基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維動(dòng)漫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪丹 葉加貝

摘? 要： 為了解決傳統(tǒng)的三維動(dòng)漫系統(tǒng)用戶滿意度低的問題，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的三維動(dòng)漫系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了管理服務(wù)器、三維動(dòng)畫服務(wù)器、處理器、機(jī)柜、交換機(jī)和VR設(shè)備，在Visual C++環(huán)境下利用Open GL進(jìn)行三維情景的建模和材質(zhì)、燈光處理，并配合使用Open GL顯示列表和雙緩存技術(shù)，通過Windows提供的SetTimer（）函數(shù)制定軟件程序。為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)動(dòng)漫系統(tǒng)進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三維動(dòng)漫系統(tǒng)清晰度更好，更受用戶歡迎。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 三維動(dòng)漫系統(tǒng); 動(dòng)漫設(shè)計(jì); 三維設(shè)計(jì); 動(dòng)畫制作; 動(dòng)畫效果

中圖分類號： TN02?34; TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）13?0172?04

Design of 3D animation system based on virtual reality technology

WANG Dan1， YE Jiabei2

（1. School of Arts， Wuhan Business University， Wuhan 430070， China;

2. Department of Design， Hubei Institute of Fine Arts， Wuhan 430060， China）

Abstract： The traditional 3D animation system has low user satisfaction. Therefore， a new 3D animation system is designed based on the virtual reality technology. The system hardware consists of management server， 3D animation server， processor， cabinet， switch and VR equipment. In the Visual C++ environment， Open GL is used to model the 3D scenes and process the materials and lights. In addition， in combination with Open GL display list and double buffer technology， the software program is developed by SetTimer（） function provided by Windows. To verify the effectiveness of the proposed system， experiments were set up to make comparison with the traditional animation system. The results show that the designed 3D animation system has a better definition and is more popular with users.

Keywords： virtual reality technology; 3D animation system; animation design; 3D design; animation production; animation effect

0? 引? 言

隨著當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對動(dòng)畫技術(shù)方面也產(chǎn)生了巨大的引導(dǎo)作用[1]。為了滿足現(xiàn)代人們對動(dòng)漫的欣賞水平以及要求，三維動(dòng)漫便隨之也發(fā)展起來，并呈爆發(fā)式增長，從而對傳統(tǒng)二維動(dòng)漫發(fā)出挑戰(zhàn)[2]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將以往的傳統(tǒng)動(dòng)畫轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦雀摺⑿Ч鼮楸普妗鼍案鄻踊娜S動(dòng)畫。三維動(dòng)畫具有多元化特點(diǎn)，動(dòng)畫效果的豐富多彩讓動(dòng)畫觀賞者在動(dòng)畫場景中有著更好的體驗(yàn)[3]。不僅如此，三維動(dòng)畫還有著很好的交視互聽體驗(yàn)效果，這是傳統(tǒng)的動(dòng)畫技術(shù)不能達(dá)到的。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，動(dòng)漫制作工作者不需再通過紙質(zhì)手繪來創(chuàng)作動(dòng)畫，當(dāng)今利用動(dòng)畫系統(tǒng)軟件便可以進(jìn)行動(dòng)畫制作，使得動(dòng)畫場景、創(chuàng)作觀念、空間效果都會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)，動(dòng)畫體驗(yàn)效果也將會(huì)變得更加多姿多彩。當(dāng)今已有許多三維動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生，但是一些比較高級的光照效果、圖像處理能力、圖畫渲染力還不能夠達(dá)到理想效果[4]。

綜上所述，本文將基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對三維動(dòng)漫系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開研究分析，通過改變系統(tǒng)的硬件設(shè)施、制作軟件流程，并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)一套三維動(dòng)漫系統(tǒng)，使得動(dòng)畫的圖畫處理能力、動(dòng)畫渲染能力、光照效果有不同程度的提高。三維動(dòng)漫系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用將會(huì)使得動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)制造的視覺效果、技術(shù)形式等方面得到較大的提升，傳統(tǒng)的動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)并以此為轉(zhuǎn)折逐漸向三維動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)發(fā)展靠攏。

