计算机虚拟仿真技术在三维动画制作中的应用

摘  要：虚拟仿真技术是借助计算机技术实现的一种虚拟系统，能够对现实中存在的事物和环境进行模仿。虚拟仿真技术是随着计算机技术的飞速发展而发展起来的，它在当前社会的各个领域中得到了广泛的应用，且已成为人们认识世界的一种基本方式。虛拟仿真技术在三维动画制作中得到了广泛应用，文章分析了虚拟仿真技术的特点和应用原理，并对其在三维动画制作中的应用展开了探析。

关键词：计算机虚拟仿真技术;三维动画制作;交互技术

中图分类号：TP391.9      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）08-0084-03

Abstract：Virtual simulation technology is a virtual system realized by means of computer technology，which can imitate the existing things and environment in reality. With the rapid development of computer technology，virtual simulation technology has been widely used in various fields of current society，and has become a basic way for people to understand the world. Virtual simulation technology has been widely used in the production of three-dimensional animation. This paper analyses the characteristics and application principles of virtual simulation technology，and explores its application in the production of three-dimensional animation.

Keywords：computer virtual simulation technology;3D animation production;interaction technology

0  引  言

随着信息时代的到来，虚拟技术已经成为当前社会发展中一项必不可少的技术，又被称为虚拟现实技术或者模拟技术。[1]计算机虚拟仿真技术是在上个世纪八十年代产生的，它是随着计算机技术的发展而发展的，其需要借助计算机硬件、软件和三维传感器构成。在实际的应用过程中，计算机虚拟仿真技术具有较高的仿真性能，能够带给人们一种真实的体验感，让人们感觉“身临其境”。[2]由于采用计算机仿真技术制作的三维动画所呈现出来的画面具有很强的真实感，因而在军事领域、建筑领域、航空领域均运用了此项技术进行模拟、试验等操作。因此，计算机虚拟仿真技术在当前的三维动画制作中得到了广泛的应用。[3]计算机虚拟仿真技术对于三维动画制作来说，发挥着重大的作用，具有非常重大的意义。

1  虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术的发展得益于计算机技术的发展。当前，虚拟仿真技术应用体系得到了较好的完善，并且，我国的很多领域中都涉及到了虚拟仿真技术，如在室内设计、旅游教学和城市建设等方面，都应用到了虚拟仿真技术。

1.1  虚拟仿真技术的定义

对于虚拟仿真技术，可以从多个方面对其进行分析，从狭义的虚拟仿真技术方面进行分析，虚拟仿真技术是随计算机技术和网络技术发展起来的一项技术，这种技术属于试验研究类技术，借助虚拟仿真技术，能够将虚拟的空间进行构建;从广义的层面对虚拟仿真技术进行分析，这种技术是帮助人们认识世界、探索未知世界的。当前的计算机技术和网络发展已经相对成熟，在这种背景下，虚拟仿真技术能够得到更加全面的发展和完善，从而借助虚拟的世界将真实的世界进行展现。

1.2  虚拟仿真技术的特点

虚拟仿真技术在进行分类归纳的过程中，可以从四个方面将其进行分类，其中分别是交互性、沉浸性、虚幻性、逼真性。下面将对虚拟仿真技术的特点进行具体的分析。

1.2.1  交互性

交互性，在虚拟仿真技术中主要指的是人与自然环境之间所产生的互动。虚拟环境是人类通过设计展现出来的，因此，使用虚拟环境的人能够通过改变虚拟环境中的某些因素将虚拟环境进行改变，同时，如果对虚拟环境中的某些因素进行控制，该因素对应的地方便能够出现相应的改变。例如：通过虚拟仿真技术模仿导弹发射过程时，使用者通过点击相关的按钮，虚拟环境中的导弹就会发射，同时，导弹如果触碰到了目标就会产生爆炸，同样会产生火光和碎片，人们能够看到火光和碎片的产生，这便是虚拟仿真技术的交互性。

