虛擬現實(VR)動畫的交互性設計研究

包春新

(江蘇開放大學，江蘇 南京 210013)

在現代虛擬現實技術不斷發展的過程中，虛擬現實此名詞已經逐漸滲透到不同領域及行業中，包括游戲、媒體、教育、醫學、影視動畫等。目前，基于虛擬現實技術的動畫影片及游戲層出不窮，虛擬現實動畫也成為被廣大觀眾所喜愛的全新影片類型。目前，人們所體驗的虛擬現實動畫質量不同，孤獨感、迷茫感、沙窗效應等問題降低了觀眾觀看動畫影片的效果，導致此問題的主要原因就是虛擬現實技術的硬件技術問題和交互設計缺陷問題。以此表示，交互性設計在虛擬現實動畫設計過程中尤為重要?；诖?，本文就對虛擬現實動畫的交互性設計進行分析。

1 虛擬現實動畫的交互性設計基礎

1.1 基于光影設計交互點

在虛擬現實動畫場景中如何補光會提高影片效果，并且引導觀眾，吸引群眾注意力。那么，基于光影實現交互性設計，能夠提高觀眾的互動感及參與感。比如在舞臺劇中使用聚光燈，在虛擬現實動畫中具有良好效果。全景視頻對觀眾來說信息較多，精力有限。假如加入聚光燈效果，將主要部分打亮，情境效果會提高。

1.2 基于聲音設計交互點

在結合虛擬現實技術和動畫，從而將自身沉浸到影片環境中。此時，聲音尤為重要。在虛擬現實動畫中缺少聲音，也就缺乏空間感、距離感及方向感[1]。

1.3 基于觀眾及角色眼神設計交互

現代虛擬現實技術是無法對用戶眼睛運動進行識別，此方面不是通過角色和觀眾眼神交流，并不是真正交流，利用虛擬現實技術頭部跟蹤模擬實現。虛擬現實技術能夠實現頭部數據的實時跟蹤，對用戶頭部在什么時候停止運動進行偵測，之后通過此數據轉化交互。圖1為虛擬現實頭部跟蹤技術的交互設計原理，此為游戲設計中的按鈕。在用戶頭部移動到某個指定位置的時候就開始停止，此時系統就開始計時，假如停留一秒之后繼續具有運動數據輸出，不會影響。假如用戶停留一秒以上并沒有運動數據傳輸，表示觀眾對此局部重視，想要進一步了解，此時系統開啟倒計時系統。比如兩秒倒計時，超過兩秒以上用戶還沒有運動，那么判斷出發下一個試件，進入到全新場景及其他全新元素場景[2]。

圖1 虛擬現實頭部跟蹤技術的交互設計原理

2 虛擬現實動畫交互性設計的方法

在計算機圖形技術不斷發展的過程中，虛擬現實技術和動畫技術也都在不斷的發展，國內外行業軟件、硬件提供商都實現強大功能及性能良好產品的研發。在研究其特點之后，對運動捕捉系統及三維掃描儀等虛擬現實技術和動畫制作相互結合的技術[3]，圖2為三維動畫虛擬系統的設計結構。

圖2 三維動畫虛擬系統的設計結構

此系統能夠使三維建?？焖僦谱飨到y、虛擬現實設備、動畫技術與網絡技術相互結合，從而實現可交互動漫虛擬環境的創建。系統主要包括立體投射系統、運動捕捉系統、分布式網絡虛擬平臺及交互輸入設備創建。在具體實現中，用戶不僅能夠觀看動畫場景，還能夠融入到動畫中，使用輸入設備使自身在動漫中感受。系統具有較強操作性及良好的隨機性、實時效果[4]。

2.1 運動捕捉系統

通過手動實現計算機動畫制作浪費時間及精力，假如大批量的生產，要求大量資金及角色動畫方面人才，制作的周期較長，并且通過手調動畫實現真實風格較為困難。但是和虛擬現實動畫中運動捕捉系統結合，能夠在少量資金及短時間內制作出大批真實風格動畫。

