場景中，完成人機交互過程。物理交互即通過鼠標、鍵盤、操縱桿等工具完成指令映射。而虛擬交互技術雖然具備更高的靈活性，但由于缺少力的反饋，因此對虛擬物體的控制難度較大。

為確保三維虛擬場景的真實性，需要對用戶在虛擬場景中的動作進行限制，以達到與真實世界中運動相類似的效果。該過程一般通過碰撞檢驗來完成，通過碰撞檢驗，避免虛擬場景中出現多個運動中物體相融合的情況。

1.2 系統開發分析

1.2.1 三維動畫技術

目前主流的三維動畫應用系統開發平臺為3D Studio Max。在3DS Max平臺中完成三維動畫場景中物體模型的繪制，再對多個模型進行拼接重組，然后添加光影、質感等效果插件，使得整個物體視覺效果更佳逼真和生動。3DS Max平臺帶有自動渲染功能，通過相關參數的調節，即可完成動畫制作并輸出。例如，某物體的關鍵幀被設置為5個，系統對5幅圖形進行排序，產生連貫的動畫視頻。在播放動畫產品時，就可觀測到連續的物體運動狀態。物體在每一個方向上的運動都需要重新制作動畫文件，常規的三維動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

常用的三維虛擬技術系統開發平臺為MultiGen+OpenGVS，該平臺可高效完成三維場景數據庫的建立。當系統界面顯示三維模型時，數據庫同步進行各項參數調節方式的存儲，以方便后期使用。使用MultiGen+OpenGVS平臺開發三維場景管理系統，實現對數據庫中信息的直接讀取。將三維模型顯示在系統窗口，并通過幾何變換，模擬物體的各項操作動作，如平移、旋轉等。這些動作指令通過系統編程來實現，而不涉及到三維動畫技術中對關鍵幀的繪制。結合數據庫和編程技術，想要增加物體動作指令也相對簡單，只要在原本三維模型的基礎上添加與動作相對應的代碼即可。

2 ?三維動畫技術與三維虛擬技術關系總結

2.1 靈活性

靈活性方面，三維虛擬技術高于三維動畫技術。三維動畫產品在制作過程中，其時間、流程、畫面已固定存在，當用戶在使用三維動畫時，其時間、流程等不會因用戶的需求而改變。但在三維虛擬技術中，不存在時間的限制，可更加真實、實時的展示物體。同時，三維虛擬技術能夠實現用戶與虛擬產品間的實時互動，用戶任意切換操作，虛擬產品可給出相應的反饋。

2.2 實時性

實時性方面，三維虛擬技術高于三維動畫技術。實時性也是區別三維虛擬技術與三維動畫技術的最主要指標。因為實時性的特點，三維虛擬技術所模擬出的場景可供實現人機交互，且這種虛擬場景具備良好的縱深性，通過鍵盤、鼠標及其他控制工具，用戶能夠在場景中開展虛擬動作，帶來身臨其境的感受，人機互動性及用戶體驗感更強[2]。而在三維動畫技術中，被設計、制作成型的動畫產品無法依照用戶的意愿而修改。若想要改變動畫的內容、路徑、時間節點等，無異于重新進行三維動畫制作，短短幾分鐘的動畫需要耗費幾天的時間進行修改和制作。

2.3 細致性

細致性方面，三維動畫技術高于三維虛擬技術。三維動畫技術對動畫產生的視覺效果要求非常高，甚至動畫中的光影變化都經過精心的設計與制作，以盡可能展示、還原物體細節。而三維虛擬技術更重視用戶體驗感的滿足，講求虛擬場景的可操縱性和變化性。相比之下，其場景中呈現的細節有限。弱化細節呈現也有利于提高三維虛擬技術的靈敏性，降低虛擬場景制作時長并降低時滯。當用戶的主觀控制意愿較強時，三維虛擬技術更加適用。例如，對工程建設過程中某一項高危作業的實施過程進行模擬，以檢驗作業方案的合理性并輔助相關人員掌握作業的操作流程和要求。

如此看來，三維動畫技術與三維虛擬技術各有優勢，在應用過程中，需結合用戶需求及產品設計目的進行選擇。

3 ?結語

三維動畫技術與三維虛擬技術的應用范圍及深度不斷增加，二者雖然各有優缺點，但在相適應的應用場景中均可發揮出極高的作用價值。在實踐工程中，應客觀認識三維動畫技術與三維虛擬技術的特點和作用，根據實際需求進行選擇，促進三維圖形技術體系的擴張和發展，并以此為基礎研發更高性能的虛擬技術。

參考文獻

[1] 屠彬輝.關于三維動畫與虛擬現實技術的理論探析[J].傳播力研究，2019，3（9）：248.

[2] 鄧國軍.淺析三維動畫與虛擬現實技術[J].計算機產品與流通，2017（12）：145.