三維動畫制作中計算機虛擬仿真技術的應用分析

作者簡介：李翔宇（1976—），男，碩士，講師，研究方向為數字媒體藝術設計。

摘 ?要：隨著我國現階段計算機技術的發展，虛擬仿真技術以其獨有的特點在各個行業領域得到了廣泛應用，比如電影制作、室內設計以及企業的宣傳等，在虛擬仿真技術不斷普及的今天，三維動畫的制作也應用到了此技術，對于我國動畫制作的發展起到極大的促進作用。基于此，本文需要對其發展做出深入的研究和分析，借助于對三維動畫制作應用的分析來為日后的效果提升提供必要的參考。

關鍵詞：三維動畫 ??計算機 ??虛擬仿真技術 ??應用分析

Application?Analysis of Computer Virtual Simulation Technology in 3D Animation Production

LI Xiangyu

（Changsha Social Work College， Changsha， Hunan Province， 410004 China）

Abstract： With the development of computer technology in China at the current stage， virtual simulation technology has been widely used in various industries with its unique characteristics， such as film production， interior design and enterprise publicity. Today， with the continuous popularization of virtual simulation technology， three-dimensional animation production has also been applied to this technology， which can play a great role in promoting the development of animation production in China. Based on this， this paper needs to make in-depth research and analysis on its development， and provide a better reference for the improvement of the effect in the future with the help of the analysis of the application of 3D animation.

Key Words： 3D animation; Computer; Virtual simulation technology; Application analysis

隨著虛擬仿真技術的出現，我國的三維動畫制作也日漸完善，現階段很多的行業和領域都開始應用虛擬仿真技術，比如企業文化的宣傳等，都可以借助于三維動畫來進行體現和呈現。在三維動畫的制作過程當中，虛擬仿真技術的作用相當重要。其本身具備相當豐富的三維動畫效果，對于虛擬環境的構成具備相當有利的條件。因此，通過對其展開分析，可為三維動畫的制作提供理論性的研究成果。

1計算機虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術，主要指的是在虛擬的環境當中借助于一些模擬器和模型來對客觀數據的呈現和反映，屬于一項基于計算機技術和網絡技術的發展而通過實驗研究所生成的技術，可以使人們感受到身臨其境的感覺，以此來搭建出一個具有交互效能多維化的信息環境。虛擬仿真技術實現的過程當中需要借助于復雜場景圖形、聲音、交互操作、干涉檢查等多方面的功能，確保應用系統的功能和性能可以得到最大限度的提升。平臺系統當中，主要應用到了視景和聲音開發支撐平臺和多個開發支持工具，可以實現用戶的各類VR應用系統的開發。也就是說虛擬現實屬于人們在計算機的幫助下來實現對復雜數據的可視化操作與交互，在技術的思想方面具有質的飛躍。

2計算機虛擬仿真技術的特點和原理

2.1?特點

虛擬仿真技術包含著多個方面的特點，可以根據其特點來實現分類歸納，其中交互性、沉浸性、虛幻性、逼真性是其主要特點。

首先，虛擬仿真技術的交互性應用當中，虛擬化的仿真技術屬于根據現實世界當中的人和自然環境的互動行為所產生的一種模仿性的行為。虛擬環境主要是根據現實的環境進行設計的一種環境，身處虛擬環境的人可以借助于構建出的虛擬環境當中的某些因素來實現對其事物的操控和調整，在因素對應的部位等方面可以體現出對應的改變。比如，在虛擬仿真技術當中可以對發射導彈的過程進行模擬，使用者在模擬操作的過程當中可以借助于相關按鈕來實現對應的操作，如導彈發射等操作。在導彈發射的過程當中，當碰到障礙物或者目標事物就會產生爆炸，和現實世界一樣還會發出火光和飛散碎片，基于此，在虛擬的環境當中，人們就可以對爆炸產生的火光和碎片進行觀賞，最大限度地實現虛擬仿真技術的交互操作應用。

其次，對于虛擬仿真技術的沉浸性特點來說，虛擬仿真技術的實質行為主要是對現實世界當中存在的事物借助于一些技術進行仿真模擬。在虛擬仿真技術的操作下可以對人體自身存在的多種感官進行交互，帶來身臨其境之感，比如視覺、聽覺以及嗅覺等，在虛擬仿真技術的沉浸性方面進行突出的體現。

另外，對于虛擬仿真技術的虛幻性來說，主要是根據其真實存在的事物來構建出一系列仿真模擬的事物，事物本身屬于一個真實存在的物體^[2]，或者也可以把虛擬創建出的事物看成真實存在的物體或者事物，進行虛擬系統的搭建過程中，其虛擬的環境當中是不存在一個物質的，因此虛擬仿真技術具有很強的虛幻性。

