摘要：三維圖形技術(shù)是一項(xiàng)十分先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，在很多領(lǐng)域當(dāng)中都有著十分重要的應(yīng)用。目前，三維圖形技術(shù)主要包含兩個方面，三維動畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)。本文首先對兩種技術(shù)的應(yīng)用原理進(jìn)行了分析，然后闡述了兩種技術(shù)相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方法，最后對兩種技術(shù)進(jìn)行了對比。

關(guān)鍵詞：三維動畫技術(shù)；三維虛擬技術(shù)；對比研究

隨著計算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，三維圖形技術(shù)也得到了很快的發(fā)展。相比于平面圖形，三維圖形更加立體、直觀，能夠更好的闡述相關(guān)內(nèi)容，因此得到了人們的廣泛重視。當(dāng)前的三維圖形技術(shù)主要包括三維動畫技術(shù)和三維虛擬技術(shù)兩種，這兩種技術(shù)都是對想象的世界進(jìn)行真實(shí)的模擬。其中，三維動畫技術(shù)主要應(yīng)用于廣告、電影等預(yù)先設(shè)計好的演示，而三維虛擬技術(shù)則多用于仿真，需要對用戶輸入做出實(shí)時反應(yīng)。

一、三維圖形技術(shù)的應(yīng)用原理

（一）三維動畫技術(shù)的應(yīng)用原理

1.造型

造型就是在計算機(jī)中利用三維造型軟件進(jìn)行三維物體的繪制。在造型之前，需要對三維物體在場景中的位置、以及它們的形狀進(jìn)行設(shè)計和確定。在進(jìn)行造型的過程中，首先對基本的幾何形狀進(jìn)行繪制，然后根據(jù)所需要的具體形狀對其進(jìn)行改變。再利用不同的方法，將這些形狀進(jìn)行組合，完成負(fù)責(zé)幾何形體的建立。在三維物體制作完畢之后，在具體場景中，根據(jù)其適當(dāng)?shù)奈恢茫瑢⑼瓿稍煨偷娜S物體放置其中，從而形成完整的場景[1]。

2.動畫

動畫的目的是使各個三維物體進(jìn)行運(yùn)動。對此，首先需要對關(guān)鍵幀進(jìn)行定義，制作人員需要在計算機(jī)當(dāng)中一幅一幅的進(jìn)行畫面的繪制。因此，要求動畫制作人員的繪畫水平必須達(dá)到較高的水平，才能夠?qū)赢嫯嬅嬖O(shè)計的生動、逼真。然后，按照一定得順序，將這些畫面進(jìn)行排列和組合，使其達(dá)到連貫和連續(xù)。此外，可以在動畫當(dāng)中插入一些中間幀的畫面，可以利用計算機(jī)進(jìn)行中間幀的制作。通過以上步驟，就可以制作出十分真實(shí)的動畫。

3.繪圖

在動畫的制作當(dāng)中，良好的視覺效果和非交互的美學(xué)體驗(yàn)是十分重要的。因此在動畫繪圖的過程中，需要對光纖、貼圖、色彩等方面進(jìn)行嚴(yán)格的控制，從而使動畫效果能夠更加的逼真、貼近現(xiàn)實(shí)[2]。

4.著色輸出

在當(dāng)前應(yīng)用的動畫制作軟件當(dāng)中，通常都對動畫生成功能進(jìn)行了提供。它可以將動畫繪圖過程中制作的畫面進(jìn)行連接，從而形成類似于電影的形式，這就是動畫視頻。動畫視頻是以視頻文件的形式進(jìn)行輸出和保存，如果需要觀看，只需要播放該文件，就能夠進(jìn)行觀看。

（二）三維虛擬技術(shù)的應(yīng)用原理

1.實(shí)時顯示技術(shù)

目前，三維圖形的顯示技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是最關(guān)鍵的問題就是顯示的實(shí)時性。為了能夠迅速的生成三維幾何圖形，對于圖形的刷新頻率要求就比較高，最低速率也要達(dá)到每秒15幀的圖像刷新。要達(dá)到這一要求，與圖形的復(fù)雜度、畫面的紋理、陰影、照明度等因素都有著一定的關(guān)系。因此，三維圖形實(shí)時顯示技術(shù)的關(guān)鍵，在于對合理的技術(shù)措施進(jìn)行利用，從而使可是場景的復(fù)雜度得到降低。

2.交互技術(shù)

在三維虛擬技術(shù)的研究當(dāng)中，其一個重要的目標(biāo)就是將人們所處的實(shí)際環(huán)境與計算機(jī)系統(tǒng)之間的界限進(jìn)行消除。也就是說，在計算機(jī)系統(tǒng)提供的虛擬空間當(dāng)中，人們可以通過語言、頭、皮膚、眼睛、手勢等感覺器官與行為動作，與其直接發(fā)生面對面的交互。目前三維虛擬技術(shù)的交互技術(shù)主要包括虛擬環(huán)境基本交互、虛擬環(huán)境交互、碰撞檢測等方面。

