■文/高立偉

淺析三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

■文/高立偉

近年來(lái)與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)三維技術(shù)日趨完善，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用能夠利用大量虛擬三維物體來(lái)對(duì)復(fù)雜信息進(jìn)行表示，利用三維技術(shù)再現(xiàn)真實(shí)世界，三維動(dòng)畫以及虛擬現(xiàn)實(shí)(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(lái)，這使得我們的生活更加豐富。本文主要針對(duì)三維動(dòng)畫技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論進(jìn)行研究。

三維動(dòng)畫；虛擬現(xiàn)實(shí)；計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)

人類是生活在三維世界中的，這個(gè)世界所有的物體都是三維的，三維動(dòng)畫技術(shù)在三維圖形學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，后來(lái)又發(fā)展出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，這些技術(shù)的發(fā)展豐富了人們?cè)佻F(xiàn)真實(shí)世界的手段，同時(shí)也使生活變得豐富多彩。三維圖形技術(shù)利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行創(chuàng)作，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬世界，本文主要針對(duì)三維動(dòng)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(dòng)畫技術(shù)

三維動(dòng)畫是伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種新興技術(shù)，它的發(fā)展得益于計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速進(jìn)步。三維動(dòng)畫制作的過(guò)程其實(shí)是一個(gè)在計(jì)算機(jī)中利用三維軟件建立虛擬世界的過(guò)程。技術(shù)人員在三維虛擬世界中可以按照要求建立場(chǎng)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(dòng)作、設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡以及攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)和其他動(dòng)畫參數(shù)。當(dāng)完成全套流程之后計(jì)算機(jī)會(huì)進(jìn)入渲染階段，自動(dòng)運(yùn)算，生成輸出畫面。

三維動(dòng)畫能夠精確模仿和再現(xiàn)真實(shí)事物，而且隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高，其操作性幾乎是無(wú)限的，因而已經(jīng)在軍事、醫(yī)學(xué)、教育、娛樂(lè)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(qiáng)的可操作性和成本優(yōu)勢(shì)，廣告和影視作品中的爆炸、雷電、輝光以及災(zāi)難場(chǎng)面等實(shí)景拍攝較為困難的鏡頭已經(jīng)大部分使用三維動(dòng)畫制作。

三維動(dòng)畫通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，利用軟件制作數(shù)字虛擬角色的動(dòng)畫，并通過(guò)電視、電影、游戲等不同媒體表現(xiàn)出來(lái)，在這個(gè)虛擬世界中動(dòng)畫師控制角色的形態(tài)動(dòng)作、環(huán)境的光線、攝像機(jī)角度等一切元素。不受客觀條件影響，具備幾乎無(wú)限的可操作性，能夠極高限度地實(shí)現(xiàn)自己的意志。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也叫靈鏡技術(shù)，實(shí)際上是一種計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它創(chuàng)建一個(gè)虛擬世界并提供虛擬世界的體驗(yàn)。這種技術(shù)在三維動(dòng)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(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)甚至嗅覺(jué)的虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)提供的體驗(yàn)是身臨其境的感受，能夠?qū)崿F(xiàn)體驗(yàn)者和系統(tǒng)的交互。整個(gè)系統(tǒng)是圖像處理、計(jì)算機(jī)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(yàn)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(shí)技術(shù)的重要特征如下。

2.1 感知多元

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的感知是多元化的，完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中一般配備有視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等傳感器，從而體驗(yàn)者能夠從中獲得視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)以及運(yùn)動(dòng)軌跡等維度的感應(yīng)信息。體驗(yàn)者通過(guò)多維度的感知體驗(yàn)與人機(jī)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)身臨其境的感覺(jué)。

2.2 交互性強(qiáng)

交互性強(qiáng)也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要特征，交互是指體驗(yàn)者和系統(tǒng)之間的互動(dòng)，真實(shí)世界中的人與計(jì)算機(jī)虛擬世界中的環(huán)境之間的交互。體驗(yàn)者的運(yùn)動(dòng)和指令在虛擬世界中得到實(shí)時(shí)的反饋。這樣的交互不僅可以通過(guò)一般的鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行，部分虛擬現(xiàn)實(shí)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(yàn)者還可以通過(guò)這些硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)更直觀自然的交互體驗(yàn)。計(jì)算機(jī)通過(guò)各種感應(yīng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控體驗(yàn)者身體、眼睛、手指等的運(yùn)動(dòng)情況，將這些運(yùn)動(dòng)情況通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算與計(jì)算機(jī)中的虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)結(jié)合，使體驗(yàn)者能夠在虛擬世界中完成現(xiàn)實(shí)世界中給出的各種指令與操作。