最后一個方面，屬于逼真性，也就是說在計算機虛擬現實運行的過程當中具備一般計算機所具有的視覺感知外的同時，還可以實現虛擬現實系統的聽覺、力覺、觸覺、味覺、嗅覺等多項感知體系，營造出一個逼真的特點，使得人們可以身臨其境。

2.2?原理

第一個方面，在三維圖形的實時顯示技術基礎上進行場景的搭建和構造，以此來將虛擬現實技術應用在三維動畫當中，實現有效的融合。三維動畫屬于一項非常重要的內容技術，可以體現出實時性，在有限的時間范圍內，進行三維幾何圖形的生成，在刷新的頻率方面需要保證在每秒15副的范圍內，對于畫面的紋理以及陰影和照明等多個屬性方面都需要確保滿足相關的要求和規定，在制作的過程當中，一般都會借助于場景分塊或者可見消隱的方式來將場景簡單化，降低場景的復雜程度。對于場景分塊，針對于復雜的場景可以將其根據一定的設計來實現多個簡單模塊的劃分，當單個模塊在顯示運行的過程當中，其他的模塊都處于不可見的狀態?？梢娤[主要是以用戶的角度作為主要的出發點，借助于可見畫面的轉換和不可見畫面之間的切換來實現用戶對畫面的觀看。

第二個方面，在虛擬仿真當中的交互技術方面，用戶可以借助于對某種界面的操控，對虛擬環境當中存在的一些因素進行改變，被稱為交互技術。此種技術可以分為3種方式，即直接用戶交互技術、物理控制技術以及虛擬控制技術。其中，直接用戶交互的技術應用方面，需要針對現實當中存在的動作進行反映，將其映射到虛擬的環境因素當中得以實現，其本身具備直觀性和靈活性^[3]。在物理控制技術方面，主要是借助于一些操作設備來實現虛擬環境的有效交互，比如鍵盤、鼠標等，對于用戶在虛擬世界當中的存在感可以得到有效的增強，但是在靈活程度方面有所欠缺。虛擬的控制技術可以實現將虛擬的人物和場景來實現交互的操作應用，比如虛擬的人物可以在虛擬的環境當中進行漫游。

第三個方面，屬于維虛擬仿真系統的建立，三維虛擬仿真系統屬于一個非常復雜且全面的系統，其中包含了多個方面的開發內容，比如三維視景數據庫的建立和三維視景管理系統的開發。在三維視景數據庫的搭建方面，需要確保交互性和三維性能，其兩者之間需要確保實現穩定的邏輯內容關系。在環境當中存在的各個要素也需要根據所做出的控制行為來進行快速的響應和操作，最大限度地確保其互動性可以得到極大的應用和發揮，以此來進行模型的設計和構建，借助于三維視景數據庫的建模和優化工具平臺進行對應的操作，在兩者技術的融合過程當中需要實現科學化的結合和融合。針對于初期的建模操作過程，可以利用普遍的建模工具來根據現實的事物進行操作完成。對于復雜的場景描述以及構造，需要基于三維視景數據庫的技術來得以完善和實現，這一階段中需要對多個方面的技術進行應用來實現綜合化的開發，其中包含了漫游路徑的搭建建設、LOD的設置以及三維模型數據層次化的存儲技術等。針對于三維視景管理系統的開發來說，在底層的三維圖形開發庫的基礎上進行完善，還需要確保和高層的開發平臺來實現科學的融合開發，一般對于底層的三維圖形開發的過程當中主要借助于DirectX和OpenGL兩種方式來進行^[4]，需要對三維變換、三維坐標、光照以及視點的原理進行全面的掌握和了解，確保進行科學化的設計編碼操作，以最快的速度進行系統的開發和操作應用。針對于高層開發平臺工具來說，一般都會借助于軟件開發者提供高級的API來有效地減少開發者的工作量，比如WorldToolKit、X-IG、VEGA以及OpenGVS等，在應用的過程當中性能良好。

