試論三維動畫制作中計算機虛擬仿真技術的應用

李樊 駱陽

摘要：虛擬仿真技術是隨著計算機技術不斷發展而形成的新興技術，作為一種虛擬系統，虛擬仿真技術與三維動畫的設計相融合，能夠快速地促進三維動畫技術在多個行業中得到了深入的應用，也轉變了人們對動畫的設計思路。通過對計算機虛擬仿真技術的內涵及特點進行分析，探究了三維動畫中計算機虛擬仿真技術的應用優勢，并提出了三維動畫中計算機虛擬技術的應用策略。

關鍵詞：三維動畫;計算機;虛擬仿真技術

中圖分類號：TP37 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）02-0096-02

計算機技術為虛擬仿真技術的發展奠定了基礎，使得虛擬仿真技術在各個行業得到了廣泛的應用，計算機模擬或者仿真技術是與計算機技術發展緊密結合在一起，它需要借助計算機硬件、軟件與三維傳感技術，由于具有較高的仿真效果，并能夠給人一種“身臨其境”的感覺，利用計算機虛擬仿真技術可以生成三維動畫非常逼真、生動，在建筑、軍事、航天、醫療等行業得到了廣泛的應用。

1 計算機虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術是在計算機技術發展的基礎上得到不斷完善，也使得虛擬仿真技術在各個行業中得到了廣泛應用，在我國室內裝飾設計、教育等行業中得到了深入應用。

1.1虛擬仿真技術的內涵

虛擬仿真技術是利用計算機技術搭建場景，對事物的運動與形成過程進行模擬，為用戶提供接近真實的環境，便于用戶能夠感受“身臨其境”的感覺。如何有效地理解虛擬仿真技術的內涵，可以從多個角度進行分析，從仿真技術的角度分析，它是借助計算機技術與網絡技術共同發展的一項技術，利用虛擬技術能進行虛擬空間構建，模擬事物發展的過程，從而獲得真實感的動畫場景。從廣義層面來看，虛擬仿真技術能模擬真實的場景，幫助人們深入地認識世界，分析事物的發展內涵。在5G網絡環境下，大大提高了網絡傳輸的速率，使虛擬仿真技術在各行各業中的應用更加廣泛、深入，也能幫助人們從虛擬的世界中了解真實的世界。

1.2 計算機虛擬仿真技術的特點

虛擬仿真技術也可以稱為虛擬現實技術，能夠讓用戶在“真實”的環境中體驗事物的景象，通過對虛擬現實技術的內涵與使用情境等進行分析，可以發現計算機虛擬防止技術具有交互性、沉浸性、虛幻性、逼真性等特征。

（1）交互性

計算機虛擬仿真技術的交互性是用戶利用虛擬現實仿真技術與環境之間產生互動，用戶通過虛擬環境中的某些因素發生變化來獲得全新的體驗，在具體的實施過程中，如果控制與改變某種因素，虛擬環境就能出現相應的改變。例如：利用虛擬仿真技術模擬導彈的發射軌跡，用戶可以通過點擊相應的按鈕，模擬導彈的發射與爆炸場景，該場景主要運動的是虛擬仿真的交互技術來實現。

（2）沉浸性

利用虛擬仿真技術能對現實的世界場景進行模擬，為使用者提供具有接近真實的視覺、聽覺等多重刺激，讓使用能夠沉浸入虛擬仿真的系統中，進而能夠給人一種“身臨其境”的體驗感。

（3）虛幻性

虛擬仿真技術主要功能是生存虛擬化場景，而且都是依據真實的環境，對其進行仿真、模擬，還可以根據開發者的要求，模擬可能開發的產品，還可以是已經存在的產品，不管虛擬仿真技術所構建的何種產品，其構建的虛擬系統都不是真實存在的，主要功能是為人們提供一種仿真的環境。

（4）逼真性

虛擬仿真技術的功能十分強大，通過VR技術構建的場景十分逼真，能讓用戶感受到構建的虛擬世界與現實事物一樣，給用戶以逼真的感覺，另一方面，采用虛擬仿真技術，可以通過控制某些元素、參數進行變化，能夠構建出非常真實的環境，讓用戶觀察到事物每一個細節的變化。

1.3 計算機虛擬仿真技術應用原理

（1）基于三維圖形設計技術

虛擬仿真技術在具體實現的過程中需要多種技術，而三維圖形顯示技術是虛擬現實技術基礎技術之一，不僅提高三維虛擬場景的制作，還能有效地縮短三維圖形的生成時間，采用三維圖形生成技術，能每秒鐘刷新的頻率為15幅，使虛擬圖形的畫面在背景、陰影的生成等方面都滿足相關的標準與要求，同時還能將生成的圖形進行分塊處理，降低一些復雜場景的復雜情況，采用虛擬技術可以將復雜的場景分成多個獨立的場景，在一個模塊顯示圖像時，可以將其他的多余的場景隱匿，通過虛擬技術的可以讓用戶觀察到不同的場景，提高用戶對不同場景的認知度。

（2）虛擬仿真技術中的交互技術

交互性虛擬仿真生成的虛擬場景的關鍵性特征，在利用虛擬仿真技術制作三維動畫時，在有些復雜的界面需要人為操作才能滿足要求，這就是三維動畫制作的虛擬現實技術交互式操作。虛擬仿真技術的物理控制技術主要是通過操作鼠標、鍵盤、手柄等輸入設備實現與虛擬環境之間的交互，讓用戶感受到虛擬場景的存在;虛擬控制技術就是要通過按照要求輸入參數，改變場景的觀測點，實現虛擬物與虛擬環境之間的互動，從而能夠讓用戶更清晰地了解到虛擬環境的控制技術，如圖1所示，游戲人員利用手柄與三維虛擬環境進行交互的場景。