1? 三維動(dòng)漫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

三維動(dòng)漫系統(tǒng)具備計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)密集型兩大類型的應(yīng)用[5]。系統(tǒng)的運(yùn)行計(jì)算需要選擇相適應(yīng)的服務(wù)器，本文將根據(jù)節(jié)點(diǎn)規(guī)模選擇匹配的服務(wù)器骨架，確保制作整個(gè)三維動(dòng)畫的過程有著更高的效率。文件服務(wù)器的選擇需要考慮相關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、各類性能和拓展性等因素[6]。三維動(dòng)畫的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要在文件服務(wù)器上提取三維空間、素材等文件，然后再進(jìn)行制作，三維動(dòng)畫的成果需要保存到文件服務(wù)器中[7]。文件服務(wù)器有時(shí)會(huì)由于節(jié)點(diǎn)太大而產(chǎn)生卡頓現(xiàn)象，所以本文文件服務(wù)器增添使用RAD技術(shù)提高內(nèi)存性能和容錯(cuò)性，并且采用多端口的服務(wù)器網(wǎng)卡，確保可以為動(dòng)畫節(jié)點(diǎn)提供相對穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)通道。本文還需要將VR設(shè)備與三維動(dòng)漫制作相結(jié)合，進(jìn)行三維動(dòng)漫虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以便讓VR設(shè)備、三維動(dòng)漫制作軟件、技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)科技結(jié)合，為三維動(dòng)漫的制作發(fā)展提供了良好的交互環(huán)境[8]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件設(shè)備中還包含常規(guī)系統(tǒng)必備的硬件設(shè)施來處理三維動(dòng)畫程序數(shù)據(jù)、動(dòng)畫圖形文件等[9]。硬件系統(tǒng)中主要的設(shè)備如下：

1） 管理服務(wù)器。系統(tǒng)內(nèi)共有1臺管理服務(wù)器，規(guī)格型號為Shine Server R1080×d 2×付強(qiáng)B6?651Q，2個(gè)處理器、2×4 GB加大DDR服務(wù)器內(nèi)存、接口電源、1×1 TB SATA 7200RPM系統(tǒng)盤。24盤位、16×1 000 MB網(wǎng)口、8+4 TB SATA 72 RPM贅D盤、集成硬件RAID卡、DELL定制三維動(dòng)畫專用文件服務(wù)器[10]。

2） 三維動(dòng)畫服務(wù)器。系統(tǒng)硬件共有40臺三維動(dòng)畫服務(wù)器，三維動(dòng)畫服務(wù)器的規(guī)格型號為Shine Server R720 2×l NTEL X EoN，DDR3內(nèi)存，E5?7180 V2，1×600 GB SATA硬盤，2×8 GB ECC 1 333 MHz，1U卡門架式。

3） 處理器。炫酷科技MBoX 6000?B三維動(dòng)畫系統(tǒng)支持從3dsmax，mav等軟件直接、間接進(jìn)行提交、自動(dòng)調(diào)整場景圖與素材，支持中文路徑，網(wǎng)絡(luò)加速，支持增量上傳與斷點(diǎn)續(xù)傳，支持嫁接“炫云”三維動(dòng)畫平臺，多終端實(shí)時(shí)監(jiān)控渲染進(jìn)度，系統(tǒng)自帶60個(gè)處理器授權(quán)[11]，自帶8 TB有效存儲容量，可多次提取大量動(dòng)畫資源。處理器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4） 機(jī)柜系統(tǒng)。

5） 交換機(jī)。網(wǎng)件GS748T 36個(gè)10/100/1 000 Mb/s端口，基于瀏覽器交換機(jī)，背板帶寬，128 Gb Ds（無阻塞）。

