虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維動(dòng)畫場(chǎng)景中的運(yùn)用研究

袁泓洋

（墨爾本大學(xué),澳大利亞墨爾本 VIC 3010）

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)與三維動(dòng)畫場(chǎng)景的優(yōu)勢(shì)

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR技術(shù)）是建立在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)之上，借助虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡（VR眼鏡）、虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)（VR耳機(jī)）等設(shè)備，利用物理空間與投影設(shè)備相結(jié)合的方式，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感知體驗(yàn)的一種技術(shù)。它是一種特殊的呈現(xiàn)形式，將虛擬的物體運(yùn)用在大腦結(jié)構(gòu)中，刺激用戶的多種感官，從而引導(dǎo)用戶進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)世界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要有以下三種特點(diǎn)：

（1）沉浸性（Immersion），又叫作臨場(chǎng)感。用戶使用專用設(shè)備，將自身沉浸于虛擬環(huán)境之中。如同真實(shí)世界一樣，用戶能使用語言、肢體動(dòng)作等方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交流。多感知性是影響沉浸性的主要因素，理想的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該具有人類所具有的所有感知功能，因此用戶在虛擬環(huán)境中獲得的感官刺激越多，沉浸感就會(huì)越強(qiáng)。VR眼鏡就很好地利用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的沉浸性特點(diǎn)，用戶透過VR眼鏡，輔之以立體音效，讓用戶覺得電影的一切都是在自己身邊發(fā)生的，能夠產(chǎn)生真實(shí)的觀影體驗(yàn)。

（2）交互性（Interaction），是指借助專用的交互設(shè)備，與虛擬環(huán)境之間以自然的方式進(jìn)行交互。用戶可以對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)的物體進(jìn)行操作，同時(shí)也會(huì)得到環(huán)境的自然反應(yīng)。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，當(dāng)用戶在虛擬環(huán)境中看到了一個(gè)足球，在用腳踢球的過程中，可以感受到腳與球的接觸以及球的滾動(dòng)，這樣一種交互行為也從側(cè)面增強(qiáng)了用戶的沉浸感。交互性如今也被運(yùn)用在許多方面，在藝術(shù)設(shè)計(jì)過程中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性有助于學(xué)生真實(shí)感知藝術(shù)設(shè)計(jì)的變化過程，通過立體眼鏡可以觀察三維空間動(dòng)態(tài)；VR手套可以完成抓取、移動(dòng)等操作；頭盔顯示器可以實(shí)現(xiàn)空間自由行走移動(dòng)等。

（3）構(gòu)想性（Imagination），該特點(diǎn)體現(xiàn)了人類的想象力。用戶可以在虛擬環(huán)境中模擬一件未發(fā)生事件的多種可能性。例如，建筑師可以將自己設(shè)計(jì)的不同建筑模型投放在模擬的環(huán)境中，通過對(duì)比挑選出最適宜的設(shè)計(jì)。不僅如此，有些在現(xiàn)實(shí)中不存在的事物，也可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將其呈現(xiàn)出來，例如滅絕的動(dòng)物、龍的形象等，都可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行構(gòu)造和展現(xiàn)。

2. 三維動(dòng)畫場(chǎng)景的優(yōu)勢(shì)

（1）三維動(dòng)畫場(chǎng)景是利用三維電腦軟件模型所搭建的，攝像機(jī)在三維場(chǎng)景模型中可以實(shí)現(xiàn)直接穿插，拍攝預(yù)覽動(dòng)畫，能夠輕松實(shí)現(xiàn)鏡頭的組接、推、拉等操作，以此來解決鏡頭的單調(diào)性問題。

（2）三維場(chǎng)景在制作過程中會(huì)用到四視圖，能夠精準(zhǔn)還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，因此三維動(dòng)畫場(chǎng)景能夠設(shè)計(jì)一些宏觀場(chǎng)面或精致度較高的畫面，拓展傳統(tǒng)動(dòng)畫的設(shè)計(jì)思路以及觀者的視覺享受。

（3）制作三維動(dòng)畫場(chǎng)景的軟件都會(huì)自帶動(dòng)畫設(shè)置，可以增加場(chǎng)景的真實(shí)性與生動(dòng)性，化解場(chǎng)景如背景的尷尬。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫場(chǎng)景的共同訴求

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫場(chǎng)景存在著共同的訴求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用相關(guān)軟件形成三維動(dòng)畫效果，在虛擬世界中呈現(xiàn)出理想化的世界；三維動(dòng)畫場(chǎng)景則是依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)所預(yù)先處理好的，用戶接受設(shè)計(jì)者在場(chǎng)景中所傳達(dá)的信息，通過動(dòng)畫色彩、光線以及鏡頭處理等方式，為觀眾呈現(xiàn)出特定的空間環(huán)境。這種特定的空間，常常具有某些理想化色彩。兩者的最終目的，都是為用戶提供一個(gè)理想化的、具有沉浸感的虛擬世界。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維動(dòng)畫場(chǎng)景中的案例分析