2 三維動畫設計中虛擬仿真技術應用

2.1 虛擬仿真技術中的建模軟件和語言

在虛擬仿真技術開發的過程中，Multigen Creator是重要的軟件建模軟件，為許多三維建模提供了豐富的素材，而且還提供了貼圖，便于開發者能夠系統地進行建模與開發，其用于建立建筑模型，其中VRML（Virtual Rcality Modclling Language）是虛擬仿真建模語言，能夠根據高級用戶的需求，利用建模語言來展開虛擬仿真設計與開發。

2.2 常用的三維動畫制作軟件

三維動畫制作軟件是虛擬仿真技術的重要組成部門，能結合用戶的需要，設計多樣的虛擬現實情境，但是不同的三維動畫設計軟件具有不同的優勢，在三維動畫設計中，3ds Max 和Maya 兩款功能最強大、應用范圍最廣，可以對人物、環境等機芯立體化的設計，也是現在最主流的三維動畫設計軟件，二者在應用中也存在區別，3ds Max主要用于三維立體建模、動畫制作與渲染軟件建模等，制作的動畫質量比較高，清晰度也十分明顯，在具體的應用中主要依賴于外部插件的應用。例如，分別利用Maya和3ds Max渲染同一項目時，Maya會比3ds Max需要更多的時間，生成動畫占用的空間也比較大，而Maya軟件具有更大的可控制性與可操作性，而3ds Max在圖像生成上細節更加豐富，Maya在三維圖像的建模、渲染與數字化場景制作方面更加靈活，可以用戶擔任導演、演員、攝影師等不同的角色，構建不同的三維立體場景，如圖2所示，通過三維圖形模擬的物流分揀場景，給人以身臨其境的感覺。

2.3 三維動畫建模的設計

計算機虛擬仿真技術的三維建模應用十分廣泛，在三維動畫制作時，首先需要結合具體的設計要求，建立三維模型，經過詳細調整與參數設置，便于后期進行渲染，在制作動畫時，需要根據虛擬場景的需求，利用虛擬仿真技術與交互技術相互配合，設計不同的三維虛擬場景，共同完成相關的三維立體模型的設計，通過現實仿真技術來建模，然后生成三維動畫的效果。虛擬仿真技術在三維模型建模中的難點在于如何有效地整理虛擬場景、三維模型的資源設計、虛擬人物或者場景相關資源的準備，在必要時，還需要結合三維圖紙的標準要求保證三維模型設計的準確性。其次在準備一些實物的三維動畫時，要根據三維場景設計的要求，在前期進行人工拍攝，在大型場景拍攝時，還需要利用航拍方式來獲取大型場景的真實信息，為三維動畫的制作添加必要的元素。在三維動畫中利用虛擬仿真技術，可以快速地完成三維動畫的建模與設計，還能給用戶沉浸其中的感覺，提高三維動畫開發的工作效率。

2.4 虛擬仿真技術在三維動畫設計的應用領域

現代計算機技術的軟硬件的發展，也促進了虛擬仿真技術的快速發展，也就使得虛擬仿真技術在各個行業中的深入應用。采用虛擬現實三維動畫已經在交通、航空、醫療、教育、建筑、室內裝飾、數字媒體藝術設計等方面得到了十分廣泛的應用。三維動畫可以模擬不同的場景，搭建不同的真實環境，通過仿真模擬技術制造出一個虛擬場景，幫助用戶發現產品設計中可能出現的問題。例如，利用虛擬仿真技術進行危險實驗的模擬，不僅能提高實驗的安全性，還能降低實驗發生的危險，通過用戶的交互性操作，就可以有效地規避不同的危險，這些已經在軍事、航空、交通、教育等方面得到了廣泛的應用。通過互聯網與大數據技術，可以創造出虛擬環境來進行模擬演練，方便用戶能夠在虛擬的環境中探索分析，從而更好地探索未來，在建筑設計方面，三維動畫虛擬仿真技術可以生成虛擬化的建筑實物環境，然后用戶通過在虛擬的環境中瀏覽，體驗真實的建筑環境，更加直觀地觀察一些高大精密的建筑與裝飾，與CAD技術相比，CAD技術只能為用戶提供平面的圖像，而利用虛擬仿真技術建立的三維立體對象，生成一個表現建筑的空間結構，生成的建筑模型更加直觀、立體，用戶可以通過操作鼠標、鍵盤等，對建筑物的周圍環境進行瀏覽，這是CAD技術不能實現的，虛擬仿真技術建立的是三維動畫，便于人們能從多個角度觀察建筑物，符合人的美學概念，對提高建設物的可觀賞性具有十分重要的作用。

3 結束語

三維動畫中虛擬仿真技術的應用可以實現多種功能，可以將一些靜態的畫面轉化立體、空間的、動態性的圖像，便于用戶能夠從多個角度觀察物體，有利于提高用戶的體驗效果。在三維動畫設計中，用虛擬的三維動畫場景和人物體現事物本質，用動畫效果將其展示出來，然后將一些抽象的事物利用虛擬現實技術來反映具體的圖像，幫助用戶能夠更好地理解三維動畫所表達的內涵，這也使得三維動畫在航空航天、軍事、建筑設計、教育、醫療等行業得到了廣泛的應用。因此，利用虛擬仿真技術促進三維動畫的設計，可以進一步增加三維動畫的制作效果，還能更好地促進三維動畫在各個行業中的應用。

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【通聯編輯：唐一東】

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