1.2.2  沉浸性

虚拟仿真技术，顾名思义，将现实世界中存在的事物进行仿真模拟。通过虚拟仿真技术，能够为使用者提供视觉、听觉、嗅觉等多种感觉，让使用者能够有一种身临其境的感觉，这便是虚拟仿真技术的沉浸性。

1.2.3  虚幻性

虚拟仿真技术所构建的画面都是对真实存在事物的仿真模拟，这些事物可以是真实存在的，也可以是未来可能会存在的，但是所构建的虚拟系统却不是真实存在的，因此，虚拟仿真技术具有虚幻性。

1.2.4  逼真性

虚拟仿真技术能够构建出非常逼真的事物，让人们感觉到构建出的虚拟事物与现实世界是一样的，这是体现虚拟仿真技术逼真性的一个方面;另一个方面是，在虚拟仿真技术系统中，能够通过控制其中的某些元素而出现相应的变换，让使用者有身临其境的感觉。

1.3  虚拟仿真技术的应用原理

1.3.1  基于三维图形的实时显示技术

三维图形的实时显示技术是当前三维动画制作中的一项重要技术，通过借助三维图形的实时显示技术能够有效地提高三维动画的制作效率，这是因为借助三维图形的实时显示技术能够将三维几何图形形成的时间有效地缩短，不仅如此，还需要将每秒钟刷新的频率定为15副，画面的背景、阴影以及其他的要素都要符合相关的规定。[4]对于图形的场景分块，要能够将图片进行场景分块，并将其中的分块场景进行消隐，这样一来就可以降低一些复杂场景的复杂度。一些复杂的场景在普通技术下很难拆分，但在虚拟仿真技术的协助下，可以将场景分为多个模块，在一个复杂场景的其中一个模块显像时，其他场景都为隐匿状态。消隐技术就是通过转换人的视点来让人们看到不同的画面场景的。

1.3.2  虚拟仿真技术中的交互技术

在虚拟仿真技术的系统中，某些界面需要人为的操纵才能最终达到目的，人们通过操作界面人为改变虚拟环境中的虚拟值，就是交互技术。现今成熟的交互技术有三大类，有直接用户交互技术、物理控制技术和虚拟控制技术。他们的区别就在于操作方式不同，例如：直接用户交互技术就是通过人的现实动作映射到创造的虚拟场景中以形成三维动画，它的特点是可以直观的表现和灵活的改变动作。物理控制技术便是通过操纵输入设备如鼠标、键盘、手柄等来进行虚拟环境的交互。这种技术更能让人体会到虚拟场景的存在，但和直接用户交互技术相比缺少了一定的灵活性。虚拟控制技术便是输入一定参数，让虚拟物在虚拟环境中进行交互，让用戶可以更加直观的了解虚拟环境中的因素，为虚拟环境的变化提供了更多可能性。

2  虚拟仿真技术在三维动画制作中的应用

2.1  虚拟仿真技术的建模软件和语言

Multigen Creator是虚拟仿真技术的建模软件，其用于建立建筑模型，并为许多模型的建立提供了素材，可以方便简洁的控制比例，增加贴图。VRML（Virtual Rcality Modclling Language）是虚拟仿真建模语言，在应用建模软件之前需要学习相关的建模语言来辅助建模。[5]

2.2  三维动画制作软件

三维动画制作软件很多，功能各异，不同的三维动画制作软件有着各自的特色，常见的有Maya、3ds Max、Premiere、Houdini及Zbrush，其中3ds Max和Maya两款功能最强大、应用范围最广，也是现在最主流的三维动画设计软件。两者比较而言，3ds Max作为世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件，完全能满足制作高质量动画的需要，只是它更多的效果制作依赖于外部插件。如分别用Maya和3ds Max制作同一个项目时，Maya会比3ds Max花更多的时间和步骤，但其具有更大的可控制性和可操作性，在生成的图像上也比用3ds Max生成的图像有更多的细节。Maya在建模、渲染、制作数字角色和场景时让用户担当了导演、演员、场景设计者和摄影师的角色。