2.3 沉浸感強(qiáng)

最后一個(gè)特征是建立在前兩個(gè)特征基礎(chǔ)上的，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感更強(qiáng)。計(jì)算機(jī)通過(guò)運(yùn)算產(chǎn)生三維圖像和仿真的環(huán)境聲效，體驗(yàn)者通過(guò)硬件傳感設(shè)備將自己的運(yùn)動(dòng)信息傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再進(jìn)行綜合運(yùn)算反饋到頭盔眼鏡等輸出設(shè)備，使體驗(yàn)者完全沉浸在虛擬環(huán)境之中。這樣的交互體驗(yàn)符合人類視覺(jué)、聽覺(jué)、感覺(jué)方面的生理特點(diǎn)，從而使人類產(chǎn)生更強(qiáng)的沉浸感。

該技術(shù)目前在美、英等國(guó)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(guó)也已經(jīng)獲得廣泛關(guān)注并有許多實(shí)驗(yàn)性的研究 。

3.三維動(dòng)畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)系

無(wú)論是三維動(dòng)畫還是虛擬現(xiàn)實(shí)，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(shí)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(qiáng)調(diào)沉浸感和真實(shí)感，體驗(yàn)者使用交互設(shè)備與整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，具備實(shí)時(shí)交互性。三維動(dòng)畫技術(shù)并不直接提供交互功能，但三維動(dòng)畫是虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)，為其提供視覺(jué)顯示，通過(guò)三維動(dòng)畫呈現(xiàn)計(jì)算機(jī)處理后的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于游戲、建筑設(shè)計(jì)、園林設(shè)計(jì)等產(chǎn)品的虛擬交互體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)可以不受時(shí)間、環(huán)境、角度等客觀條件影響，為體驗(yàn)者提供全天候全視角的實(shí)景展示和動(dòng)態(tài)體驗(yàn)。三維動(dòng)畫技術(shù)則可以看成是計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)和藝術(shù)的結(jié)合，它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)學(xué)、美術(shù)、生物學(xué)等學(xué)科知識(shí)的綜合體。三維動(dòng)畫的藝術(shù)表現(xiàn)力強(qiáng)，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(dòng)畫中的內(nèi)容進(jìn)行互動(dòng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正好彌補(bǔ)三維動(dòng)畫的這一缺陷，在表現(xiàn)力和交互性方面都更為突出。

其實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身源于人們對(duì)三維動(dòng)畫技術(shù)自由交互的渴望，在形式上和三維動(dòng)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(dòng)畫技術(shù)的替代和升級(jí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維動(dòng)畫技術(shù)的區(qū)別主要存在于三維動(dòng)畫技術(shù)是照片連續(xù)播形成的動(dòng)態(tài)影像，不具有任何交互性。體驗(yàn)者只能單方面被動(dòng)接受動(dòng)畫制作者提供的信息。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以體驗(yàn)者的動(dòng)態(tài)信息為基礎(chǔ)通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算實(shí)時(shí)輸出體驗(yàn)者本人所需要的視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)信息，真正體現(xiàn)體驗(yàn)者本人的意志。所以說(shuō)交互性是三維動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)的最大不同。

同時(shí)，三維動(dòng)畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之間又有著內(nèi)在的聯(lián)系，要建立虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，首先要利用計(jì)算機(jī)三維軟件建立虛擬世界的三維模型，這個(gè)過(guò)程跟計(jì)算機(jī)三維動(dòng)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(shí)場(chǎng)景為了滿足實(shí)時(shí)性的要求。在真實(shí)性和運(yùn)算速度中對(duì)真實(shí)性做出犧牲，在不影響實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上只求滿足視覺(jué)基本真實(shí)性。往往需要簡(jiǎn)化模型，有時(shí)甚至以基本形態(tài)和框架代替復(fù)雜的物體，以減少計(jì)算機(jī)處理信息量提高運(yùn)算速度。而三維動(dòng)畫建模往往不求運(yùn)算速度而是努力提高模型的真實(shí)度和藝術(shù)表現(xiàn)力，很多動(dòng)畫角色會(huì)擁有夸張的身體比例和面部表情，有時(shí)動(dòng)畫中會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)實(shí)根本不存在的世界觀，比如外星人、宇宙飛船等。虛擬現(xiàn)實(shí)追求對(duì)現(xiàn)實(shí)的再現(xiàn)，三維動(dòng)畫則追求藝術(shù)的表達(dá)。但實(shí)現(xiàn)的過(guò)程和方法具有相似性，