2.2 三維建模系統

在實際模型創建過程中，一般以被模擬現實世界對象復雜性和模型逼真期望程度，使用多種方法結合成為模型數據。建模方法和模擬對象類、應用領域具有密切的關系。針對不同的模擬對象，將建模方法劃分成為基于物理、景觀外觀、虛實融合及行為等建模。在動畫三維模型建模中，能夠利用三維掃描儀實現實物掃描，實現表面三維數據的創建。此表面三維數據為實物表面三維坐標點集，得出大量坐標點集為點云。此種三維模型創建的速度較快，并且具有較高的精度[5]。

3 虛擬現實動畫的交互性節點設計

3.1 虛擬顯示動畫的節點坐標計算

假設(u,v)表示點Pl在場景圖像中亞像素坐標，(Xw,Yw,Zw)表示動畫場景圖像對應該單世界坐標系中的三維坐標，通過動畫場景圖像中亞像素坐標能夠對得到動畫場景圖像切向及徑向畸變中攝像機坐標系歸一化三維坐標xd，通過以下公式進行計算：

(1)

其中ax和ay指的是動畫場景圖像坐標系x軸尺度因子及y軸尺度因子，uo和vo指的是動畫場景圖像中心像素坐標，xd(1)和xd(2)指的是動畫場景圖像歸一化x、y方向坐標點。假如xn表示通過歸一化處理之后的動畫場景圖像坐標，通過多次迭代方式實現動態動畫場景圖像切向及徑向畸變補償，設xd表示xn初始的估計值[6]，通過以下公式進行表示：

(2)

利用上述公式的聯合求解，以此得到歸一化處理之后動態動畫場景圖像坐標xn，表示為：

(3)

公式中δ(1)和δ(2)指的是動畫場景圖像切向畸變線性畸變值，和xn計算結果實現動畫場景圖像徑向畸變Kradial與切向畸變分量δ的多次迭代，從而能夠得出收斂xn。因為xn指的是線性模型中攝像機坐標系歸一化坐標，假如(Xc，Yc，Zc)表示攝像機坐標系坐標[7]，那么通過以下公式實現攝像機坐標系和世界坐標系的轉變：

(4)

其中R指的是攝像機外部參數旋轉矩陣，t指的是攝像機外部參數平移向量。通過對以上公式進行求解，以此能夠得到動畫場景圖像候選網格節點在此深度方向中的深度坐標值。

3.2 虛擬現實動畫的觸摸檢測器節點設計

要想能夠實現虛擬現實動畫中的交互功能，就要實現觸動檢測器或者傳感器的設計。在動畫虛擬世界中，用戶和虛擬現實世界的交互是利用一系列的傳感器實現的，利用此檢測器節點，能夠使瀏覽器實現用戶操作的感知，比如移動、開門、飛行等，以此使用戶能夠和虛擬世界中三維對象交互[8]。

觸動檢測主要目的就是實現用戶觸動動作檢測，主要包括Planesensor節點、TouchSensor節點、SphereSensor節點及Cylindersensor節點。其中TouchSensor觸摸傳感器節點實現檢測用戶動作的創建，并且將其進行轉化之后輸出，從而實現動畫檢測器的觸發。其能夠實現用戶觸摸事件檢測器的測試，此節點能夠成為任何組節點的子節點，并且對用戶對于此組節點動作進行感知。DEF能夠為節點定義名字，并且為此節點定義唯一ID，在其他節點中實現此節點的應用。使用DEF為節點命名的過程中，利用有意義描述性名稱實現文件的規范，從而使文件可讀性得到提高。USE主要目的就是實現DEF定義節點ID的引用，也就是實現DEF定義節點名字的應用，將其他子對象及屬性進行忽略。利用USE對其他節點對象引用，并不是復制節點提高編碼效率及性能，此屬性為可選項[9]。

