■文/高立偉

淺析三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)

■文/高立偉

近年來與計算機圖形學(xué)(CG，Computer Graphics)技術(shù)相關(guān)的軟硬件取得突破性發(fā)展，計算機三維技術(shù)日趨完善，計算機圖形學(xué)的應(yīng)用能夠利用大量虛擬三維物體來對復(fù)雜信息進(jìn)行表示，利用三維技術(shù)再現(xiàn)真實世界，三維動畫以及虛擬現(xiàn)實(VR，Virtual Reality)技術(shù)都是在三維圖形學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，這使得我們的生活更加豐富。本文主要針對三維動畫技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論進(jìn)行研究。

三維動畫；虛擬現(xiàn)實；計算機圖形技術(shù)

人類是生活在三維世界中的，這個世界所有的物體都是三維的，三維動畫技術(shù)在三維圖形學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，后來又發(fā)展出虛擬現(xiàn)實技術(shù)，這些技術(shù)的發(fā)展豐富了人們再現(xiàn)真實世界的手段，同時也使生活變得豐富多彩。三維圖形技術(shù)利用計算機軟件進(jìn)行創(chuàng)作，設(shè)計者擁有較大的創(chuàng)作自由度，能夠?qū)ψ约旱脑O(shè)想進(jìn)行更大限度的發(fā)揮，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在三維圖形技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合硬件設(shè)備和傳感技術(shù)、多媒體等技術(shù)實現(xiàn)一個虛擬世界，本文主要針對三維動畫技術(shù)及虛擬技術(shù)及二者的聯(lián)系進(jìn)行分析與論述。

1.三維動畫技術(shù)

三維動畫是伴隨計算機技術(shù)發(fā)展而來的一種新興技術(shù)，它的發(fā)展得益于計算機軟硬件的飛速進(jìn)步。三維動畫制作的過程其實是一個在計算機中利用三維軟件建立虛擬世界的過程。技術(shù)人員在三維虛擬世界中可以按照要求建立場景和角色的模型，并給模型附上特定的材質(zhì)和燈光效果，完成之后根據(jù)需要制作角色模型動作、設(shè)定運動軌跡以及攝像機運動和其他動畫參數(shù)。當(dāng)完成全套流程之后計算機會進(jìn)入渲染階段，自動運算，生成輸出畫面。

三維動畫能夠精確模仿和再現(xiàn)真實事物，而且隨著計算機軟硬件水平的提高，其操作性幾乎是無限的，因而已經(jīng)在軍事、醫(yī)學(xué)、教育、娛樂等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。尤其在影視方面，由于其在特效制作上有較強的可操作性和成本優(yōu)勢，廣告和影視作品中的爆炸、雷電、輝光以及災(zāi)難場面等實景拍攝較為困難的鏡頭已經(jīng)大部分使用三維動畫制作。

三維動畫通過計算機實現(xiàn)，利用軟件制作數(shù)字虛擬角色的動畫，并通過電視、電影、游戲等不同媒體表現(xiàn)出來，在這個虛擬世界中動畫師控制角色的形態(tài)動作、環(huán)境的光線、攝像機角度等一切元素。不受客觀條件影響，具備幾乎無限的可操作性，能夠極高限度地實現(xiàn)自己的意志。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)也叫靈鏡技術(shù)，實際上是一種計算機仿真系統(tǒng)，它創(chuàng)建一個虛擬世界并提供虛擬世界的體驗。這種技術(shù)在三維動畫的基礎(chǔ)上結(jié)合傳感器和現(xiàn)代科技硬件設(shè)備為感受者提供逼真的視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺的虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實提供的體驗是身臨其境的感受，能夠?qū)崿F(xiàn)體驗者和系統(tǒng)的交互。整個系統(tǒng)是圖像處理、計算機圖形學(xué)、傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的綜合集成，體驗者可以置身虛擬環(huán)境并和虛擬環(huán)境中事物發(fā)生交互。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要特征如下。

2.1 感知多元

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的感知是多元化的，完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中一般配備有視覺、聽覺、觸覺、運動等傳感器，從而體驗者能夠從中獲得視覺、聽覺、觸覺以及運動軌跡等維度的感應(yīng)信息。體驗者通過多維度的感知體驗與人機互動，實現(xiàn)身臨其境的感覺。

2.2 交互性強

交互性強也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要特征，交互是指體驗者和系統(tǒng)之間的互動，真實世界中的人與計算機虛擬世界中的環(huán)境之間的交互。體驗者的運動和指令在虛擬世界中得到實時的反饋。這樣的交互不僅可以通過一般的鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行，部分虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中還配備VR頭盔、VR眼鏡、數(shù)據(jù)手套、關(guān)節(jié)感應(yīng)器等感應(yīng)設(shè)備，體驗者還可以通過這些硬件設(shè)備實現(xiàn)更直觀自然的交互體驗。計算機通過各種感應(yīng)設(shè)備實時監(jiān)控體驗者身體、眼睛、手指等的運動情況，將這些運動情況通過計算機運算與計算機中的虛擬環(huán)境實現(xiàn)結(jié)合，使體驗者能夠在虛擬世界中完成現(xiàn)實世界中給出的各種指令與操作。