1.三維動(dòng)畫場(chǎng)景的主要使用范疇

隨著網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維動(dòng)畫場(chǎng)景在醫(yī)療、建筑、影視等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

（1）醫(yī)療領(lǐng)域

醫(yī)療行業(yè)由于它的嚴(yán)謹(jǐn)性和微觀性，當(dāng)一些病灶在人體內(nèi)部發(fā)生時(shí)，醫(yī)療工作者是無法通過肉眼判斷病情狀態(tài)的。三維動(dòng)畫場(chǎng)景的搭建則幫助醫(yī)療行業(yè)解決了這個(gè)難題，通過模擬人體內(nèi)部的場(chǎng)景，將人體細(xì)胞、病理演示出來，從而使醫(yī)療工作者找到方法進(jìn)行分析治療。

教師在設(shè)計(jì)力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要簡(jiǎn)潔，因?yàn)樵谡n堂上做演示實(shí)驗(yàn)的目的就是為了更好地讓學(xué)生理解、掌握物理知識(shí)，而不是把原本簡(jiǎn)單的概念復(fù)雜化，教師在設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定要考慮學(xué)生的學(xué)情，設(shè)計(jì)出來的實(shí)驗(yàn)要滿足當(dāng)前課堂的需要，也要讓學(xué)生能夠?qū)ζ溥M(jìn)行一定程度上的分析。在設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意這一演示實(shí)驗(yàn)理論與實(shí)際應(yīng)無差異，切忌紙上談兵。

（2）建筑領(lǐng)域

傳統(tǒng)的建筑表達(dá)方式是在規(guī)劃圖上標(biāo)上特定的符號(hào)來展示道路、橋梁等內(nèi)容，但是這些符號(hào)并不具有立體性，會(huì)導(dǎo)致建筑師在建設(shè)過程中出現(xiàn)偏差。利用三維動(dòng)畫所搭建的城市規(guī)劃，景觀，隧道、街景及公園等場(chǎng)景都可以被生動(dòng)形象地展示出來。通過三維動(dòng)畫場(chǎng)景圖，能夠更加精確地傳達(dá)規(guī)劃思想。與此同時(shí)，三維動(dòng)畫場(chǎng)景還能更好地推廣古建筑文化，應(yīng)用該技術(shù)能幫助人們修復(fù)破損的古建筑，讓人們完整地領(lǐng)略古建筑的韻味和歷史。

（3）影視領(lǐng)域

文娛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展蒸蒸日上，影視方所嘗試的影片類型也越來越多，例如科幻片、修仙片等。片中不可避免會(huì)遇到一些現(xiàn)實(shí)中不可能完成的鏡頭或者是實(shí)拍成本過高的場(chǎng)景，將三維動(dòng)畫場(chǎng)景運(yùn)用到該領(lǐng)域，可以將影視方所要表達(dá)的內(nèi)容進(jìn)行精準(zhǔn)地展現(xiàn)，制作的場(chǎng)景效果可以使觀者身臨其境，提高了畫面的表現(xiàn)形式。

近年來，制作三維動(dòng)畫場(chǎng)景的軟件水平逐漸改善提升，創(chuàng)作手法向著創(chuàng)新、多元化發(fā)展，該技術(shù)的應(yīng)用范圍也將涉及更多行業(yè)領(lǐng)域。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維動(dòng)畫場(chǎng)景中的運(yùn)用分析

（1）虛擬醫(yī)療系統(tǒng)的推廣應(yīng)用

醫(yī)療領(lǐng)域中，虛擬醫(yī)療系統(tǒng)已經(jīng)成為醫(yī)療工作者進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練的方式之一。虛擬醫(yī)療系統(tǒng)由3D成像系統(tǒng)和機(jī)械臂組成。醫(yī)生在使用虛擬醫(yī)療系統(tǒng)時(shí)，戴上3D眼鏡，握住機(jī)械臂，就可以模擬進(jìn)行人體手術(shù)，根據(jù)手術(shù)的不同要求，醫(yī)生可將機(jī)械臂在轉(zhuǎn)換成不同的工具，例如手術(shù)刀、鉗子等。該系統(tǒng)不僅能提供病人的三維圖像，還能模擬出觸感，讓醫(yī)生感覺自己是在給真正的病人進(jìn)行手術(shù)。醫(yī)生通過在系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)的練習(xí)，進(jìn)行術(shù)前彩排，提高手術(shù)的成功率。

近幾年，房地產(chǎn)事業(yè)興起，房產(chǎn)商為了宣傳和推廣，增加銷量，開始采用交互式動(dòng)畫來向客戶展示房產(chǎn)的面貌?？蛻艨梢栽跀?shù)字樓盤中看到仿真的小區(qū)全景及心儀的房屋內(nèi)的各類設(shè)施，并可以在樓盤中任意選擇角度進(jìn)行觀看，給客戶帶來了交互感和沉浸感。新穎的看房方式吸引了大量的顧客，給房地產(chǎn)事業(yè)做出了重要的貢獻(xiàn)。

