基于虚拟现实技术的三维动漫系统设计

汪丹 叶加贝

摘  要： 为了解决传统的三维动漫系统用户满意度低的问题，基于虚拟现实技术设计了一种新的三维动漫系统。设计了管理服务器、三维动画服务器、处理器、机柜、交换机和VR设备，在Visual C++环境下利用Open GL进行三维情景的建模和材质、灯光处理，并配合使用Open GL显示列表和双缓存技术，通过Windows提供的SetTimer（）函数制定软件程序。为验证系统的有效性，与传统动漫系统进行对比，实验结果表明，三维动漫系统清晰度更好，更受用户欢迎。

关键词： 虚拟现实技术; 三维动漫系统; 动漫设计; 三维设计; 动画制作; 动画效果

中图分类号： TN02?34; TP393                      文献标识码： A                     文章編号： 1004?373X（2020）13?0172?04

Design of 3D animation system based on virtual reality technology

WANG Dan1， YE Jiabei2

（1. School of Arts， Wuhan Business University， Wuhan 430070， China;

2. Department of Design， Hubei Institute of Fine Arts， Wuhan 430060， China）

Abstract： The traditional 3D animation system has low user satisfaction. Therefore， a new 3D animation system is designed based on the virtual reality technology. The system hardware consists of management server， 3D animation server， processor， cabinet， switch and VR equipment. In the Visual C++ environment， Open GL is used to model the 3D scenes and process the materials and lights. In addition， in combination with Open GL display list and double buffer technology， the software program is developed by SetTimer（） function provided by Windows. To verify the effectiveness of the proposed system， experiments were set up to make comparison with the traditional animation system. The results show that the designed 3D animation system has a better definition and is more popular with users.

Keywords： virtual reality technology; 3D animation system; animation design; 3D design; animation production; animation effect

0  引  言

随着当今社会的发展，虚拟现实技术应用到了各个领域，同时，虚拟现实技术对动画技术方面也产生了巨大的引导作用[1]。为了满足现代人们对动漫的欣赏水平以及要求，三维动漫便随之也发展起来，并呈爆发式增长，从而对传统二维动漫发出挑战[2]。利用虚拟现实技术可以将以往的传统动画转变为清晰度更高、效果更为逼真、场景更多样化的三维动画。三维动画具有多元化特点，动画效果的丰富多彩让动画观赏者在动画场景中有着更好的体验[3]。不仅如此，三维动画还有着很好的交视互听体验效果，这是传统的动画技术不能达到的。

随着计算机网络技术的成熟，动漫制作工作者不需再通过纸质手绘来创作动画，当今利用动画系统软件便可以进行动画制作，使得动画场景、创作观念、空间效果都会发生变化，同时，动画体验效果也将会变得更加多姿多彩。当今已有许多三维动漫产业的产生，但是一些比较高级的光照效果、图像处理能力、图画渲染力还不能够达到理想效果[4]。

综上所述，本文将基于虚拟现实技术对三维动漫系统设计展开研究分析，通过改变系统的硬件设施、制作软件流程，并利用虚拟现实技术设计一套三维动漫系统，使得动画的图画处理能力、动画渲染能力、光照效果有不同程度的提高。三维动漫系统的实际应用将会使得动漫产业制造的视觉效果、技术形式等方面得到较大的提升，传统的动漫产业并以此为转折逐渐向三维动漫产业发展靠拢。

1  三维动漫系统硬件设计

三维动漫系统具备计算、网络密集型两大类型的应用[5]。系统的运行计算需要选择相适应的服务器，本文将根据节点规模选择匹配的服务器骨架，确保制作整个三维动画的过程有着更高的效率。文件服务器的选择需要考虑相关系统的稳定性、各类性能和拓展性等因素[6]。三维动画的每一个节点都需要在文件服务器上提取三维空间、素材等文件，然后再进行制作，三维动画的成果需要保存到文件服务器中[7]。文件服务器有时会由于节点太大而产生卡顿现象，所以本文文件服务器增添使用RAD技术提高内存性能和容错性，并且采用多端口的服务器网卡，确保可以为动画节点提供相对稳定可靠的网络通道。本文还需要将VR设备与三维动漫制作相结合，进行三维动漫虚拟系统的设计，以便让VR设备、三维动漫制作软件、技术以及网络科技结合，为三维动漫的制作发展提供了良好的交互环境[8]。系统硬件结构如图1所示。

硬件设备中还包含常规系统必备的硬件设施来处理三维动画程序数据、动画图形文件等[9]。硬件系统中主要的设备如下：

1） 管理服务器。系统内共有1台管理服务器，规格型号为Shine Server R1080×d 2×付强B6?651Q，2个处理器、2×4 GB加大DDR服务器内存、接口电源、1×1 TB SATA 7200RPM系统盘。24盘位、16×1 000 MB网口、8+4 TB SATA 72 RPM赘D盘、集成硬件RAID卡、DELL定制三维动画专用文件服务器[10]。

2） 三维动画服务器。系统硬件共有40台三维动画服务器，三维动画服务器的规格型号为Shine Server R720 2×l NTEL X EoN，DDR3内存，E5?7180 V2，1×600 GB SATA硬盘，2×8 GB ECC 1 333 MHz，1U卡门架式。

3） 處理器。炫酷科技MBoX 6000?B三维动画系统支持从3dsmax，mav等软件直接、间接进行提交、自动调整场景图与素材，支持中文路径，网络加速，支持增量上传与断点续传，支持嫁接“炫云”三维动画平台，多终端实时监控渲染进度，系统自带60个处理器授权[11]，自带8 TB有效存储容量，可多次提取大量动画资源。处理器结构如图2所示。