2.3 沉浸感強

最后一個特征是建立在前兩個特征基礎(chǔ)上的，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感更強。計算機通過運算產(chǎn)生三維圖像和仿真的環(huán)境聲效，體驗者通過硬件傳感設(shè)備將自己的運動信息傳給計算機，計算機再進(jìn)行綜合運算反饋到頭盔眼鏡等輸出設(shè)備，使體驗者完全沉浸在虛擬環(huán)境之中。這樣的交互體驗符合人類視覺、聽覺、感覺方面的生理特點，從而使人類產(chǎn)生更強的沉浸感。

該技術(shù)目前在美、英等國家的發(fā)展較快，尤其在軍事和游戲領(lǐng)域已經(jīng)取得突破性成果，在我國也已經(jīng)獲得廣泛關(guān)注并有許多實驗性的研究 。

3.三維動畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)系

無論是三維動畫還是虛擬現(xiàn)實，其技術(shù)基礎(chǔ)都是三維圖形技術(shù)。區(qū)別是兩種技術(shù)在三維圖形技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的程度和方向。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是三維圖形技術(shù)與硬件傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的結(jié)合，強調(diào)沉浸感和真實感，體驗者使用交互設(shè)備與整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)互動，具備實時交互性。三維動畫技術(shù)并不直接提供交互功能，但三維動畫是虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)，為其提供視覺顯示，通過三維動畫呈現(xiàn)計算機處理后的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于游戲、建筑設(shè)計、園林設(shè)計等產(chǎn)品的虛擬交互體驗。虛擬現(xiàn)實可以不受時間、環(huán)境、角度等客觀條件影響，為體驗者提供全天候全視角的實景展示和動態(tài)體驗。三維動畫技術(shù)則可以看成是計算機三維圖形技術(shù)和藝術(shù)的結(jié)合，它是計算機圖形學(xué)、數(shù)學(xué)、美術(shù)、生物學(xué)等學(xué)科知識的綜合體。三維動畫的藝術(shù)表現(xiàn)力強，但在交互性方面存在很大的局限性。用戶只能觀看，并不能跟動畫中的內(nèi)容進(jìn)行互動，虛擬現(xiàn)實技術(shù)正好彌補三維動畫的這一缺陷，在表現(xiàn)力和交互性方面都更為突出。

其實，虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身源于人們對三維動畫技術(shù)自由交互的渴望，在形式上和三維動畫技術(shù)頗有些相似之處，某種程度上也可以將它視為三維動畫技術(shù)的替代和升級。虛擬現(xiàn)實技術(shù)和三維動畫技術(shù)的區(qū)別主要存在于三維動畫技術(shù)是照片連續(xù)播形成的動態(tài)影像，不具有任何交互性。體驗者只能單方面被動接受動畫制作者提供的信息。虛擬現(xiàn)實技術(shù)以體驗者的動態(tài)信息為基礎(chǔ)通過計算機運算實時輸出體驗者本人所需要的視覺、聽覺、觸覺等感覺信息，真正體現(xiàn)體驗者本人的意志。所以說交互性是三維動畫與虛擬現(xiàn)實的最大不同。

同時，三維動畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)之間又有著內(nèi)在的聯(lián)系，要建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，首先要利用計算機三維軟件建立虛擬世界的三維模型，這個過程跟計算機三維動畫的制作非常接近，常用的軟件也是MAYA、3Dmax等。但具體要求有所不同，現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實場景為了滿足實時性的要求。在真實性和運算速度中對真實性做出犧牲，在不影響實時動態(tài)現(xiàn)實的基礎(chǔ)上只求滿足視覺基本真實性。往往需要簡化模型，有時甚至以基本形態(tài)和框架代替復(fù)雜的物體，以減少計算機處理信息量提高運算速度。而三維動畫建模往往不求運算速度而是努力提高模型的真實度和藝術(shù)表現(xiàn)力，很多動畫角色會擁有夸張的身體比例和面部表情，有時動畫中會出現(xiàn)現(xiàn)實根本不存在的世界觀，比如外星人、宇宙飛船等。虛擬現(xiàn)實追求對現(xiàn)實的再現(xiàn)，三維動畫則追求藝術(shù)的表達(dá)。但實現(xiàn)的過程和方法具有相似性，

