基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維動(dòng)畫立體空間設(shè)計(jì)

于兵科

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，影像藝術(shù)呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢，其主流表現(xiàn)由二維平面動(dòng)畫逐漸轉(zhuǎn)向三維立體圖像[1]過渡發(fā)展，成為以動(dòng)態(tài)影像為核心，綜合性更高的影像藝術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)硬件迅速發(fā)展，對三維動(dòng)畫的創(chuàng)作約束越來越小，人們能夠?qū)⒆约盒闹兴肜迷O(shè)計(jì)軟件，繪制出三維動(dòng)畫，將其思想完整地表現(xiàn)出來[2]。三維動(dòng)畫能夠不受地點(diǎn)與時(shí)間的限制，在虛擬空間當(dāng)中表達(dá)出二維動(dòng)畫無法表達(dá)的空間立體效果，與二維畫面中的明暗對比、位置處理等技巧有很大差異，這種立體效果十分逼真，能夠在多個(gè)角度體現(xiàn)出動(dòng)畫特點(diǎn)[3]。

三維技術(shù)的影響力強(qiáng)大，它使藝術(shù)創(chuàng)作的手段得到了創(chuàng)新，解放了傳統(tǒng)思想對于動(dòng)畫設(shè)計(jì)的束縛。除藝術(shù)創(chuàng)作外，其也被應(yīng)用到科學(xué)創(chuàng)新研究領(lǐng)域內(nèi)和其他行業(yè)當(dāng)中，例如車輛行駛模擬、生物教學(xué)、室內(nèi)設(shè)計(jì)以及建筑業(yè)等領(lǐng)域。三維動(dòng)畫的制作軟件更新較快，其操作簡單方便，支持多種輸出格式。角色動(dòng)畫是三維制作中的核心，角色動(dòng)畫的制作要注意其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)作與變形。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅僅是一種技術(shù)手段，它還具有更深層次的東西。隨著智能化時(shí)代的來臨，技術(shù)的創(chuàng)新與更新?lián)Q代十分快速，但無論技術(shù)如何創(chuàng)新，都只是表達(dá)與傳遞人類思想的一種工具[4]。本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)制作當(dāng)中，使其完成人機(jī)交互，以滿足人們生活和日常工作學(xué)習(xí)的相關(guān)需求。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)

1.1 三維動(dòng)畫生成

三維動(dòng)畫是由點(diǎn)線面拼接構(gòu)成，其中，點(diǎn)是最基本的構(gòu)成元素，其坐標(biāo)可以是任何實(shí)數(shù)值[5]，利用像素點(diǎn)構(gòu)成圖像線段，其繪制過程如圖1 所示。

圖1 計(jì)算機(jī)掃描繪制過程

圖1 中，圖1a）表示理想狀態(tài)的圖像狀態(tài)，圖1b）、圖1c）表示繪圖過程，圖1d）表示所呈現(xiàn)的實(shí)際圖像狀態(tài)。工作計(jì)算機(jī)中對應(yīng)幀緩沖器與所呈現(xiàn)圖像對應(yīng)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 幀緩沖器原理

圖2 中的像素坐標(biāo)采用固定整數(shù)值，且像素具有一定大小，在像素點(diǎn)構(gòu)成直線前，需要先確定該像素坐標(biāo)值[6]。

式中：m,n代表三維動(dòng)畫圖像x軸和y軸的坐標(biāo)點(diǎn)；t表示三維動(dòng)畫場景尺度因子，且0 ≤t≤1。

使Δt滿足條件其中：

計(jì)算出Δm與Δn的數(shù)值，使me+1=me+Δm，且ne+1=ne+Δn，則獲取的像素坐標(biāo)值為( )me,ne與數(shù)值微分畫線算法在初始獲得Δm，Δn與Δt時(shí)需要進(jìn)行乘除運(yùn)算，其余部分只需要利用加法運(yùn)算即可，以便于計(jì)算機(jī)的操作處理，最終輸出值為

由于直線段是形成復(fù)雜圖形元素的基礎(chǔ)，當(dāng)每一個(gè)坐標(biāo)發(fā)生±1 的改變時(shí)，另一個(gè)坐標(biāo)值需要根據(jù)當(dāng)前像素點(diǎn)與直線上點(diǎn)的誤差值決定是否發(fā)生改變[7?8]。

在上述基礎(chǔ)上，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到三維動(dòng)畫的變換過程中，使其更加直觀逼真。