6） VR設(shè)備。選擇樂高品牌的VR設(shè)備。

2? 三維動(dòng)漫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，也為動(dòng)漫事業(yè)的發(fā)展提供了功能強(qiáng)大并可靠的軟件工具。三維動(dòng)畫服務(wù)器是進(jìn)行三維動(dòng)畫系統(tǒng)制作流程的必要條件，主要負(fù)責(zé)對三維動(dòng)畫任務(wù)的安排，三維動(dòng)畫節(jié)點(diǎn)分配，時(shí)間點(diǎn)間隙、隊(duì)列管理等等。根據(jù)觀眾對于三維動(dòng)畫的欣賞條件與要求，參考監(jiān)控服務(wù)器對節(jié)點(diǎn)反饋的信息資源選擇最佳的調(diào)整方案。三維動(dòng)畫系統(tǒng)能否快速進(jìn)入流程制作，不僅僅需要硬件配置來支撐系統(tǒng)的運(yùn)行，還需要系統(tǒng)流暢的軟件，如三維動(dòng)畫服務(wù)器能夠順暢運(yùn)作。另外，三維動(dòng)畫服務(wù)器可以使用連接其他網(wǎng)絡(luò)，還可以負(fù)責(zé)和網(wǎng)絡(luò)上其他三維動(dòng)畫平臺進(jìn)行交流與學(xué)習(xí)，更加廣泛地使用多元資源[12]。進(jìn)行三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)制作時(shí)需要利用到系統(tǒng)定時(shí)器，系統(tǒng)定時(shí)器可以規(guī)律性地提示應(yīng)用程序結(jié)束相應(yīng)的工作。用Windows提供的Set Timer（）函數(shù)可以為三維動(dòng)畫制作應(yīng)用程序開發(fā)一套精準(zhǔn)度更高的系統(tǒng)定時(shí)器，向系統(tǒng)定時(shí)器輸入設(shè)定好的參數(shù)值，使Windows在一定的時(shí)間間隔規(guī)律性地向設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)送提醒消息。隨后系統(tǒng)產(chǎn)生命令，開始執(zhí)行動(dòng)畫生成程序，即三維動(dòng)畫效果在設(shè)定場景中每隔定時(shí)器所設(shè)的時(shí)間產(chǎn)生動(dòng)畫效果，以上步驟完成后便形成了視覺上所見的三維動(dòng)畫效果[13]。在利用Open GL設(shè)計(jì)動(dòng)畫時(shí)還需要定時(shí)系統(tǒng)的配合，時(shí)間間隔在動(dòng)畫效果上起著不可忽視的作用。需要精準(zhǔn)把握設(shè)計(jì)時(shí)間間隔，如果時(shí)間間隔過大，將會(huì)占用部分系統(tǒng)時(shí)間，而且可能使畫面看起來斷斷續(xù)續(xù)失去連貫性;如果時(shí)間間隔較小，視頻也不能按照預(yù)定的播放時(shí)間進(jìn)行播放，由于時(shí)間間隔小有一定的沖擊性，極有可能產(chǎn)生丟失幀信息的問題[14]。常規(guī)狀態(tài)，動(dòng)畫至少需要23 f/s時(shí)能夠連續(xù)，在交互實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)上一般使用9～70幀時(shí)能正常播放。軟件流程如圖3所示。

在軟件系統(tǒng)中首先得到旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、時(shí)間間隙，確定指定坐標(biāo)軸[x]，[y]，[z]值，然后根據(jù)函數(shù)在流程圖中的運(yùn)行，計(jì)算出需要旋轉(zhuǎn)的角度和次數(shù)[n]，隨后應(yīng)用glrotatef函數(shù)將三維虛擬動(dòng)畫繞實(shí)體軸旋轉(zhuǎn)一定的角度來確定角度。得到旋轉(zhuǎn)角度后交換緩存、刷新屏幕，觀看刷新屏幕后的動(dòng)畫效果，若效果達(dá)到理想狀態(tài)，則轉(zhuǎn)換Kill Timer函數(shù)，停止定時(shí)器的運(yùn)行，若沒有達(dá)到理想的動(dòng)畫效果狀態(tài)，則重復(fù)上述操作流程。

