对三维动画技术与三维虚拟技术的探讨
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作者:刘泽国
摘 要：三维图形技术在现代生产生活中有着广泛的应用，为进一步了解该技术构成，本文对其中最关键的两个分支——三维动画技术和三维虚拟技术进行分析。重点关注三维动画技术与三维虚拟技术的技术原理与系统开发过程，总结三维图形技术的理论经验，供相关人员借鉴参考。
关键词：三维动画技术 三维虚拟技术 技术原理
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0126-02
三维图形在二维图形的基础上，更加直观、清晰、立体的展示事物细节，可容纳更丰富的图形信息。三维动画技术与三维虚拟技术是三维图形技术的两大基本构成，二者的技术原理、开发方法不同，相应的应用范围和适用场景也存在明显的区别。为更好认识三维图形技术，需要对二者进行对比分析。
1 三维动画技术与三维虚拟技术理论分析
1.1 技术原理分析
1.1.1 三维动画技术
三维动画技术可被分为四个流程，即建模、动画、绘图和输出。其中，建模指的是在专门的计算机软件中构建物体的三维模型，确定其形状和位置。建模过程为：（1）绘制基本几何图形，对其进行调整和修改，得到所需的形状，通过组合拼接，形成结构更加复杂的立体模型。（2）完成物体模型设计后，确定其所在位置，以形成完整的动画场景。动画指的是将静态的立体模型转化为会动的模型，制作过程中，先对关键帧进行定义，然后完成每一帧画面的绘制。整个过程涉及到大量的绘图操作，因此三维动画设计人员必须具备较强的绘画能力，使每一画面尽量细致、真实。然后按照既定的顺序将这些画面组合播放，形成连续的动画场景。在画面中完善中间帧，使得动画中物体的运动更加流畅和连贯。中间帧的制作可由计算机自动完成，极大减轻了设计人员的工作压力。绘图阶段是对动画的进一步完善，从美学的角度出发，绘制贴图、光影等细节元素，使动画更加优美、逼真。输出是三维动画技术应用的最后一个环节，计算机软件能够自动完成大量画面的衔接和输出，得到的动画文件可供直接观看。
1.1.2 三维虚拟技术
三维虚拟技术包括实时显示技术和交互技术两部分。三维虚拟技术的应用关键点就在于如何实现虚拟场景的显示。为有效提高几何图形的生成速度，图形的刷新频率应保证在15帧/s以上，而光线、阴影、质感、结构等均会影响其刷新频率[1]。因此在制作三维虚拟场景时，需要通过一定的技术手段，对场景的复杂程度进行控制。常用的技术包括场景分块、可见消隐和细节层次管理技术。以场景分块为例。该技术通过将一个复杂的场景划分成多个相互独立的子场景，当处于某个场景时，无法观测到其他场景的情况。场景分块能够有效减少同一时刻中需要显示多边形的数量，进而对场景的复杂程度进行控制。
交互技术实现用户与虚拟场景间的互动，用户动作通过输入工具被传输到虚拟场景中，引发其变动。最常用的输入工具为鼠标，而直接检测用户手势并能完成场景变化的技术也已经实现。依照输入工具不同，可将交互技术分为直接交互技术、物理交互技术和虚拟交互技术。直接交互即直接将用户的手势映射到虚拟场景中，完成人机交互过程。物理交互即通过鼠标、键盘、操纵杆等工具完成指令映射。而虚拟交互技术虽然具备更高的灵活性，但由于缺少力的反馈，因此对虚拟物体的控制难度较大。
为确保三维虚拟场景的真实性，需要对用户在虚拟场景中的动作进行限制，以达到与真实世界中运动相类似的效果。该过程一般通过碰撞检验来完成，通过碰撞检验，避免虚拟场景中出现多个运动中物体相融合的情况。
1.2 系统开发分析
1.2.1 三维动画技术
