試論三維動畫制作中計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

李樊 駱陽

摘要：虛擬仿真技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展而形成的新興技術(shù)，作為一種虛擬系統(tǒng)，虛擬仿真技術(shù)與三維動畫的設(shè)計(jì)相融合，能夠快速地促進(jìn)三維動畫技術(shù)在多個(gè)行業(yè)中得到了深入的應(yīng)用，也轉(zhuǎn)變了人們對動畫的設(shè)計(jì)思路。通過對計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的內(nèi)涵及特點(diǎn)進(jìn)行分析，探究了三維動畫中計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，并提出了三維動畫中計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的應(yīng)用策略。

關(guān)鍵詞：三維動畫;計(jì)算機(jī);虛擬仿真技術(shù)

中圖分類號：TP37 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）02-0096-02

計(jì)算機(jī)技術(shù)為虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，使得虛擬仿真技術(shù)在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)模擬或者仿真技術(shù)是與計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展緊密結(jié)合在一起，它需要借助計(jì)算機(jī)硬件、軟件與三維傳感技術(shù)，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(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)可以生成三維動畫非常逼真、生動，在建筑、軍事、航天、醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

1 計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上得到不斷完善，也使得虛擬仿真技術(shù)在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，在我國室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)、教育等行業(yè)中得到了深入應(yīng)用。

1.1虛擬仿真技術(shù)的內(nèi)涵

虛擬仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)搭建場景，對事物的運(yùn)動與形成過程進(jìn)行模擬，為用戶提供接近真實(shí)的環(huán)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(shù)的內(nèi)涵，可以從多個(gè)角度進(jìn)行分析，從仿真技術(shù)的角度分析，它是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共同發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，利用虛擬技術(shù)能進(jìn)行虛擬空間構(gòu)建，模擬事物發(fā)展的過程，從而獲得真實(shí)感的動畫場景。從廣義層面來看，虛擬仿真技術(shù)能模擬真實(shí)的場景，幫助人們深入地認(rèn)識世界，分析事物的發(fā)展內(nèi)涵。在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，大大提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾?，使虛擬仿真技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛、深入，也能幫助人們從虛擬的世界中了解真實(shí)的世界。

1.2 計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬仿真技術(shù)也可以稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠讓用戶在“真實(shí)”的環(huán)境中體驗(yàn)事物的景象，通過對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)涵與使用情境等進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)虛擬防止技術(shù)具有交互性、沉浸性、虛幻性、逼真性等特征。

（1）交互性

計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的交互性是用戶利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)與環(huán)境之間產(chǎn)生互動，用戶通過虛擬環(huán)境中的某些因素發(fā)生變化來獲得全新的體驗(yàn)，在具體的實(shí)施過程中，如果控制與改變某種因素，虛擬環(huán)境就能出現(xiàn)相應(yīng)的改變。例如：利用虛擬仿真技術(shù)模擬導(dǎo)彈的發(fā)射軌跡，用戶可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，模擬導(dǎo)彈的發(fā)射與爆炸場景，該場景主要運(yùn)動的是虛擬仿真的交互技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

（2）沉浸性

利用虛擬仿真技術(shù)能對現(xiàn)實(shí)的世界場景進(jìn)行模擬，為使用者提供具有接近真實(shí)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(tǒng)中，進(jìn)而能夠給人一種“身臨其境”的體驗(yàn)感。

（3）虛幻性

虛擬仿真技術(shù)主要功能是生存虛擬化場景，而且都是依據(jù)真實(shí)的環(huán)境，對其進(jìn)行仿真、模擬，還可以根據(jù)開發(fā)者的要求，模擬可能開發(fā)的產(chǎn)品，還可以是已經(jīng)存在的產(chǎn)品，不管虛擬仿真技術(shù)所構(gòu)建的何種產(chǎn)品，其構(gòu)建的虛擬系統(tǒng)都不是真實(shí)存在的，主要功能是為人們提供一種仿真的環(huán)境。