（3）傳統(tǒng)戲曲表演的重生

戲曲作為一種中國傳統(tǒng)的戲劇模式，也在積極尋找新方式進(jìn)行文化的傳承與創(chuàng)新。2018年，江蘇大劇院展示了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作的戲曲《牡丹亭》，表演者穿梭于流動(dòng)的水墨之間，給觀眾一種沉浸式的體驗(yàn)，演員也得以跳脫出舞臺(tái)的禁錮，與觀眾實(shí)現(xiàn)近距離、全方位的互動(dòng)。傳統(tǒng)戲曲與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的碰撞，不僅堅(jiān)守住其文化內(nèi)核，也積極吸納新技術(shù)為未來的創(chuàng)新與發(fā)展添磚加瓦。

除了以上提到的案例，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫場(chǎng)景的結(jié)合運(yùn)用還體現(xiàn)在工程操作訓(xùn)練、航空演練等一些教育教學(xué)領(lǐng)域，為教育教學(xué)的發(fā)展提供了便利。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維動(dòng)畫場(chǎng)景中運(yùn)用的現(xiàn)實(shí)意義

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

未來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)遵循著低成本、高性能的發(fā)展原則，從硬件和軟件方面進(jìn)行技術(shù)的提升。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展方向會(huì)逐漸趨向更加實(shí)時(shí)的三維圖像顯示技術(shù)和更加智能化的交互設(shè)備。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）也在積極探尋與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）結(jié)合的3R技術(shù)，將技術(shù)進(jìn)行深度融合，使人機(jī)交互更加自然。

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用范疇方面，將逐步拓展到與用戶生活更加貼切的公共服務(wù)行業(yè)。將此技術(shù)應(yīng)用于日常交流、學(xué)習(xí)等各個(gè)方面，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛運(yùn)用成為可能。

2.三維動(dòng)畫場(chǎng)景使用范疇的延伸

三維動(dòng)畫場(chǎng)景目前還在建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域都有了自己的一席之地，同時(shí)也在文化領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)揮作用，例如數(shù)字博物館、線上數(shù)字展覽、情景還原等。數(shù)字博物館利用多種多樣的表現(xiàn)形式，將展品進(jìn)行無限復(fù)制，從而延長文物的壽命，減少損壞或遺失的問題，人們也可以與文物進(jìn)行近距離接觸，從而更加了解歷史；線上藝術(shù)展覽可以省去場(chǎng)地、產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)葧r(shí)間和成本，解決了時(shí)間和場(chǎng)地的限制。例如：2020年一場(chǎng)突如其來的疫情，使得全國很多高校的畢業(yè)設(shè)計(jì)匯報(bào)展由線下轉(zhuǎn)移到了線上。作品展出不但沒有受到時(shí)間和空間的限制，而且還獲得了意想不到的好評(píng)；用三維動(dòng)畫場(chǎng)景技術(shù)還原一些歷史場(chǎng)景，可以幫助歷史學(xué)家及大眾更好地走進(jìn)歷史、了解歷史?？梢?，此技術(shù)日后還會(huì)運(yùn)用在更多的領(lǐng)域，其快速的發(fā)展也是順應(yīng)了社會(huì)科技文化發(fā)展的需求。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫場(chǎng)景結(jié)合的可行性

主觀上講，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維動(dòng)畫場(chǎng)景都是基于計(jì)算機(jī)程序所進(jìn)行的技術(shù)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)實(shí)融合的代表。三維動(dòng)畫場(chǎng)景技術(shù)以建立仿真的場(chǎng)景為主，虛擬現(xiàn)實(shí)則是更加注重用戶多樣的體驗(yàn)角度、與虛擬環(huán)境之間的交互活動(dòng)。將虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)用到三維動(dòng)畫場(chǎng)景中，既可以保持兩者的特性，又可以互相彌補(bǔ)，相互推進(jìn)，讓科技更好地融入社會(huì)實(shí)踐中。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要制作軟件是MAYA軟件、3ds Max軟件等，制作三維動(dòng)畫場(chǎng)景也主要用到MAYA、3ds Max等軟件，因此在軟件方面，兩者的契合度很高。在硬件方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要通過虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡、虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)等外部設(shè)備進(jìn)行技術(shù)的實(shí)現(xiàn)；而三維動(dòng)畫場(chǎng)景的硬件設(shè)備適配性很高，可以輕松嫁接到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的硬件設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合。所以從客觀上講，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到三維動(dòng)畫場(chǎng)景中也是毫無障礙。

四、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門可以給人類帶來諸多益處的新興技術(shù)，其交互性強(qiáng)，可以幫助用戶沉浸于虛擬環(huán)境之中。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用在三維動(dòng)畫場(chǎng)景設(shè)計(jì)中，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可以幫助不同領(lǐng)域的工作人員從多角度觀察，從而得出最佳方案，同時(shí)也助力三維動(dòng)畫場(chǎng)景設(shè)計(jì)朝著全面化、精細(xì)化的方向發(fā)展。