1.2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維動(dòng)畫變換

將動(dòng)畫空間平面的視覺表達(dá)方式轉(zhuǎn)換為立體表達(dá)方式，將三維動(dòng)畫以全方位的方式展現(xiàn)出來[9?11]。構(gòu)建出一個(gè)獨(dú)立的虛擬空間，利用兩眼之間的視角差異，將豐富的想象空間留給大腦，創(chuàng)造出具有遠(yuǎn)近維度的全新虛擬空間，其兩眼視角差如圖3 所示。

圖3 兩眼視角差

人類的兩眼視角在感知物體以及其成像上存在差異[12]。利用攝像機(jī)模擬人眼的成像效果，利用VR 眼鏡推動(dòng)視覺感覺向縱深發(fā)展，使人們通過左右成像的不同，適應(yīng)立體呈現(xiàn)出的三維虛擬人物動(dòng)畫及場景動(dòng) 畫[12?15]。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的三維動(dòng)畫應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)，將傳統(tǒng)三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)效果與將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用到動(dòng)畫設(shè)計(jì)中，對照分析得出兩者間的差異。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)中三維動(dòng)畫立體轉(zhuǎn)換部分采用OpenGL 三維工具軟件包輔助完成。OpenGL 是一款開放式圖形庫，在交互式三維動(dòng)畫的編程與建模中，具有一定的優(yōu)越性。其圖像開發(fā)環(huán)境、窗口系統(tǒng)、硬件環(huán)境與操作系統(tǒng)相互獨(dú)立，能夠在客戶/服務(wù)器的模式下正常運(yùn)作。但在三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)過程中，僅利用OpenGL 來實(shí)現(xiàn)存在一定困難，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的動(dòng)畫場景仍需要其他三維建模工具。本文采用外部模型輸入的方式繪制設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)中選用Autodesk Maya 三維動(dòng)畫軟件完成動(dòng)畫渲染部分工作，其運(yùn)行界面如圖4 所示。

圖4 Autodesk Maya 運(yùn)行界面

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用OpenGL 繪制模型，并完成數(shù)學(xué)描述；選擇RGBA 色彩模式或顏色索引模式；選定光照處理的反射特性；設(shè)置三維場景視點(diǎn)；將其色彩信息及數(shù)學(xué)描述轉(zhuǎn)換為圖像像素；利用雙緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平滑的三維動(dòng)畫效果。具體操作過程如圖5 所示。

通過上述操作得到實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，并分析其兩者之間的差異。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 不同方法構(gòu)建三維動(dòng)畫效果分析

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，對比本文方法與傳統(tǒng)方法構(gòu)建的三維動(dòng)畫圖，對比結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可以看出，傳統(tǒng)三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)結(jié)果圖雖然也能夠通過立體圖像，構(gòu)建出三維空間場景，但其表現(xiàn)方式仍舊被限制于平面之內(nèi)，無法準(zhǔn)確計(jì)算出各點(diǎn)坐標(biāo)值。而將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)當(dāng)中，創(chuàng)造出基于真實(shí)世界的實(shí)時(shí)運(yùn)行虛擬世界，使人們通過VR 眼鏡置身于三維動(dòng)畫的虛擬現(xiàn)實(shí)場景當(dāng)中，則能夠通過計(jì)算得到準(zhǔn)確坐標(biāo)值，使三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)與應(yīng)用更加準(zhǔn)確方便，達(dá)到了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠使三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)過程更加方便快捷的目地。

圖5 OpenGL 操作過程

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對照圖

2.3.2 不同方法獲取坐標(biāo)數(shù)值的精度分析

為了驗(yàn)證本文方法在三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)中的可靠性，對比本文方法與傳統(tǒng)方法的坐標(biāo)數(shù)值的精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

由表1 數(shù)據(jù)可知，本文方法在獲取三維動(dòng)畫坐標(biāo)數(shù)值中精度較高，最高可達(dá)93.4%，傳統(tǒng)方法在獲取三維動(dòng)畫坐標(biāo)數(shù)值中精度最高為89.2%，通過對比可以看出，本文方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，具有一定可行性，在該領(lǐng)域具有一定的意義。

表1 不同方法獲取坐標(biāo)數(shù)值的精度對比 %

3 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對藝術(shù)創(chuàng)作的要求越來越高，為此，本文提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)。 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到三維動(dòng)畫的創(chuàng)作當(dāng)中，將動(dòng)畫設(shè)計(jì)過程中的復(fù)雜工作簡化，使動(dòng)畫信息的表達(dá)更加直觀，更加便于理解，擴(kuò)展了動(dòng)畫創(chuàng)作的手段與發(fā)展方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提方法能夠有效提高獲取三維動(dòng)畫坐標(biāo)數(shù)值的精度，具有一定實(shí)際意義。