劉澤國

摘 ? 要：三維圖形技術在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中有著廣泛的應用，為進一步了解該技術構成，本文對其中最關鍵的兩個分支——三維動畫技術和三維虛擬技術進行分析。重點關注三維動畫技術與三維虛擬技術的技術原理與系統(tǒng)開發(fā)過程，總結三維圖形技術的理論經(jīng)驗，供相關人員借鑒參考。

關鍵詞：三維動畫技術 ?三維虛擬技術 ?技術原理

中圖分類號：TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0126-02

三維圖形在二維圖形的基礎上，更加直觀、清晰、立體的展示事物細節(jié)，可容納更豐富的圖形信息。三維動畫技術與三維虛擬技術是三維圖形技術的兩大基本構成，二者的技術原理、開發(fā)方法不同，相應的應用范圍和適用場景也存在明顯的區(qū)別。為更好認識三維圖形技術，需要對二者進行對比分析。

1 ?三維動畫技術與三維虛擬技術理論分析

1.1 技術原理分析

1.1.1 三維動畫技術

三維動畫技術可被分為四個流程，即建模、動畫、繪圖和輸出。其中，建模指的是在專門的計算機軟件中構建物體的三維模型，確定其形狀和位置。建模過程為：（1）繪制基本幾何圖形，對其進行調(diào)整和修改，得到所需的形狀，通過組合拼接，形成結構更加復雜的立體模型。（2）完成物體模型設計后，確定其所在位置，以形成完整的動畫場景。動畫指的是將靜態(tài)的立體模型轉化為會動的模型，制作過程中，先對關鍵幀進行定義，然后完成每一幀畫面的繪制。整個過程涉及到大量的繪圖操作，因此三維動畫設計人員必須具備較強的繪畫能力，使每一畫面盡量細致、真實。然后按照既定的順序將這些畫面組合播放，形成連續(xù)的動畫場景。在畫面中完善中間幀，使得動畫中物體的運動更加流暢和連貫。中間幀的制作可由計算機自動完成，極大減輕了設計人員的工作壓力。繪圖階段是對動畫的進一步完善，從美學的角度出發(fā)，繪制貼圖、光影等細節(jié)元素，使動畫更加優(yōu)美、逼真。輸出是三維動畫技術應用的最后一個環(huán)節(jié)，計算機軟件能夠自動完成大量畫面的銜接和輸出，得到的動畫文件可供直接觀看。

1.1.2 三維虛擬技術

三維虛擬技術包括實時顯示技術和交互技術兩部分。三維虛擬技術的應用關鍵點就在于如何實現(xiàn)虛擬場景的顯示。為有效提高幾何圖形的生成速度，圖形的刷新頻率應保證在15幀/s以上，而光線、陰影、質(zhì)感、結構等均會影響其刷新頻率[1]。因此在制作三維虛擬場景時，需要通過一定的技術手段，對場景的復雜程度進行控制。常用的技術包括場景分塊、可見消隱和細節(jié)層次管理技術。以場景分塊為例。該技術通過將一個復雜的場景劃分成多個相互獨立的子場景，當處于某個場景時，無法觀測到其他場景的情況。場景分塊能夠有效減少同一時刻中需要顯示多邊形的數(shù)量，進而對場景的復雜程度進行控制。

交互技術實現(xiàn)用戶與虛擬場景間的互動，用戶動作通過輸入工具被傳輸?shù)教摂M場景中，引發(fā)其變動。最常用的輸入工具為鼠標，而直接檢測用戶手勢并能完成場景變化的技術也已經(jīng)實現(xiàn)。依照輸入工具不同，可將交互技術分為直接交互技術、物理交互技術和虛擬交互技術。直接交互即直接將用戶的手勢映射到虛擬場景中，完成人機交互過程。物理交互即通過鼠標、鍵盤、操縱桿等工具完成指令映射。而虛擬交互技術雖然具備更高的靈活性，但由于缺少力的反饋，因此對虛擬物體的控制難度較大。

為確保三維虛擬場景的真實性，需要對用戶在虛擬場景中的動作進行限制，以達到與真實世界中運動相類似的效果。該過程一般通過碰撞檢驗來完成，通過碰撞檢驗，避免虛擬場景中出現(xiàn)多個運動中物體相融合的情況。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)分析