3三維動畫與虛擬現實技術相結合的優勢

3.1?新技術的體驗

對于虛擬現實技術來說，主要的核心內容為智能化技術，可以有效地對虛擬的物體進行交互以及其他方面的操作，在視覺方面形成對大腦的欺騙，利用此種方式來實現虛擬和現實的界限之間的有效的模糊，使人們可以產生身臨其境的感覺。作為用戶來說，可以進行兩個平行世界的切換，打破虛擬與現實之間的界限。比如2018年上映的《頭號玩家》，電影當中的人物在穿戴上感知設備之后，就可以進入到另外一個虛擬游戲的世界當中，以此來使得任一一個角色都可以感受到搭建的場景，比如車水馬龍的都市等。計算機在進行虛擬世界設計的時候，需要利用科學化的方式來實現對其所出現的運動參數進行實時復雜化的計算，借助于穿戴設備來使得參與者產生臨場感。對于虛擬的現實世界當中，人們五官感覺的延伸主要為感知穿戴設備^[5]。人們在虛擬世界感知事物的過程當中，所感受到的物理運動規律和真實世界需要實現一致的狀態，虛擬現實的技術也可以對人類的五官真實感覺進行模擬，產生沉浸感、臨場感。虛擬技術也可以給人們帶來全景交互的視覺立體感，也就是說虛擬現實技術主要是由多種技術來構成的一個綜合體，其中包含了實時3D計算機圖形技術、虛擬場景的展示技術、頭部追蹤技術、眼球追蹤技術、聲音技術、知覺反饋技術以及手勢捕捉技術等。

3.2?新動畫新形式的增添

虛擬現實技術和三維動畫的結合，使得動畫增加了一種表現形式，也就是虛擬顯示動畫，對于動畫的時間與空間的維度之間產生的關系可以進行有效的聯動，以此來確?？梢詫σ曈X空間實現有效的擴展探索和應用，此種方式屬于一種高度虛擬化的表現形式，屬于一種藝術的表現形式，在實現的過程當中需要借助于用戶全方位的想象力來實現，進行誘發和提升，實現多個時空之間的相互切換。觀眾可以在虛擬顯示動畫當中進行不同情感的體驗，針對于互動和體驗來說，可以在不同的時空當中進行，以此來不斷地產生互動的樂趣，作為觀眾也可以跟隨導演的思路對其所要表述的內容進行深入化的感受和體驗?，F代的觀影模式屬于一種全新的突破和創新，可以將觀眾置身于一個全新的空間和環境內部，根據自身的需求進行鏡頭的切換，帶給參與者新奇的體驗，有效地提升交互性、參與性。

4三維動畫中虛擬現實技術的應用

三維動畫和虛擬現實技術的結合，可以使得動畫從傳統的二維動畫來轉換到空間感的體現和交互當中。作為觀眾來說，可以借助于虛擬現實技術實現沉浸式的體驗，在技術空間方面得以最大化的延伸，在虛擬和現實得以有效結合的基礎上進行互動發展，最終實現“觀者的參與方式則從單向的觀賞，發展到交互式參與，再到置身于空間情境，最后發展為沉浸式的感官體驗”的狀態。

4.1?動畫創作

在進行動畫創作的過程當中，需要實現構思和感知方式的創新。首先在構思和五感的延伸方面，動畫藝術屬于動畫創作者利用視像媒介創造出來的一種動態化的影像幻覺，可以對自身所想要表達的主觀意識進行體現，在不同的技術下所使用的媒介有所不同。在虛擬現實此種技術的媒介當中會影響創作者自身的自我思維意識，憑借虛擬現實技術來實現廣闊自由的發揮空間，營造出了一個和真實空間并行的虛擬空間。因此，虛擬現實技術的應用可以對創作主體自身的感知和感覺進行拓展強化，給動畫藝術的創新發展帶來了無限的可能。

4.2?繪畫性的模擬——《梵高的世界》虛擬漫游的構思

首先，需要進行背景制作的了解，梵高的藝術創作素材屬于一種文化的化身，可以實現價值取向、審美愿望和認知共情的大眾化集合，借助于互聯網平臺來實現一個化身共體的塑造，表達群體的意愿和圈層的特征。因此，對梵高的一些繪畫作品借助三維動畫軟件來進行場景的搭建，并結合虛擬現實技術可以實現對梵高生活時代場景的還原，最大限度地激發觀眾內在情感，提升藝術的融入情感價值。

其次，需要進行美術風格的設定，在作品的風格方面整體設定為油畫，對畫面的技術要求比較高，美術的風格方面需要具備獨特性、繪畫性，實現油畫藝術語言和動畫藝術的結合，最終達到一種真切的視覺藝術效果。梵高在進行繪畫的過程當中，對情感的表達主要利用動感的筆觸、夸張的色彩以及光影來表現，使得觀眾可以感受到全新的視覺體驗。