但在技術(shù)層面上，三維動畫為虛擬現(xiàn)實模型的建立和圖像的輸出提供了理想的方法。

4.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中國的迅速發(fā)展

近兩年以來，隨著VR設(shè)備的迅速普及，虛擬現(xiàn)實已經(jīng)不再是遠(yuǎn)離人們生活的概念。雖然，最先進(jìn)的VR硬件生產(chǎn)商是美國Facebook公司旗下的Oculus、日本索尼、韓國三星以及臺灣HTC。而且，最好的VR游戲和電影軟件是美國加利福尼亞州的公司開發(fā)的。但作為VR設(shè)備第一生產(chǎn)大國，中國已經(jīng)建成了完備的基礎(chǔ)設(shè)施，供消費者獲得VR體驗。在中國各地的主題公園、購物商場和體驗中心，消費者可以接近最好的VR設(shè)備，譬如HTC漂亮又時髦的Vive眼鏡。中國有超過10萬家網(wǎng)絡(luò)咖啡吧(internet cafés)提供VR服務(wù)，只需花費幾美元就能體驗。幾十家中國的制造商正在制造用于智能手機的廉價VR適配器。虛擬現(xiàn)實在中國的發(fā)展有得天獨厚的優(yōu)勢，而且也確實正在各個行業(yè)迅速發(fā)展起來。

2016年被稱為“虛擬現(xiàn)實元年”。這一年，虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備頻繁更新?lián)Q代，各類有關(guān)虛擬現(xiàn)實的游戲、軟件、視頻及新聞直播集中出現(xiàn)，博取了極大關(guān)注。

西方市場對VR的興趣主要集中在消費者應(yīng)用上，譬如游戲。但在中國，商業(yè)應(yīng)用才是VR市場增長的直接渠道和盈利途徑。以萬科為代表的房地產(chǎn)開放商正在利用VR技術(shù)兜售它們位于海外或者尚未建成的高價房產(chǎn)，建筑師正在利用VR技術(shù)來做設(shè)計。

中國房地產(chǎn)行業(yè)對虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品的廣泛使用，以及中國消費者對高新技術(shù)產(chǎn)品的熱心，是中國市場率先接受VR產(chǎn)品的主要原因之一。得益于房地產(chǎn)公司和其他行業(yè)對VR技術(shù)的迅速接納，中國快速成長為全球最重要的VR市場買家，可以足不出戶，卻能身臨其境般挑選全世界的待售房產(chǎn)。據(jù)高盛預(yù)測，到2025年，全球VR市場的市值將從現(xiàn)在的微乎其微飆升至600億美元，其中硬件和軟件各占一半市場份額。高盛還預(yù)測，今年，中國大陸市場的VR設(shè)備銷售額將占全球VR設(shè)備銷售額的三分之一。

另外，教育也是一個非常有潛力的領(lǐng)域。2015年，中國網(wǎng)龍軟件公司獲得廣泛關(guān)注，因為該公司以約1億美元的價格收購了英國在線教育公司Promethean World ?，F(xiàn)在，網(wǎng)龍公司正在試驗將VR軟件和硬件應(yīng)用于中國大陸的學(xué)校教育。各種形式的在線教育、網(wǎng)絡(luò)資源如雨后春筍層出不窮，傳統(tǒng)教育已經(jīng)呈現(xiàn)出互聯(lián)網(wǎng)化的明顯特點。網(wǎng)絡(luò)教育是傳統(tǒng)教育的有效延伸。而VR技術(shù)正好可以為學(xué)生提供高整合、高體驗度的知識，這也符合信息化教學(xué)的訴求。人類通過視覺獲取認(rèn)知總量八成以上的信息。通過視覺獲得的信息往往更持久、更牢固。同時VR的互動性還可以帶給學(xué)生更有趣的實踐體驗。

5.結(jié)束語

隨著計算機軟硬件的不斷發(fā)展，三維動畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)都取得了長足進(jìn)步。在影視作品以及電腦游戲中，利用三維動畫技術(shù)制作的逼真場面廣受歡迎。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠提供實時互動，形式多樣且具備多元的感知體驗。但視覺顯示內(nèi)容比起單純的三維動畫來無論是精細(xì)程度還是表現(xiàn)力都略顯簡陋。如何利用三維動畫技術(shù)實現(xiàn)更完美的虛擬現(xiàn)實輸出，達(dá)到更好的視覺體驗成了擺在我們面前的問題，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對動畫技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，也為其提供了新的輔助方法。抓住時代機遇，利用前期積累的三維動畫制作技術(shù)為虛擬現(xiàn)實提供更高效、更豐富和更有質(zhì)感的視覺內(nèi)容。

[1]任廣堯.基于三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論研究[J].神州，2015（1）.

[2]孟欣. VR技術(shù)：用虛擬場景開啟學(xué)習(xí)新模式[N].中國文化報，2016（6）.

（作者單位：山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

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1671-0134（2017）12-121-02

10.19483/j.cnki.11-4653/n.2017.01.038