2.3  三维动画建模

计算机虚拟仿真技术在很多方面都有其作用，在制作三维动画时，首先就要建立三维模型。三维模型包括对虚拟场景、三维动画人物、动作表现的制作。进行三维建模时，要通过虚拟仿真技术和交互技术的相互配合来完成相关模型的建立，主要是通过现实仿真技术来建模，再引入一些三维动画人物来体现需要展示的内容。虚拟仿真技术的难点也在于设计人员需要在建模过程中充分准备材料，整理好虚拟场景、虚拟人物的相关素材资料，与此同时还要进行三维图纸的准备来保证三维动画的正常建立。在准备一些实物的三维动画时，还需要相关设计人员提前进行人工拍摄、航拍等工作来获取真实信息，最终确定三维动画的元素。在计算机技术未成熟之前，还需投入大量的人力财力来完成建模活动。因此，要想快速完成虚拟仿真技术在三维动画上的应用，必须加快建模的速度来提高工作效率。

2.4  应用领域

虚拟仿真技术的快速发展，必然导致其运用范围的持续扩大。目前，虚拟仿真技术在三维动画上的应用已经开始向航空领域、军事领域、建筑领域发展。[6]三维动画可以通过仿真模拟技术制造出一个虚拟场景，可以对未来进行无损害模拟，通过模拟分析来找出所有可能发生的事件，对现今掌握的技术进行模拟实验，并对可能出现的危险进行有效规避，这在军事、航空领域是非常重要的一项技术。通过互联网技术，可以创造出虚拟环境来进行模拟演练，借助这项技术，人们就可以更好地对我们的世界进行探索，发现更多的未知领域。在建筑方面，虚拟仿真技术可以快速建立三维动画，人们可以更加直观的观察一些高大精密的建筑。与CAD技术不同的是，虚拟仿真技术建立的是三维动画，更加直观、更加立体，符合人的美学概念，更加生动的表现一个建筑的空间结构。将虚拟仿真技术应用到工业上，能够给我国的工业带来非常良好的发展前景。

3  结  论

虚拟仿真技术将现实中存在的物体映射到虚拟环境中，用虚拟的三维动画场景和人物体现事物本质，将一些抽象的事物具体反映成动画呈现在人们眼前，使人们能够更好地理解动画内容所表达的含义。计算机虚拟仿真技术在各个方面的应用，既能够方便我们的生活，加快工业进步，使航天领域、军事领域、建筑领域都有所发展，还能促进我国的经济发展。在三维动画制作过程中，通过借助虚拟仿真技术，给人们的视野带来极大的冲击，让人们能够真实地感受到三维动画所传达的内容。虚拟仿真技术不但可以增强三维动画制作的效果，也可更好地促进三维动画制作技术的发展。

参考文献：

[1] 马新影.浅析计算机虚拟仿真技术在三维动画制作中的应用 [J].科技创新导报，2018，15（3）：161+163.

[2] 方伟.基于VRML仿真教学系统的设计探析 [J].钦州学院学报，2018，33（8）：70-74.

[3] 王伟.三维动画与VR技术相结合的研究 [J].文化创新比较研究，2017，1（22）：33-34.

[4] 王迪.基于计算机三维动画建模技术的中国皮影艺术新传承 [J].电脑知识与技术，2017，13（3）：217-219.

[5] 梁道怀.浅谈提高计算机三维动画软件Maya建模效率的措施 [J].职业，2017（32）：67.

[6] 陈晓伟，霍军.计算机三维动画技术在建筑设计中的应用探究 [J].科教导刊-电子版（上旬），2017（34）：262.

作者简介：曾龙凯（1988.07-），男，汉族，湖南祁阳人，硕士，助教，研究方向：计算机多媒体动画设计与制作。