但在技術(shù)層面上，三維動(dòng)畫為虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)在中國(guó)的迅速發(fā)展

近兩年以來(lái)，隨著VR設(shè)備的迅速普及，虛擬現(xiàn)實(shí)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(guó)Facebook公司旗下的Oculus、日本索尼、韓國(guó)三星以及臺(tái)灣HTC。而且，最好的VR游戲和電影軟件是美國(guó)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(guó)，中國(guó)已經(jīng)建成了完備的基礎(chǔ)設(shè)施，供消費(fèi)者獲得VR體驗(yàn)。在中國(guó)各地的主題公園、購(gòu)物商場(chǎng)和體驗(yàn)中心，消費(fèi)者可以接近最好的VR設(shè)備，譬如HTC漂亮又時(shí)髦的Vive眼鏡。中國(guó)有超過(guò)10萬(wàn)家網(wǎng)絡(luò)咖啡吧(internet cafés)提供VR服務(wù)，只需花費(fèi)幾美元就能體驗(yàn)。幾十家中國(guó)的制造商正在制造用于智能手機(jī)的廉價(jià)VR適配器。虛擬現(xiàn)實(shí)在中國(guó)的發(fā)展有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，而且也確實(shí)正在各個(gè)行業(yè)迅速發(fā)展起來(lái)。

2016年被稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)元年”。這一年，虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備頻繁更新?lián)Q代，各類有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)對(duì)VR的興趣主要集中在消費(fèi)者應(yīng)用上，譬如游戲。但在中國(guó)，商業(yè)應(yīng)用才是VR市場(chǎng)增長(zhǎng)的直接渠道和盈利途徑。以萬(wàn)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(jià)房產(chǎn)，建筑師正在利用VR技術(shù)來(lái)做設(shè)計(jì)。

中國(guó)房地產(chǎn)行業(yè)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的廣泛使用，以及中國(guó)消費(fèi)者對(duì)高新技術(shù)產(chǎn)品的熱心，是中國(guó)市場(chǎng)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(duì)VR技術(shù)的迅速接納，中國(guó)快速成長(zhǎng)為全球最重要的VR市場(chǎng)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(cè)，到2025年，全球VR市場(chǎng)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(chǎng)份額。高盛還預(yù)測(cè)，今年，中國(guó)大陸市場(chǎng)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(gè)非常有潛力的領(lǐng)域。2015年，中國(guó)網(wǎng)龍軟件公司獲得廣泛關(guān)注，因?yàn)樵摴疽约s1億美元的價(jià)格收購(gòu)了英國(guó)在線教育公司Promethean World ?，F(xiàn)在，網(wǎng)龍公司正在試驗(yàn)將VR軟件和硬件應(yīng)用于中國(guó)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(diǎn)。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(yàn)度的知識(shí)，這也符合信息化教學(xué)的訴求。人類通過(guò)視覺(jué)獲取認(rèn)知總量八成以上的信息。通過(guò)視覺(jué)獲得的信息往往更持久、更牢固。同時(shí)VR的互動(dòng)性還可以帶給學(xué)生更有趣的實(shí)踐體驗(yàn)。

5.結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷發(fā)展，三維動(dòng)畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。在影視作品以及電腦游戲中，利用三維動(dòng)畫技術(shù)制作的逼真場(chǎng)面廣受歡迎。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提供實(shí)時(shí)互動(dòng)，形式多樣且具備多元的感知體驗(yàn)。但視覺(jué)顯示內(nèi)容比起單純的三維動(dòng)畫來(lái)無(wú)論是精細(xì)程度還是表現(xiàn)力都略顯簡(jiǎn)陋。如何利用三維動(dòng)畫技術(shù)實(shí)現(xiàn)更完美的虛擬現(xiàn)實(shí)輸出，達(dá)到更好的視覺(jué)體驗(yàn)成了擺在我們面前的問(wèn)題，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)動(dòng)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(shí)代機(jī)遇，利用前期積累的三維動(dòng)畫制作技術(shù)為虛擬現(xiàn)實(shí)提供更高效、更豐富和更有質(zhì)感的視覺(jué)內(nèi)容。

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

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

（作者單位：山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

TP391.4

A

1671-0134（2017）12-121-02

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