1.2.1 三維動畫技術

目前主流的三維動畫應用系統(tǒng)開發(fā)平臺為3D Studio Max。在3DS Max平臺中完成三維動畫場景中物體模型的繪制，再對多個模型進行拼接重組，然后添加光影、質(zhì)感等效果插件，使得整個物體視覺效果更佳逼真和生動。3DS Max平臺帶有自動渲染功能，通過相關參數(shù)的調(diào)節(jié)，即可完成動畫制作并輸出。例如，某物體的關鍵幀被設置為5個，系統(tǒng)對5幅圖形進行排序，產(chǎn)生連貫的動畫視頻。在播放動畫產(chǎn)品時，就可觀測到連續(xù)的物體運動狀態(tài)。物體在每一個方向上的運動都需要重新制作動畫文件，常規(guī)的三維動畫作品往往需要大量的圖片才能組合完成。

1.2.2 三維虛擬技術

常用的三維虛擬技術系統(tǒng)開發(fā)平臺為MultiGen+OpenGVS，該平臺可高效完成三維場景數(shù)據(jù)庫的建立。當系統(tǒng)界面顯示三維模型時，數(shù)據(jù)庫同步進行各項參數(shù)調(diào)節(jié)方式的存儲，以方便后期使用。使用MultiGen+OpenGVS平臺開發(fā)三維場景管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中信息的直接讀取。將三維模型顯示在系統(tǒng)窗口，并通過幾何變換，模擬物體的各項操作動作，如平移、旋轉等。這些動作指令通過系統(tǒng)編程來實現(xiàn)，而不涉及到三維動畫技術中對關鍵幀的繪制。結合數(shù)據(jù)庫和編程技術，想要增加物體動作指令也相對簡單，只要在原本三維模型的基礎上添加與動作相對應的代碼即可。

2 ?三維動畫技術與三維虛擬技術關系總結

2.1 靈活性

靈活性方面，三維虛擬技術高于三維動畫技術。三維動畫產(chǎn)品在制作過程中，其時間、流程、畫面已固定存在，當用戶在使用三維動畫時，其時間、流程等不會因用戶的需求而改變。但在三維虛擬技術中，不存在時間的限制，可更加真實、實時的展示物體。同時，三維虛擬技術能夠實現(xiàn)用戶與虛擬產(chǎn)品間的實時互動，用戶任意切換操作，虛擬產(chǎn)品可給出相應的反饋。

2.2 實時性

實時性方面，三維虛擬技術高于三維動畫技術。實時性也是區(qū)別三維虛擬技術與三維動畫技術的最主要指標。因為實時性的特點，三維虛擬技術所模擬出的場景可供實現(xiàn)人機交互，且這種虛擬場景具備良好的縱深性，通過鍵盤、鼠標及其他控制工具，用戶能夠在場景中開展虛擬動作，帶來身臨其境的感受，人機互動性及用戶體驗感更強[2]。而在三維動畫技術中，被設計、制作成型的動畫產(chǎn)品無法依照用戶的意愿而修改。若想要改變動畫的內(nèi)容、路徑、時間節(jié)點等，無異于重新進行三維動畫制作，短短幾分鐘的動畫需要耗費幾天的時間進行修改和制作。

2.3 細致性

細致性方面，三維動畫技術高于三維虛擬技術。三維動畫技術對動畫產(chǎn)生的視覺效果要求非常高，甚至動畫中的光影變化都經(jīng)過精心的設計與制作，以盡可能展示、還原物體細節(jié)。而三維虛擬技術更重視用戶體驗感的滿足，講求虛擬場景的可操縱性和變化性。相比之下，其場景中呈現(xiàn)的細節(jié)有限。弱化細節(jié)呈現(xiàn)也有利于提高三維虛擬技術的靈敏性，降低虛擬場景制作時長并降低時滯。當用戶的主觀控制意愿較強時，三維虛擬技術更加適用。例如，對工程建設過程中某一項高危作業(yè)的實施過程進行模擬，以檢驗作業(yè)方案的合理性并輔助相關人員掌握作業(yè)的操作流程和要求。

如此看來，三維動畫技術與三維虛擬技術各有優(yōu)勢，在應用過程中，需結合用戶需求及產(chǎn)品設計目的進行選擇。

3 ?結語

三維動畫技術與三維虛擬技術的應用范圍及深度不斷增加，二者雖然各有優(yōu)缺點，但在相適應的應用場景中均可發(fā)揮出極高的作用價值。在實踐工程中，應客觀認識三維動畫技術與三維虛擬技術的特點和作用，根據(jù)實際需求進行選擇，促進三維圖形技術體系的擴張和發(fā)展，并以此為基礎研發(fā)更高性能的虛擬技術。

參考文獻

[1] 屠彬輝.關于三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術的理論探析[J].傳播力研究，2019，3（9）：248.

[2] 鄧國軍.淺析三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術[J].計算機產(chǎn)品與流通，2017（12）：145.