3.三維虛擬仿真系統(tǒng)的建立

三維虛擬仿真系統(tǒng)的建立，是一個較為系統(tǒng)的工程，主要可以分為兩個方面。其一是對三維視景數(shù)據(jù)庫進(jìn)行建立，在建立過程中，應(yīng)當(dāng)采用三維視景數(shù)據(jù)庫建模和優(yōu)化工具平臺等進(jìn)行模型的構(gòu)建，而不宜采用3DS MAX等普通的建模工具。這樣，才能夠有效的提高反應(yīng)速度，保證交互性和三維性之間的邏輯關(guān)系。其二是進(jìn)行三維視景管理系統(tǒng)的開發(fā)，通過對良好的現(xiàn)實(shí)途徑進(jìn)行利用，使該系統(tǒng)能夠調(diào)用各種數(shù)據(jù)庫、優(yōu)化硬件資源、顯示系統(tǒng)最終的效果，實(shí)現(xiàn)各種操作[3]。

有兩種途徑能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)。第一種是對底層三維圖形開發(fā)庫進(jìn)行利用。其中，DirectX、OpenGL等三維圖形開發(fā)庫較為常用。對該方法進(jìn)行應(yīng)用，要求先關(guān)的開發(fā)人員必須對視點(diǎn)、光照、三維變換、三維坐標(biāo)的進(jìn)行熟悉的掌握和應(yīng)用，同時能夠自行進(jìn)行編碼的設(shè)計，保證相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)。這種方式靈活性較大，同時由于是免費(fèi)提供的，因此也不涉及到版權(quán)的問題。不過，對此種方式進(jìn)行利用，需要進(jìn)行大量的工作。如果需要進(jìn)行一般規(guī)模系統(tǒng)的完整制作，至少需要一年以上的積累才能夠完成。同時，系統(tǒng)內(nèi)部很多的處理，都是由軟件開發(fā)人員自行考慮的。因此，很容易發(fā)生考慮不周全的情況，導(dǎo)致制作出來的系統(tǒng)性能十分不理想。

第二種方式是對高層開發(fā)平臺工具進(jìn)行利用，例如OpenInventor、WorldToolKit、Worldup、X-IG、Vtree、VEGA、OpenGVS等工具平臺。這樣寫開發(fā)平臺都是以O(shè)penGL圖形標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的高級三維可視化函數(shù)庫，提供了高級的API軟件的開發(fā)。通過對這些開發(fā)平臺進(jìn)行利用，能夠有有效的減少代碼量，從而降低工作量。在三維圖形應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中，這些開發(fā)平臺具有周期短、性能好等優(yōu)點(diǎn)，不過需要出資購買，因此成本較高[4]。

二、三維圖形技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法

（一）三維動畫技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法

在當(dāng)前主要應(yīng)用于三維動畫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的平臺工具當(dāng)中，3D Studio Max是一種應(yīng)用比較廣泛的工具。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，需要現(xiàn)在3D Studio Max中對三維場景內(nèi)各個物體的立體模型進(jìn)行繪制。如圖1所示，是一個真空斷路器的模型，它的構(gòu)成主要是多個幾何體。在3D Studio Max當(dāng)中，對每一個幾何體進(jìn)行繪制，然后對其進(jìn)行組合。在利用3D Studio Max制作動畫的過程中，對真空斷路器從當(dāng)前位置向右進(jìn)行90°水平旋轉(zhuǎn)的動畫，進(jìn)行的方式為關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)定。然后加入特定的燈光、材質(zhì)等效果，取得更加生動、逼真的顯示效果。最后，利用渲染按鈕，對一些相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后進(jìn)行動畫的生成[5]。假設(shè)設(shè)定的關(guān)鍵幀參數(shù)為5個，則這5個關(guān)鍵幀所對應(yīng)的圖片如圖1中所示。

圖 1 真空斷路器動畫的關(guān)鍵幀

將以上五個圖片，按照一定的順序進(jìn)行連接，就能夠生成相應(yīng)的動畫視頻文件，并在需要的時候?qū)υ撐募M(jìn)行播放。在播放動畫的過程中，上面五個圖片通過連續(xù)的效果進(jìn)行顯示，就能夠產(chǎn)生該斷路器以90°向右旋轉(zhuǎn)的視覺效果。如果需要達(dá)到垂直旋轉(zhuǎn)的效果，需要重新對動畫進(jìn)行制作，將上述步驟中水平方向上的旋轉(zhuǎn)改變?yōu)榇怪狈较蛏系男D(zhuǎn)，然后以此進(jìn)行后續(xù)工作，最終得到新的圖片序列。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，有時為了取得相應(yīng)的動畫視頻效果，需要成千上百張這樣的圖片進(jìn)行組合，才能夠最終實(shí)現(xiàn)。

（二）三維虛擬技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法

在三維虛擬技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的的開發(fā)當(dāng)中，MultiGen+ OpenGVS是一個十分常用，也是十分有效的開發(fā)工具平臺。在應(yīng)用過程當(dāng)中，三維視景數(shù)據(jù)庫是通過MultiGen來建立的，如圖2所示，是一個封隔器的模型。在以三維模型的形式進(jìn)行顯示的同時，在三維視景數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，還通過各種參數(shù)的方式進(jìn)行存儲，以備后續(xù)工作中進(jìn)行調(diào)用[6]。