TimeSensor時間傳感器處于現實世界中，世界萬物都是自動且有規律的變化的，并不是隨著人的意志改變，要求在虛擬世界中創造能夠自動變化，并且不需要人工干預。能夠利用實現設置，根據某種規律變化對動畫人物造型變化進行控制，控制時間根據某種規律變化主要使用時間傳感器實現。TimeSensor時間傳感器節點主要作用就是實現虛擬時鐘的創建，并且為其他節點發送時間值?？刂铺摂M現實動畫動態對象開始、結果及變化過程中的時間，并且還要實現空間物體造型移動、變形、變色等自動變化。TimeSensor時間傳感器在虛擬現實動畫中不會產生任何造型及可視效果，其主要作用就是為插補器輸出事件，從而使插補器節點能夠產生節點需求動畫效果。此節點主要包括在任意組節點中的子節點，但是獨立在所使用的坐標系中。

OrientationInterpolator朝向插補器指的是方位變換節點，其主要目的就是實現動畫中旋轉值的描述，此節點無法實現造型創建，能夠在不同時間到相應方位中旋轉，利用此節點能夠旋轉造型。其還能夠產生指定范圍中相應方向值，結果能夠被路由到Tranform節點屬性中[10]。

4 虛擬現實動畫的交互性設計

4.1 虛擬現實交互平臺

使用VRP虛擬現實交互平臺，其為針對美術相關專業人員開發的三維美工虛擬顯示交互平臺軟件，圖3為虛擬交互動畫平臺的構成，其具有較強的實用性、較高可視化，能夠有效滿足不同行業技術需求。在虛擬現實交互開發平臺中，能夠導入三維仿真場景模型，并且設計交互事件，設計多視角鏡頭漫游動畫等。另外，此平臺中的高效渲染引擎能夠實現高度真實感的實時畫質，硬件相互兼容，而且交互較為良好，還能夠和虛擬平臺無縫連接，滿足虛擬現實動畫交互性設計的需求[11]。

圖3 虛擬交互動畫平臺的構成

在實現虛擬現實場景模型和前期動畫創建、設計過程中，三維仿真建模平臺為主要手段。虛擬現實交互平臺重視程序設計，三維仿真建模平臺重視美工設計，是場景仿真體驗、物體智能交互、邏輯判斷過程中尤為重要的工具。兩者并不相同，但是都是設計虛擬現實交互動畫的重點，圖4為虛擬動畫實現的流程。

圖4 虛擬動畫實現的流程

4.2 虛擬現實動畫的仿真模型創建

虛擬現實動畫能夠使真實物象形態需求得到滿足，基于三維建模平臺對物體的特點進行仿真。不同三維虛擬交互動畫場景中要素建模特點不同[12]，主要建模特點為：

(1)標準模型庫的創建。主要實現動畫中環境、建筑群的創建，利用虛擬環境模型的多樣化特點對不同類型進行建模。

(2)創建標準材質庫。制作物體高精度表面紋理，結合模型建模的貼圖方向，從而設計紋理貼圖坐標映射的方式。

(3)根據實際尺寸實現建模，以測繪及歷史檔案的資料，精準反應模型真實空間尺度關系。

(4)編寫模型的名稱，在實現模型及用戶交互的過程中，提高模型命名及交互對象的正確性，根據意圖實現交互任務。

圖像建模的傳統方法時通過圖像信息的收集，然后利用后期處理軟件實現無縫拼接，以此生成全景圖，實現調節參數的設置，從而生成逼真場景。此技術的主要優勢就是模型面數較低，使蒙版圖片為面片模型賦予，實現高分辨率圖片的設置。比如在制作樹木模型的過程中，要先利用三維仿真建模平臺的渲染技術實現面數較大樹木材質進行渲染。然后通過PS圖像處理軟件對樹葉、樹枝等進行處理，利用三維仿真建模平臺使其朝著TGA文件進行轉化。最后，利用此材質實現模型創建。在實現制作的時候，要避免大量的樹木模型，比如疊加面比較多，要將多余的刪除。使用PS中已經制作的樹葉材質實現去除雜色和銳化，使圖像尺寸及分辨率得到提高，以此提高仿真效果[13]，如圖5和圖6所示。

