基于Web技術下的三維動畫模型實時交互研究

徐玉明 高海忠

摘要：隨著Web技術在各行各業中逐步凸顯的重要性，尤其在三維動畫模型實時交互應用領域應用越來越廣泛，在三維動畫交互中能夠將模型工程文件上傳到Web系統，同時也能夠直接利用Web系統進行遠程實時交互，現提出了將Web技術運用于三維動畫模型這一概念。同時，通過Web技術與三維交互技術的結合，讓虛擬三維動畫模型能夠更真實地呈現在Web網頁上，讓體驗者能夠以沉浸式的互動模式在Web網頁上感觸虛擬空間模型帶來的視覺沖擊，并從多維度觀察三維動畫模型，其發展和應用增強了用戶和三維模型之間的交互體驗感。

關鍵詞：Web技術;實時交互;動態網頁;三維動畫;虛擬現實技術

中圖分類號：TP37? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）26-0118-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著計算機技術的不斷發展，三維動畫實時交互技術在各領域的應用越來越廣泛，如高科技VR產品應用、動態交互式操作、體育運動虛擬訓練系統、航空操作訓練仿真模擬系統、新媒體技術等方面，三維交互用戶體驗表現出從現實場景向虛擬空間發展的新趨勢。目前，Web頁面三維動態交互技術成為各個交互應用領域中極其重要的技術，已經成為計算機系統、圖形圖像處理、Web動態網頁設計、WebGL技術、虛擬現實模式識別等各個學科理論的技術基礎。

三維動畫模型實時交互研究的主要方向就是能夠在一種近似逼真的空間中去和三維模型進行友好的交流對接，讓人們能夠進入到一種真實感強烈的維度中去和模型進行動態互動，正如自己在虛擬場景中去感受另一個時空的變化，像在一個體驗者在密室里去選擇不同的道路可以進入不同的空間，在虛擬空間中可以操作進行跳躍、奔跑、爬行等動作。其中，實時交互性也是互聯網3D圖形的最大特色，三維動畫模型交互技術主要包括模型的平移、旋轉、縮放、拾取、剖切、3D動畫模型的播放以及信息的顯示等。

本文的基本思路是設計研究基于WEB的三維虛擬空間漫游及三維模型交互系統，具體研究內容包含了三維場景建模、三維動畫實現、動態實時交互操作、控制系統的設計優化等核心技術，整個三維模型系統需要在WEB操作界面進行控制交互，可以實現三維空間虛擬立體化的交互及三維漫游的展示等功能模塊。

2 三維動畫虛擬交互系統建模

創建三維模型是建立三維動畫及虛擬漫游環境的基本前提，三維模型的精細化結構可以提高體驗者的交互性，只有在高精度的模型空間中漫游才會有一種真實的體驗感，這就需要人們去建立一種抽象化的動態空間，通過提高三維模型的材質及貼圖品質，在高級渲染模式完成后帶給體驗者一種全新的沉浸體驗，在Web頁面的實時交互中獲得一種非同尋常的愉悅交互體驗，并在三維動畫交互的過程中切身體會到漫游虛擬現實系統的奧妙。然而，三維模型和漫游場景制作過于高保真，也將會導致系統需要運算處理的數據量出現進程堵塞、數據量冗余的復雜情況，這將會嚴重影響虛擬漫游動畫交互系統的體驗感和流暢性。所以，在虛擬漫游環境中進行建模，應該在確保三維動畫模型精美真實的前提下縮小數據傳輸的時間差，盡可能減少系統的計算量及鎖死狀態，確保三維動畫及虛擬漫游場景能夠高品質運行。

在本次三維虛擬空間漫游及三維模型交互系統中，使用3Ds Max2016進行建模，將系統中的虛擬環境場景等分類進行精細化建模，有時由于模型要求過于精細還會使用三維雕刻軟件zbrush進行紋理雕刻。此外，還有許多的動畫物體需要單獨建模，如位移的周期變化，運動物體的大小變化，物體之間的直接接觸，物體材質貼圖的變化，物體在不同視角的感光度變化，物體的運動速率變化，物體的移動、旋轉、縮放等，這些都需要在虛擬漫游場景中進行交互設計，讓系統具有無限生命力和活力。而在實時人機交互中為了使運動效果更加的真實，并在虛擬漫游場景中利用動效模型進行空間位置的變化，以及最終模型效果整合中均采用 Virtools進行模型制作。

基于WEB的三維模型虛擬實時交互系統的動畫建模中，使用了3Ds Max和Virtools兩者相結合的方法，虛擬漫游環境中的各種交互操作行為，如前進、后退、左右轉彎、肢體彎曲、眼球轉動、面部肌肉表情變化等，都要使用3Ds Max進行動效建模，完成后再導入Virtools中，因為Virtools 可以非常好的支持鼠標，游戲手柄等外接設備的操作，增強了系統交互性。比如說，將虛擬實時交互三維系統中導入人物角色的模型，隨后進行骨骼的蒙皮操作，再對骨骼進行關節點上控制點設置，這樣骨骼就能帶動肌肉進行運動，并調整人物角色滿足人體工程學的運動幅度，最后角色人物就能真實的進行交互運動，該動畫虛擬交互系統的建模原理如圖1所示。

3 三維動畫模型交互效果優化

對于虛擬空間漫游系統最終的交互效果，并不僅僅是依靠場景內單個模型的優良品質決定，先利用3Ds max對場景中需要建模的較復雜部分進行分部制作，然后將制作好的三維模型按照復雜度類型進行復合，后導入至 Virtool 中，再對組合模型進行場景空間位置的調整，然后在場景中加入適當的交互角色，這樣會讓場景更具有沉浸體驗感，最后進行虛擬場景整體的光源布設，并且進行優化的光源點位置調整，要考慮主光，輔助光，點綴光等因素。所以，要獲得最終逼真的虛擬空間效果需要建模、燈光、材質貼圖、渲染等全流程組合，才能最終獲得完美的三維空間漫游系統虛擬模型。然而通過對三維動畫模型制作流程的分析，發現模型優化環節與材質制作、骨骼設置、交互動畫、場景特效、成圖渲染等工作環節都有緊密聯系，屬于整個制作流程中的核心環節，制作流程如圖2所示。

對于虛擬空間漫游系統而言，創建漫游路徑顯得尤為重要。先在虛擬空間中創建一個規劃好的路徑，使用Position on Curve 和 Bezier Progression 兩個模塊對運動主體進行交互綁定，這樣最終就會完成指定路徑的漫游工作。此外，在虛擬空間漫游系統中為了讓體驗者更加真實地去感知場景帶來的沉浸體驗感，還需要設計模型交互應用，如開關窗操作，燈光的開啟關閉，鐘表刻度針的旋轉等，借助于Virtools增強了虛擬空間仿真群組跨廣域網的交互能力，以及對模型多群組的監控和管理能力，并能夠將現有常用檔案格式進行整合。通過模型物體自身所帶 BB 程序和系統的消息控制，高效的執行虛擬場景中人機交互過程，而且可以實現多個虛擬動畫角色模型直接的同步運動。如圖3為人物角色模型頭部邊緣布線優化后的效果。