以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的三維動(dòng)畫系統(tǒng)是在Visual C++條件下利用Open GL進(jìn)行三維情景的模型建立與燈光處理。

3? 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文研究的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維動(dòng)畫系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)動(dòng)畫具有更優(yōu)的觀賞效果，分別對動(dòng)畫的沉浸感、交互性、圖形圖像、聲音等方面做出對比，并對系統(tǒng)的部分硬件、軟件做出對比。

3.1? 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)中的沉浸感、交互性、圖形圖像、聲音等實(shí)驗(yàn)參數(shù)是通過采取人群抽樣體驗(yàn)后投票得出的。系統(tǒng)軟硬件由實(shí)驗(yàn)專業(yè)人員通過設(shè)備進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

3.2? 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)將相同的動(dòng)畫分別制作為二維、三維的播放效果，在人群中招募50位體驗(yàn)志愿者，志愿者分別對動(dòng)畫的二維、三維動(dòng)畫進(jìn)行體驗(yàn)，并對動(dòng)畫效果進(jìn)行投票，由投票結(jié)果來確定實(shí)驗(yàn)的對比結(jié)果。

相對于軟件系統(tǒng)流程的對比，本實(shí)驗(yàn)采取計(jì)時(shí)方式進(jìn)行對比，三維動(dòng)漫采用本文制作的系統(tǒng)流程，而二維動(dòng)漫仍舊采取傳統(tǒng)方式進(jìn)行制作。采用兩種不同的制作方式來制作相同的動(dòng)漫，最終利用時(shí)間的對比來分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

對于動(dòng)畫服務(wù)器的實(shí)驗(yàn)對比，三維動(dòng)漫利用本文采用的三維動(dòng)畫服務(wù)器（炫酷科技MBoX 6000?B三維動(dòng)畫系統(tǒng)），二維動(dòng)漫依舊采取以往傳統(tǒng)的服務(wù)器，經(jīng)過專業(yè)的設(shè)備檢測，分別對兩臺服務(wù)器的工作頻率進(jìn)行測試對比。

3.3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可以明確觀察出三維動(dòng)漫具有極大的優(yōu)越性，得到了志愿者的好評。可見本文系統(tǒng)制作的三維動(dòng)漫獲得了較好的成果，滿足當(dāng)代人對于動(dòng)漫方面的欣賞水平與要求。在聲音方面根據(jù)志愿者所投出的票數(shù)可知，本文系統(tǒng)所制作的三維動(dòng)漫聲音效果并沒有突出的優(yōu)勢。

再分析對比軟件系統(tǒng)流程項(xiàng)目，本文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用自制的制作流程來進(jìn)行動(dòng)漫制作，流程中采用各類服務(wù)器等設(shè)備，大大節(jié)省了一些不必要的時(shí)間。所以，本文系統(tǒng)所采用的軟件系統(tǒng)流程在時(shí)間方面具有一定的優(yōu)越性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)表中的數(shù)據(jù)可見，本文所提設(shè)計(jì)流程圖相對于傳統(tǒng)的制作流程有著一定的優(yōu)勢。

動(dòng)畫服務(wù)器是制作動(dòng)漫不可缺少的硬件裝置，良好的動(dòng)畫服務(wù)器在制作動(dòng)漫時(shí)起著至關(guān)重要的作用。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用三維動(dòng)畫服務(wù)器（炫酷科技MBoX 6000B三維動(dòng)畫系統(tǒng)），相對于傳統(tǒng)的動(dòng)畫服務(wù)器大大提高了工作效率。