圖5 樹木材質的設計

圖6 樹木面數的優化

在實現虛擬交互系統開發的過程中，場景中的三維模型較為復雜。為了能夠滿足最佳視覺效果，并且提高計算機處理的速度，要求模型能夠精簡，將模型中的冗余面去除，實現內存資源的優化。在進行建模的時候通過三級建模規則全面權衡效果和速度。如果模型的面數比較多，那么就會降低系統運行過程中的速度，并且還會使文件的數據量得到提高，以此嚴重影響到系統運行過程中的速度。在網絡發布過程中還會對下載的速度及時間造成影響，那么就要實現模型優化。

比如建筑物的牌坊造型模型創建過程中建模量比較大，而且具有較高的難度，如果不優化面數面數一般有三十萬個，對系統整體運算的速度造成影響。利用面數優化，能夠使面數控制到兩萬個。在實現此設計的時候，斗拱屬于主要面數的主要優化對象。首先，實現已經設計的斗拱單體結構面數關系進行設計，不對造型影響，將多余的面刪除，使模型分段數降低，以此降低面數，并且避免重疊面，最后利用陣列運算制作斗拱整體造型[14]。圖7為斗拱模型的設計步驟。

圖7 斗拱模型的設計步驟

三維虛擬交互動畫主要的優化對象就是樹木植物模型，因為樹木模型具有大量的面數，單一的樹木面數就超過上百萬，并且場景中具有大量的樹木，那么此種三維模型不優化，就會占據大量顯卡硬件存儲資源。VR代理技術是利用三維仿真建模平臺實現渲染，通過外部實現VR代理物體的導出，從而使原本具有較大面數物體通過VR內核進行壓縮，使其面數代理數量降低到幾百個，保存貼圖信息及模型投影，以此提高仿真的視覺效果。代理模型能持續的復制，并且還能夠將多個幾何模型對相同代理模型進行貢獻愛那個，提高三維虛擬顯示系統運行過程中的流暢性，而且對效果及效率進行平衡。部分的樹木能夠在此種場景中通過圖像建模實現，并且真實樹木能夠通過VR代理優化開展。

假如場景模型的數量較多，那么就會影響到啟動虛擬現實動畫過程中的速度，圖形工作站也會因為計算量較大從而無法使模型加在，使建模運算的速度得到降低。將統一材質對場景中相同物體進行賦予，調整貼圖坐標，設置材質的ID號碼。其中的模型通過塌陷命令使同種模型物體的面數進行降低，從而使場景加載時間和運算的速度進行提高，最后通過將不可見的物體隱藏，實現模型的簡化。比如使某個建筑模型的部分進行整體優化，使用相同模型的統一處理，然后進行坍塌運算，使其成為整體。以此方法對其他的物體也進行坍塌運算，使場景數量得到降低[15]。

虛擬交互動畫的目標就是完美視覺藝術效果，表現效果及渲染速度尤為重要，三維虛擬場景模型的表面通過存儲光照信息進行優化，使三維模型視覺仿真度得到有效的提高。此種項目場景通過烘焙貼圖的方式實現光影及材質等貼圖的烘焙，提高貼圖信息完整性。利用PS圖像處理軟件編輯紋樣，對貼圖進行剪裁、銳化及修改對比度等，從而提高貼圖逼真的視覺效果。通過三維仿真平臺貼圖烘焙面板調節渲染的設置，并且制作全息貼圖。烘焙貼圖技術屬于渲染貼圖的方式，能夠使光影信息存儲到烘焙貼圖中，此場景模型會出現光影信息，縮短瀏覽器對燈光計算的時間，并且提高場景視覺仿真度。圖8為場景中門窗的仿真效果，此烘焙貼圖方式渲染得到材質貼圖紋理較為清晰，烘焙光效比較真實，并且明亮區域及暗的區域分明。在進行實際運算的過程中，圖像的紋理分辨率改變通過視覺的大小實現。系統會實現圖片的自動調用，從而映射紋理，以此實現虛擬情景的近實遠虛。

