基于Web技術(shù)下的三維動(dòng)畫模型實(shí)時(shí)交互研究

徐玉明 高海忠

摘要：隨著Web技術(shù)在各行各業(yè)中逐步凸顯的重要性，尤其在三維動(dòng)畫模型實(shí)時(shí)交互應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，在三維動(dòng)畫交互中能夠?qū)⒛Ｐ凸こ涛募蟼鞯絎eb系統(tǒng)，同時(shí)也能夠直接利用Web系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互，現(xiàn)提出了將Web技術(shù)運(yùn)用于三維動(dòng)畫模型這一概念。同時(shí)，通過Web技術(shù)與三維交互技術(shù)的結(jié)合，讓虛擬三維動(dòng)畫模型能夠更真實(shí)地呈現(xiàn)在Web網(wǎng)頁上，讓體驗(yàn)者能夠以沉浸式的互動(dòng)模式在Web網(wǎng)頁上感觸虛擬空間模型帶來的視覺沖擊，并從多維度觀察三維動(dòng)畫模型，其發(fā)展和應(yīng)用增強(qiáng)了用戶和三維模型之間的交互體驗(yàn)感。

關(guān)鍵詞：Web技術(shù);實(shí)時(shí)交互;動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁;三維動(dòng)畫;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP37? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）26-0118-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維動(dòng)畫實(shí)時(shí)交互技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如高科技VR產(chǎn)品應(yīng)用、動(dòng)態(tài)交互式操作、體育運(yùn)動(dòng)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)、航空操作訓(xùn)練仿真模擬系統(tǒng)、新媒體技術(shù)等方面，三維交互用戶體驗(yàn)表現(xiàn)出從現(xiàn)實(shí)場景向虛擬空間發(fā)展的新趨勢。目前，Web頁面三維動(dòng)態(tài)交互技術(shù)成為各個(gè)交互應(yīng)用領(lǐng)域中極其重要的技術(shù)，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖形圖像處理、Web動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、WebGL技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)模式識(shí)別等各個(gè)學(xué)科理論的技術(shù)基礎(chǔ)。

三維動(dòng)畫模型實(shí)時(shí)交互研究的主要方向就是能夠在一種近似逼真的空間中去和三維模型進(jìn)行友好的交流對(duì)接，讓人們能夠進(jìn)入到一種真實(shí)感強(qiáng)烈的維度中去和模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)互動(dòng)，正如自己在虛擬場景中去感受另一個(gè)時(shí)空的變化，像在一個(gè)體驗(yàn)者在密室里去選擇不同的道路可以進(jìn)入不同的空間，在虛擬空間中可以操作進(jìn)行跳躍、奔跑、爬行等動(dòng)作。其中，實(shí)時(shí)交互性也是互聯(lián)網(wǎng)3D圖形的最大特色，三維動(dòng)畫模型交互技術(shù)主要包括模型的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、拾取、剖切、3D動(dòng)畫模型的播放以及信息的顯示等。

本文的基本思路是設(shè)計(jì)研究基于WEB的三維虛擬空間漫游及三維模型交互系統(tǒng)，具體研究內(nèi)容包含了三維場景建模、三維動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互操作、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化等核心技術(shù)，整個(gè)三維模型系統(tǒng)需要在WEB操作界面進(jìn)行控制交互，可以實(shí)現(xiàn)三維空間虛擬立體化的交互及三維漫游的展示等功能模塊。

2 三維動(dòng)畫虛擬交互系統(tǒng)建模

創(chuàng)建三維模型是建立三維動(dòng)畫及虛擬漫游環(huán)境的基本前提，三維模型的精細(xì)化結(jié)構(gòu)可以提高體驗(yàn)者的交互性，只有在高精度的模型空間中漫游才會(huì)有一種真實(shí)的體驗(yàn)感，這就需要人們?nèi)ソ⒁环N抽象化的動(dòng)態(tài)空間，通過提高三維模型的材質(zhì)及貼圖品質(zhì)，在高級(jí)渲染模式完成后帶給體驗(yàn)者一種全新的沉浸體驗(yàn)，在Web頁面的實(shí)時(shí)交互中獲得一種非同尋常的愉悅交互體驗(yàn)，并在三維動(dòng)畫交互的過程中切身體會(huì)到漫游虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的奧妙。然而，三維模型和漫游場景制作過于高保真，也將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)需要運(yùn)算處理的數(shù)據(jù)量出現(xiàn)進(jìn)程堵塞、數(shù)據(jù)量冗余的復(fù)雜情況，這將會(huì)嚴(yán)重影響虛擬漫游動(dòng)畫交互系統(tǒng)的體驗(yàn)感和流暢性。所以，在虛擬漫游環(huán)境中進(jìn)行建模，應(yīng)該在確保三維動(dòng)畫模型精美真實(shí)的前提下縮小數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間差，盡可能減少系統(tǒng)的計(jì)算量及鎖死狀態(tài)，確保三維動(dòng)畫及虛擬漫游場景能夠高品質(zhì)運(yùn)行。