3.4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜上可知，三維動(dòng)畫的動(dòng)畫效果具有明顯的優(yōu)勢，符合當(dāng)代人們對于動(dòng)畫的欣賞水平以及要求。但是本系統(tǒng)制作的三維動(dòng)漫聲音效果取得的成效并不突出，需要進(jìn)一步的加以改進(jìn)。本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的硬件裝配大大提高了工作效率，對未來的動(dòng)漫發(fā)展與制作都將會(huì)產(chǎn)生一定的推動(dòng)作用。在軟件的動(dòng)畫制作流程上本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也取得了極大的改善，在流程中將時(shí)間間隔服務(wù)器與函數(shù)結(jié)合，能夠更好地讓動(dòng)漫中的圖形銜接。

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三維動(dòng)漫制作系統(tǒng)整體方面優(yōu)于傳統(tǒng)的動(dòng)畫制作，本系統(tǒng)分別在動(dòng)畫效果、制作效率方面對傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行了改善。

4? 結(jié)? 語

為了提高傳統(tǒng)動(dòng)畫的制作、播放水平，滿足現(xiàn)代人對動(dòng)畫質(zhì)量的需求，本文針對三維動(dòng)畫的系統(tǒng)設(shè)計(jì)做出了研究分析。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有良好的沉浸感和交互性，將其利用到三維動(dòng)畫中，可以使動(dòng)畫人物、場景等更加具備真實(shí)感，讓觀看者有著更好的體驗(yàn)感。本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作三維動(dòng)畫系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的二維動(dòng)畫模式。系統(tǒng)中應(yīng)用圖形、圖像、聲音等多媒體來創(chuàng)作三維動(dòng)畫。系統(tǒng)的硬件裝配在硬件設(shè)備基礎(chǔ)上增加了可以進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的裝置。系統(tǒng)的軟件方面，本文主要通過流程圖方式使三維動(dòng)畫的多方面媒體結(jié)合，并通過服務(wù)器調(diào)節(jié)時(shí)間間隔，讓動(dòng)畫動(dòng)作順暢播放。因?yàn)榧夹g(shù)與硬件的結(jié)合，提高了本文系統(tǒng)的實(shí)用性，使本系統(tǒng)擁有了更加優(yōu)良的動(dòng)畫效果和隨機(jī)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙偉.基于VR技術(shù)的動(dòng)漫人物三維設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（16）：172?175.

[2] 傅建明，鮑艷.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D動(dòng)畫場景平面設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（21）：59?61.

[3] 郝騰飛，劉曉，李軍鋒.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力企業(yè)三維培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2018（10）：91?93.

[4] 吳希.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智慧景區(qū)三維展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（9）：75?76.

[5] 陳平，郭平.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的PLC三維模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].輕工科技，2017（1）：60?61.

[6] 高陽林，于璐.基于Unity3D的園林景觀虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)[J].廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，16（1）：6?10.

[7] 唐宏瑞，白鑫奕.三維動(dòng)漫制作與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合探討[J].科學(xué)中國人，2017（4z）：44.

[8] 魏育坤.基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（14）：45?46.

[9] 謝旭洲.三維動(dòng)漫制作與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合技術(shù)研究[J].美術(shù)教育研究，2018（3）：87.

[10] 崔麗.VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維游戲設(shè)計(jì)中的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2018，42（5）：44?48.

[11] 敖建華.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電視節(jié)目制作[J].西部廣播電視，2018（11）：177.

[12] 王金偉，孔維紋，劉語，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的旅游系統(tǒng)研究[J].黑龍江科學(xué)，2017，8（18）：22?23.

[13] 田博.三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].信息通信，2018（1）：285?286.

[14] 蔡艷，林迅.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的激光多普勒圖像三維重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].激光雜志，2017，38（8）：122?126.

[15] 紀(jì)元元，張琪.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)中的融合與發(fā)展[J].教育教學(xué)論壇，2017（27）：78?79.