（4）逼真性

虛擬仿真技術(shù)的功能十分強(qiáng)大，通過VR技術(shù)構(gòu)建的場景十分逼真，能讓用戶感受到構(gòu)建的虛擬世界與現(xiàn)實(shí)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(shù)，可以通過控制某些元素、參數(shù)進(jìn)行變化，能夠構(gòu)建出非常真實(shí)的環(huán)境，讓用戶觀察到事物每一個(gè)細(xì)節(jié)的變化。

1.3 計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用原理

（1）基于三維圖形設(shè)計(jì)技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)在具體實(shí)現(xiàn)的過程中需要多種技術(shù)，而三維圖形顯示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)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(shí)間，采用三維圖形生成技術(shù)，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(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與要求，同時(shí)還能將生成的圖形進(jìn)行分塊處理，降低一些復(fù)雜場景的復(fù)雜情況，采用虛擬技術(shù)可以將復(fù)雜的場景分成多個(gè)獨(dú)立的場景，在一個(gè)模塊顯示圖像時(shí)，可以將其他的多余的場景隱匿，通過虛擬技術(shù)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(rèn)知度。

（2）虛擬仿真技術(shù)中的交互技術(shù)

交互性虛擬仿真生成的虛擬場景的關(guān)鍵性特征，在利用虛擬仿真技術(shù)制作三維動畫時(shí)，在有些復(fù)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(xiàn)實(shí)技術(shù)交互式操作。虛擬仿真技術(shù)的物理控制技術(shù)主要是通過操作鼠標(biāo)、鍵盤、手柄等輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)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(shù)就是要通過按照要求輸入?yún)?shù)，改變場景的觀測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)虛擬物與虛擬環(huán)境之間的互動，從而能夠讓用戶更清晰地了解到虛擬環(huán)境的控制技術(shù)，如圖1所示，游戲人員利用手柄與三維虛擬環(huán)境進(jìn)行交互的場景。

2 三維動畫設(shè)計(jì)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用

2.1 虛擬仿真技術(shù)中的建模軟件和語言

在虛擬仿真技術(shù)開發(fā)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(fā)者能夠系統(tǒng)地進(jìn)行建模與開發(fā)，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(jù)高級用戶的需求，利用建模語言來展開虛擬仿真設(shè)計(jì)與開發(fā)。

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(shù)的重要組成部門，能結(jié)合用戶的需要，設(shè)計(jì)多樣的虛擬現(xiàn)實(shí)情境，但是不同的三維動畫設(shè)計(jì)軟件具有不同的優(yōu)勢，在三維動畫設(shè)計(jì)中，3ds Max 和Maya 兩款功能最強(qiáng)大、應(yīng)用范圍最廣，可以對人物、環(huán)境等機(jī)芯立體化的設(shè)計(jì)，也是現(xiàn)在最主流的三維動畫設(shè)計(jì)軟件，二者在應(yīng)用中也存在區(qū)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(zhì)量比較高，清晰度也十分明顯，在具體的應(yīng)用中主要依賴于外部插件的應(yīng)用。例如，分別利用Maya和3ds Max渲染同一項(xiàng)目時(shí)，Maya會比3ds Max需要更多的時(shí)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(xì)節(jié)更加豐富，Maya在三維圖像的建模、渲染與數(shù)字化場景制作方面更加靈活，可以用戶擔(dān)任導(dǎo)演、演員、攝影師等不同的角色，構(gòu)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(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的三維建模應(yīng)用十分廣泛，在三維動畫制作時(shí)，首先需要結(jié)合具體的設(shè)計(jì)要求，建立三維模型，經(jīng)過詳細(xì)調(diào)整與參數(shù)設(shè)置，便于后期進(jìn)行渲染，在制作動畫時(shí)，需要根據(jù)虛擬場景的需求，利用虛擬仿真技術(shù)與交互技術(shù)相互配合，設(shè)計(jì)不同的三維虛擬場景，共同完成相關(guān)的三維立體模型的設(shè)計(jì)，通過現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)來建模，然后生成三維動畫的效果。虛擬仿真技術(shù)在三維模型建模中的難點(diǎn)在于如何有效地整理虛擬場景、三維模型的資源設(shè)計(jì)、虛擬人物或者場景相關(guān)資源的準(zhǔn)備，在必要時(shí)，還需要結(jié)合三維圖紙的標(biāo)準(zhǔn)要求保證三維模型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。其次在準(zhǔn)備一些實(shí)物的三維動畫時(shí)，要根據(jù)三維場景設(shè)計(jì)的要求，在前期進(jìn)行人工拍攝，在大型場景拍攝時(shí)，還需要利用航拍方式來獲取大型場景的真實(shí)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(shù)，可以快速地完成三維動畫的建模與設(shè)計(jì)，還能給用戶沉浸其中的感覺，提高三維動畫開發(fā)的工作效率。