在本次三維虛擬空間漫游及三維模型交互系統(tǒng)中，使用3Ds Max2016進(jìn)行建模，將系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境場景等分類進(jìn)行精細(xì)化建模，有時(shí)由于模型要求過于精細(xì)還會(huì)使用三維雕刻軟件zbrush進(jìn)行紋理雕刻。此外，還有許多的動(dòng)畫物體需要單獨(dú)建模，如位移的周期變化，運(yùn)動(dòng)物體的大小變化，物體之間的直接接觸，物體材質(zhì)貼圖的變化，物體在不同視角的感光度變化，物體的運(yùn)動(dòng)速率變化，物體的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等，這些都需要在虛擬漫游場景中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，讓系統(tǒng)具有無限生命力和活力。而在實(shí)時(shí)人機(jī)交互中為了使運(yùn)動(dòng)效果更加的真實(shí)，并在虛擬漫游場景中利用動(dòng)效模型進(jìn)行空間位置的變化，以及最終模型效果整合中均采用 Virtools進(jìn)行模型制作。

基于WEB的三維模型虛擬實(shí)時(shí)交互系統(tǒng)的動(dòng)畫建模中，使用了3Ds Max和Virtools兩者相結(jié)合的方法，虛擬漫游環(huán)境中的各種交互操作行為，如前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎、肢體彎曲、眼球轉(zhuǎn)動(dòng)、面部肌肉表情變化等，都要使用3Ds Max進(jìn)行動(dòng)效建模，完成后再導(dǎo)入Virtools中，因?yàn)閂irtools 可以非常好的支持鼠標(biāo)，游戲手柄等外接設(shè)備的操作，增強(qiáng)了系統(tǒng)交互性。比如說，將虛擬實(shí)時(shí)交互三維系統(tǒng)中導(dǎo)入人物角色的模型，隨后進(jìn)行骨骼的蒙皮操作，再對(duì)骨骼進(jìn)行關(guān)節(jié)點(diǎn)上控制點(diǎn)設(shè)置，這樣骨骼就能帶動(dòng)肌肉進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并調(diào)整人物角色滿足人體工程學(xué)的運(yùn)動(dòng)幅度，最后角色人物就能真實(shí)的進(jìn)行交互運(yùn)動(dòng)，該動(dòng)畫虛擬交互系統(tǒng)的建模原理如圖1所示。

3 三維動(dòng)畫模型交互效果優(yōu)化

對(duì)于虛擬空間漫游系統(tǒng)最終的交互效果，并不僅僅是依靠場景內(nèi)單個(gè)模型的優(yōu)良品質(zhì)決定，先利用3Ds max對(duì)場景中需要建模的較復(fù)雜部分進(jìn)行分部制作，然后將制作好的三維模型按照復(fù)雜度類型進(jìn)行復(fù)合，后導(dǎo)入至 Virtool 中，再對(duì)組合模型進(jìn)行場景空間位置的調(diào)整，然后在場景中加入適當(dāng)?shù)慕换ソ巧@樣會(huì)讓場景更具有沉浸體驗(yàn)感，最后進(jìn)行虛擬場景整體的光源布設(shè)，并且進(jìn)行優(yōu)化的光源點(diǎn)位置調(diào)整，要考慮主光，輔助光，點(diǎn)綴光等因素。所以，要獲得最終逼真的虛擬空間效果需要建模、燈光、材質(zhì)貼圖、渲染等全流程組合，才能最終獲得完美的三維空間漫游系統(tǒng)虛擬模型。然而通過對(duì)三維動(dòng)畫模型制作流程的分析，發(fā)現(xiàn)模型優(yōu)化環(huán)節(jié)與材質(zhì)制作、骨骼設(shè)置、交互動(dòng)畫、場景特效、成圖渲染等工作環(huán)節(jié)都有緊密聯(lián)系，屬于整個(gè)制作流程中的核心環(huán)節(jié)，制作流程如圖2所示。

對(duì)于虛擬空間漫游系統(tǒng)而言，創(chuàng)建漫游路徑顯得尤為重要。先在虛擬空間中創(chuàng)建一個(gè)規(guī)劃好的路徑，使用Position on Curve 和 Bezier Progression 兩個(gè)模塊對(duì)運(yùn)動(dòng)主體進(jìn)行交互綁定，這樣最終就會(huì)完成指定路徑的漫游工作。此外，在虛擬空間漫游系統(tǒng)中為了讓體驗(yàn)者更加真實(shí)地去感知場景帶來的沉浸體驗(yàn)感，還需要設(shè)計(jì)模型交互應(yīng)用，如開關(guān)窗操作，燈光的開啟關(guān)閉，鐘表刻度針的旋轉(zhuǎn)等，借助于Virtools增強(qiáng)了虛擬空間仿真群組跨廣域網(wǎng)的交互能力，以及對(duì)模型多群組的監(jiān)控和管理能力，并能夠?qū)F(xiàn)有常用檔案格式進(jìn)行整合。通過模型物體自身所帶 BB 程序和系統(tǒng)的消息控制，高效的執(zhí)行虛擬場景中人機(jī)交互過程，而且可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)虛擬動(dòng)畫角色模型直接的同步運(yùn)動(dòng)。如圖3為人物角色模型頭部邊緣布線優(yōu)化后的效果。