最后，需要進行準備階段的創作過程。項目的初期階段需要在進行制作模型和貼圖之前對相關梵高的素材進行全面的查找和了解，以此來參考制作的梵高對應的繪畫資料，在數據整理之后進行室內室外的模型地圖規劃的確定，以此來實現對繪畫作品里的房屋建筑、物品擺件進行規劃^[6]。

4.3?再現到再造——《梵高的世界》虛擬漫游的三維構建

在梵高的作品當中，都屬于平面化的作品，觀眾可以借助于自身的視覺感官來進行體會情感，利用梵高為題材的影片或者動畫片主要是借助于視聽層面進行情感的表達。但是在《梵高的世界》三維構建當中，進行動畫創作維度的拓展，將更多的感官進行了結合，以此來讓觀眾可以對梵高生活的年代進行體會，身臨其境地體會梵高世界的憂郁、孤獨的情感。在本文當中，主要選擇了梵高的幾幅作品來進行分析，其中包含了在阿爾的藝術家臥室、夜間咖啡館、向日葵、播種者、普羅旺斯夜晚的鄉間小路等，將畫作作為參考，在三維的動畫軟件當中進行室內室外場景的搭建，利用二維平面的畫作進行構建出三維的立體場景^[7]。

首先，需要進行模型的制作，利用3DSMAX軟件進行《梵高的世界》主要模型的制作，以此來對漫游世界當中的場景進行搭建，梵高的作品屬于2D作品，在建模的過程當中需要考慮3D場景，將無法看到的部分補全。其中revit為制作奧維爾教堂的模型，之后還需要對其各個模型的UV進行拆封，將其UV導入到PS當中，來實現對貼圖進行繪制。

另外，在貼圖制作的過程當中，虛擬現實技術當中的漫游場景當中的畫面質感主要是利用貼圖來進行體現的，在不同的審美風格當中具備不同的貼圖和肌理，貼圖的實現過程對于最終的呈現效果具有十分重要的作用。借助于PS技術來對基本的Bitmap位圖進行制作，對于油畫的風格筆刷可以借助于PS里肌理感較強的筆刷來實現，其中繪制的過程需要借助于P18傳統油畫、混色油畫、油畫布這3個筆刷來進行制作。

4.4?單一感官到交互感知——《梵高的世界》虛擬現實技術的開發

在傳統的三維動畫當中，過于追求視覺感官方面的質感表現，虛擬現實的融入可以使得動畫的觀看傳播過程發生一定的變化，在視覺感官到五官的體驗感知過程當中，借助于三維動畫和虛擬現實技術來進行現實影像的表達，主要是在三維動畫的制作過程當中基于計算機圖像軟件的基礎上來實現的。借助于3DSMAX實現制作場景、模型、貼圖，結合UE4引擎做交互，完成了單一感官到交互的轉化。在《梵高的世界》當中虛擬漫游項目主要是借助于UE4完成了交互的功能。

在實際制作的過程當中分為多個步驟：其一為關卡的設計，需要創建出3個大交互主關卡和5個子關卡。在3個大的主的關卡當中分別為室內虛擬漫游關卡、相機動畫關卡和第一人稱漫游關卡，5個子關卡存儲了教堂、星空等拆分開的模型。在子關卡的作用在于如果模型量巨大的時候可以將其模型進行分散在不同的子關卡當中，根據順序實現逐步的加載^[8]。在關卡的設計當中，需要注意多個方面的因素，確保打開的速度要快，確保打開關卡藍圖可以看到界面的UI。交互界面設計當中，需要在初始化當中進行視頻聲音的設置。在虛擬漫游設計當中，需要借助于UE4自帶的motioncontrollerpawn角色功能進行角色的創建。在相機動畫截斷當中，需要將所有模型進行拼接導入好，確保自動播放和播放完后暫停。借助于虛擬的引擎，對于《梵高的世界》這幅作品實現虛擬漫游的交互功能，確保觀眾可以與之互動，形成一個情感的共鳴。

5結語

綜上所述，虛擬仿真技術可以將真實的物體映射到虛擬環境當中，借助于虛擬的三維動畫場景來實現和人物或者事物的聯系，借助于抽象的事物動畫來反映具體的內容，確保人們可以對其中所包含的內容、內涵進行深入的了解。計算機虛擬仿真技術在各個行業領域的最大化應用，可以在方便人們生活的同時，對經濟的經濟發展也起到極大的促進作用。針對于三維動畫的制作來說，需要借助于虛擬仿真技術的操作來進行全新視角的展現和創作，給人們帶來良好的體驗，虛擬仿真技術可以在增強三維動畫制作效果的同時，對三維動畫制作技術起到良好的促進發展作用。

參考文獻

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