2.4 虛擬仿真技術(shù)在三維動畫設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的軟硬件的發(fā)展，也促進(jìn)了虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，也就使得虛擬仿真技術(shù)在各個(gè)行業(yè)中的深入應(yīng)用。采用虛擬現(xiàn)實(shí)三維動畫已經(jīng)在交通、航空、醫(yī)療、教育、建筑、室內(nèi)裝飾、數(shù)字媒體藝術(shù)設(shè)計(jì)等方面得到了十分廣泛的應(yīng)用。三維動畫可以模擬不同的場景，搭建不同的真實(shí)環(huán)境，通過仿真模擬技術(shù)制造出一個(gè)虛擬場景，幫助用戶發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問題。例如，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)的模擬，不僅能提高實(shí)驗(yàn)的安全性，還能降低實(shí)驗(yàn)發(fā)生的危險(xiǎn)，通過用戶的交互性操作，就可以有效地規(guī)避不同的危險(xiǎn)，這些已經(jīng)在軍事、航空、交通、教育等方面得到了廣泛的應(yīng)用。通過互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以創(chuàng)造出虛擬環(huán)境來進(jìn)行模擬演練，方便用戶能夠在虛擬的環(huán)境中探索分析，從而更好地探索未來，在建筑設(shè)計(jì)方面，三維動畫虛擬仿真技術(shù)可以生成虛擬化的建筑實(shí)物環(huán)境，然后用戶通過在虛擬的環(huán)境中瀏覽，體驗(yàn)真實(shí)的建筑環(huán)境，更加直觀地觀察一些高大精密的建筑與裝飾，與CAD技術(shù)相比，CAD技術(shù)只能為用戶提供平面的圖像，而利用虛擬仿真技術(shù)建立的三維立體對象，生成一個(gè)表現(xiàn)建筑的空間結(jié)構(gòu)，生成的建筑模型更加直觀、立體，用戶可以通過操作鼠標(biāo)、鍵盤等，對建筑物的周圍環(huán)境進(jìn)行瀏覽，這是CAD技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的，虛擬仿真技術(shù)建立的是三維動畫，便于人們能從多個(gè)角度觀察建筑物，符合人的美學(xué)概念，對提高建設(shè)物的可觀賞性具有十分重要的作用。

3 結(jié)束語

三維動畫中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)多種功能，可以將一些靜態(tài)的畫面轉(zhuǎn)化立體、空間的、動態(tài)性的圖像，便于用戶能夠從多個(gè)角度觀察物體，有利于提高用戶的體驗(yàn)效果。在三維動畫設(shè)計(jì)中，用虛擬的三維動畫場景和人物體現(xiàn)事物本質(zhì)，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(xiàn)實(shí)技術(shù)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(dá)的內(nèi)涵，這也使得三維動畫在航空航天、軍事、建筑設(shè)計(jì)、教育、醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。因此，利用虛擬仿真技術(shù)促進(jìn)三維動畫的設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步增加三維動畫的制作效果，還能更好地促進(jìn)三維動畫在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

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