圖8 場景中門窗的仿真效果

5 虛擬現實動畫的交互功能

用戶和虛擬現場場景中的對象實現交互，對場景中的對象操作，獲得對象信息，以此實現通過視覺層面體驗沉浸感目的。

用戶不僅能夠通過仿真設計利用虛擬環境看到物體，還能夠將真實物理環境進行展現。比如，在用戶對虛擬環境中人物自動上樓梯操作的過程中，要實時實現碰撞反應，此種真實物流環境要利用人物重力及碰撞檢測實現。在進行設計的時候，利用場景對碰撞屬性物體進行檢測，設置碰撞的類型，因為小尺寸的模型會影響到碰撞的速度，所以在使碰撞屬性開啟的過程中實現長方形模型的設計，使其能夠替代大量的小模型，在運行的過程中也能夠隱藏替代模型，從而就能夠使以上問題得到有效的解決，還能夠避免出現相機漫游場景失效的碰撞。通過利用內部數據計算調試物體的碰撞方式，有效展現碰撞的場景，修改物體的材質，提高模擬環境的真實性。

虛擬人物動畫設計中的主要展現內容就是虛擬交互，將前期所制作的虛擬任務模型設計骨骼動畫，通過可編輯多邊形修改人物模型的細節，從而創建虛擬人物動作系列模型庫。創建的模型庫主要包括人物交談、跑、行走及站等動作，提高人物模型制作的仿真度。然后，使制作的人物到虛擬交互開發環境中導入，實現虛擬人物重力值的設計，并且有效設置物體碰撞檢測過程中的距離和人物行走過程中的速度等一系列的參數，還要設置路徑參數，通過交互編輯器設置人物的行走路徑、交互動作，最后實現操作控件的添加。

在三維仿真建模平臺中使用建模技術制作人物形態模型，比如頭、手及脊椎等，設計人物蒙皮材質。利用骨骼綁定技術制作人物行走動畫，實現動作庫設計，圖9為場景人物模型的綁定設計。將自定義人物較色存儲到VRP角色庫中，從而能夠隨時的對其進行調用。通過此場景進行人物制作之后到場景中放置，然后設置重力值，模擬引力虛擬環境。然后，設計任務路徑動畫，實現骨骼動作融合的設計，將人物的基本動作都能夠充分展現出來，實現材質細化、移動速度及碰撞環境、行走相機等的設計。

使運動捕捉系統中的攝像機組在建筑物頂部均勻的設計，在房間頂部中央實現立體投影系統的安裝，三維掃描儀在建筑物角落安裝。利用本文設計理念，使用運動步驟展示及人際交互技術，創建真實、層次清晰的和動畫人物互動體驗環境[16]。

圖9 場景人物模型的綁定設計

6 結束語

虛擬現實技術的發展和使用成為必然趨勢，也為社會各行業創新發展提供全新突破口。虛擬現實技術也能夠在數字動畫創作中使用，創新了傳統制作規律。實現虛擬現實技術全新創作方法的研究，能夠有效促進數字動畫學科的融合及發展，還能夠解決虛擬現實技術動畫敘事限定的問題，促進虛擬現實內容產業的發展。虛擬現實動畫通過自身強大適應性在各行業中使用，促進虛擬現實技術的創意提高，也提高了經濟活力。本文利用分析虛擬現實動畫交互性，并且分析虛擬現實動畫環境創建，能夠為今后相應課題的實施提供了基礎。