目前主流的三维动画应用系统开发平台为3D Studio Max。在3DS Max平台中完成三维动画场景中物体模型的绘制，再对多个模型进行拼接重组，然后添加光影、质感等效果插件，使得整个物体视觉效果更佳逼真和生动。3DS Max平台带有自动渲染功能，通过相关参数的调节，即可完成动画制作并输出。例如，某物体的关键帧被设置为5个，系统对5幅图形进行排序，产生连贯的动画视频。在播放动画产品时，就可观测到连续的物体运动状态。物体在每一个方向上的运动都需要重新制作动画文件，常規的三维动画作品往往需要大量的图片才能组合完成。
1.2.2 三维虚拟技术
常用的三维虚拟技术系统开发平台为MultiGen+OpenGVS，该平台可高效完成三维场景数据库的建立。当系统界面显示三维模型时，数据库同步进行各项参数调节方式的存储，以方便后期使用。使用MultiGen+OpenGVS平台开发三维场景管理系统，实现对数据库中信息的直接读取。将三维模型显示在系统窗口，并通过几何变换，模拟物体的各项操作动作，如平移、旋转等。这些动作指令通过系统编程来实现，而不涉及到三维动画技术中对关键帧的绘制。结合数据库和编程技术，想要增加物体动作指令也相对简单，只要在原本三维模型的基础上添加与动作相对应的代码即可。
2 三维动画技术与三维虚拟技术关系总结
2.1 灵活性
灵活性方面，三维虚拟技术高于三维动画技术。三维动画产品在制作过程中，其时间、流程、画面已固定存在，当用户在使用三维动画时，其时间、流程等不会因用户的需求而改变。但在三维虚拟技术中，不存在时间的限制，可更加真实、实时的展示物体。同时，三维虚拟技术能够实现用户与虚拟产品间的实时互动，用户任意切换操作，虚拟产品可给出相应的反馈。
2.2 实时性
实时性方面，三维虚拟技术高于三维动画技术。实时性也是区别三维虚拟技术与三维动画技术的最主要指标。因为实时性的特点，三维虚拟技术所模拟出的场景可供实现人机交互，且这种虚拟场景具备良好的纵深性，通过键盘、鼠标及其他控制工具，用户能够在场景中开展虚拟动作，带来身临其境的感受，人机互动性及用户体验感更强[2]。而在三维动画技术中，被设计、制作成型的动画产品无法依照用户的意愿而修改。若想要改变动画的内容、路径、时间节点等，无异于重新进行三维动画制作，短短几分钟的动画需要耗费几天的时间进行修改和制作。
2.3 细致性
细致性方面，三维动画技术高于三维虚拟技术。三维动画技术对动画产生的视觉效果要求非常高，甚至动画中的光影变化都经过精心的设计与制作，以尽可能展示、还原物体细节。而三维虚拟技术更重视用户体验感的满足，讲求虚拟场景的可操纵性和变化性。相比之下，其场景中呈现的细节有限。弱化细节呈现也有利于提高三维虚拟技术的灵敏性，降低虚拟场景制作时长并降低时滞。当用户的主观控制意愿较强时，三维虚拟技术更加适用。例如，对工程建设过程中某一项高危作业的实施过程进行模拟，以检验作业方案的合理性并辅助相关人员掌握作业的操作流程和要求。
如此看来，三维动画技术与三维虚拟技术各有优势，在应用过程中，需结合用户需求及产品设计目的进行选择。
3 结语
三维动画技术与三维虚拟技术的应用范围及深度不断增加，二者虽然各有优缺点，但在相适应的应用场景中均可发挥出极高的作用价值。在实践工程中，应客观认识三维动画技术与三维虚拟技术的特点和作用，根据实际需求进行选择，促进三维图形技术体系的扩张和发展，并以此为基础研发更高性能的虚拟技术。
参考文献
[1] 屠彬辉.关于三维动画与虚拟现实技术的理论探析[J].传播力研究，2019，3（9）：248.
[2] 邓国军.浅析三维动画与虚拟现实技术[J].计算机产品与流通，2017（12）：145.
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