圖 2 封隔器模型

對三維視景進(jìn)行相應(yīng)的操作所利用的三維視景管理系統(tǒng)，是利用VC++的OpenGVS進(jìn)行開發(fā)的。利用這個管理系統(tǒng)，能夠?qū)θS視景數(shù)據(jù)庫當(dāng)中的各個參數(shù)進(jìn)行直接的讀取，在顯示器中顯示三維模型，在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行放置。同時對三維幾何變換進(jìn)行利用，對封隔器進(jìn)行各種不同的操作，例如拾取、移動、斜向、垂直、水平等各個方面的旋轉(zhuǎn)等。通過相應(yīng)的編程就能夠?qū)崿F(xiàn)這項(xiàng)功能，而不需要進(jìn)行關(guān)鍵幀、關(guān)鍵點(diǎn)的方面的制作。如果先要進(jìn)行操作的增加，也不需要進(jìn)行重新的建模和動畫制作的過程，只需要添加能夠?qū)崿F(xiàn)增加操作的代碼在原有的模型基礎(chǔ)之上，就能夠?qū)崿F(xiàn)操作功能的增加，具有極大的靈活性和便利性[7]。

三、三維動畫技術(shù)與三維虛擬技術(shù)的對比

（一）三維動畫技術(shù)的固定性

在三維動畫技術(shù)當(dāng)中，三維動畫的過程、時間都是無法改變的，是固定存在的。在三維動畫播放的過程中，其動畫畫面的順序不會按照用戶的想法來實(shí)時的進(jìn)行變化。而三維虛擬技術(shù)則不然，它沒有時間上的限制，可以使展示過程更加的詳細(xì)、真實(shí)。在三維虛擬技術(shù)系統(tǒng)當(dāng)中，用戶可以進(jìn)行任意的操作，同時還會對用戶進(jìn)行的操作進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)。

（二）三維虛擬技術(shù)的實(shí)時性

三維虛擬技術(shù)的實(shí)時性，是其與三維動畫技術(shù)之間最大的區(qū)別。由于具有良好的實(shí)時性，三維虛擬技術(shù)能夠在虛擬場景當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互。在三維動畫技術(shù)當(dāng)中，動畫的制作是沿著某種固定路線進(jìn)行制作的固定動畫，一旦制作完成，就無法進(jìn)行改變。如果需要改變演示的路徑和方式，僅僅幾分鐘的動畫還需要進(jìn)行幾天時間的制作和渲染。而三維虛擬技術(shù)則不然，它所制作的場景具有良好的可變形，用戶可以利用鍵盤、鼠標(biāo)、甚至數(shù)據(jù)手套等相關(guān)的交互設(shè)備，對虛擬三維空間進(jìn)行親身的體驗(yàn)，感受步移景異、身臨其境的體驗(yàn)，其雙向互動的功能十分良好。

（三）三維建模

在三維建模的過程當(dāng)中，三維動畫對模型的視覺效果、光照、美觀等方面的要求比較高，因此在模型建立過程中，需要仔細(xì)的刻畫更多的細(xì)節(jié)之處。而三維虛擬技術(shù)注重的是操縱和控制場景或場景中的物體。相比于三維動畫，三維虛擬建立的模型細(xì)節(jié)之處通常比較少，這樣能夠使繪制速度得到提升，同時一能夠降低滯后時間的影響。因此，對于需要根據(jù)用戶的具體輸入，對物體的狀態(tài)和場景的改變進(jìn)行實(shí)時的控制的應(yīng)用來說，三維虛擬技術(shù)建模是最為合適的。例如，用戶可以根據(jù)輸入相應(yīng)的命令，實(shí)現(xiàn)在街道、校園、旅游景點(diǎn)等地的游覽。或是對事故現(xiàn)場進(jìn)行模擬，通過人們的實(shí)際行為和動態(tài)，對事故發(fā)生的過程進(jìn)行顯示。還可以對油田油水井的井下作業(yè)過程進(jìn)行模擬，根據(jù)給定的相關(guān)參數(shù)，對作業(yè)過程進(jìn)行實(shí)施。如果給出不同的參數(shù)，那么具體的方案也會不同，作業(yè)的過程就會發(fā)生相應(yīng)的變化。

結(jié)論

三維動畫技術(shù)和三維虛擬技術(shù)是當(dāng)前三維圖形技術(shù)當(dāng)中最為重要的兩個部分，在很多領(lǐng)域中都具有十分廣泛的應(yīng)用。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，這兩項(xiàng)技術(shù)都擁有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)。在不同領(lǐng)域當(dāng)中，能夠發(fā)揮不同的作用。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)兩種技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需要，選擇最為適當(dāng)?shù)募夹g(shù)進(jìn)行應(yīng)用。

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作者簡介：邱建英（1982—），女，漢族，湖南益陽市人，碩士，講師，主要研究方向：計算機(jī)應(yīng)用、交互式媒體技術(shù)、多媒體技術(shù)。