4） 机柜系统。

5） 交换机。网件GS748T 36个10/100/1 000 Mb/s端口，基于浏览器交换机，背板带宽，128 Gb Ds（无阻塞）。

6） VR设备。选择乐高品牌的VR设备。

2  三维动漫系统软件设计

随着信息和网络技术的迅猛发展，也为动漫事业的发展提供了功能强大并可靠的软件工具。三维动画服务器是进行三维动画系统制作流程的必要条件，主要负责对三维动画任务的安排，三维动画节点分配，时间点间隙、队列管理等等。根据观众对于三维动画的欣赏条件与要求，参考监控服务器对节点反馈的信息资源选择最佳的调整方案。三维动画系统能否快速进入流程制作，不仅仅需要硬件配置来支撑系统的运行，还需要系统流畅的软件，如三维动画服务器能够顺畅运作。另外，三维动画服务器可以使用连接其他网络，还可以负责和网络上其他三维动画平台进行交流与学习，更加广泛地使用多元资源[12]。进行三维动画设计制作时需要利用到系统定时器，系统定时器可以规律性地提示应用程序结束相应的工作。用Windows提供的Set Timer（）函数可以为三维动画制作应用程序开发一套精准度更高的系统定时器，向系统定时器输入设定好的参数值，使Windows在一定的时间间隔规律性地向设计系统发送提醒消息。随后系统产生命令，开始执行动画生成程序，即三维动画效果在设定场景中每隔定时器所设的时间产生动画效果，以上步骤完成后便形成了视觉上所见的三维动画效果[13]。在利用Open GL设计动画时还需要定时系统的配合，时间间隔在动画效果上起着不可忽视的作用。需要精准把握设计时间间隔，如果时间间隔过大，将会占用部分系统时间，而且可能使画面看起来断断续续失去连贯性;如果时间间隔较小，视频也不能按照预定的播放时间进行播放，由于时间间隔小有一定的冲击性，极有可能产生丢失帧信息的问题[14]。常规状态，动画至少需要23 f/s时能够连续，在交互实时计算机上一般使用9～70帧时能正常播放。软件流程如图3所示。

在软件系统中首先得到旋转圈数、时间间隙，确定指定坐标轴[x]，[y]，[z]值，然后根据函数在流程图中的运行，计算出需要旋转的角度和次数[n]，随后应用glrotatef函数将三维虚拟动画绕实体轴旋转一定的角度来确定角度。得到旋转角度后交换缓存、刷新屏幕，观看刷新屏幕后的动画效果，若效果达到理想状态，则转换Kill Timer函数，停止定时器的运行，若没有达到理想的动画效果状态，则重复上述操作流程。

以虚拟现实技术为基础的三维动画系统是在Visual C++条件下利用Open GL进行三维情景的模型建立与灯光处理。

3  仿真实验

为了验证本文研究的基于虚拟现实技术的三维动画系统相对于传统动画具有更优的观赏效果，分别对动画的沉浸感、交互性、图形图像、声音等方面做出对比，并对系统的部分硬件、软件做出对比。

3.1  实验参数

本文实验中的沉浸感、交互性、图形图像、声音等实验参数是通过采取人群抽样体验后投票得出的。系统软硬件由实验专业人员通过设备进行测试，实验参数如表1所示。

3.2  实验过程

实验将相同的动画分别制作为二维、三维的播放效果，在人群中招募50位体验志愿者，志愿者分别对动画的二维、三维动画进行体验，并对动画效果进行投票，由投票结果来确定实验的对比结果。

相对于软件系统流程的对比，本实验采取计时方式进行对比，三维动漫采用本文制作的系统流程，而二维动漫仍旧采取传统方式进行制作。采用两种不同的制作方式来制作相同的动漫，最终利用时间的对比来分析实验的结果。

对于动画服务器的实验对比，三维动漫利用本文采用的三维动画服务器（炫酷科技MBoX 6000?B三维动画系统），二维动漫依旧采取以往传统的服务器，经过专业的设备检测，分别对两台服务器的工作频率进行测试对比。

3.3  实验结果与分析

实验结果如图4所示。根据图4可以明确观察出三维动漫具有极大的优越性，得到了志愿者的好评。可见本文系统制作的三维动漫获得了较好的成果，满足当代人对于动漫方面的欣赏水平与要求。在声音方面根据志愿者所投出的票数可知，本文系统所制作的三维动漫声音效果并没有突出的优势。

再分析对比软件系统流程项目，本文中所设计的系统采用自制的制作流程来进行动漫制作，流程中采用各类服务器等设备，大大节省了一些不必要的时间。所以，本文系统所采用的软件系统流程在时间方面具有一定的优越性。根据实验参数表中的数据可见，本文所提设计流程图相对于传统的制作流程有着一定的优势。

动画服务器是制作动漫不可缺少的硬件装置，良好的动画服务器在制作动漫时起着至关重要的作用。本文所设计的系统采用三维动画服务器（炫酷科技MBoX 6000B三维动画系统），相对于传统的动画服务器大大提高了工作效率。

3.4  实验结论

综上可知，三维动画的动画效果具有明显的优势，符合当代人们对于动画的欣赏水平以及要求。但是本系统制作的三维动漫声音效果取得的成效并不突出，需要进一步的加以改进。本文所设计系统采用的硬件装配大大提高了工作效率，对未来的动漫发展与制作都将会产生一定的推动作用。在软件的动画制作流程上本文所设计的系统也取得了极大的改善，在流程中将时间间隔服务器与函数结合，能够更好地让动漫中的图形衔接。

综上所述，本文所设计的基于虚拟现实技术三维动漫制作系统整体方面优于传统的动画制作，本系统分别在动画效果、制作效率方面对传统系统进行了改善。

4  结  语

为了提高传统动画的制作、播放水平，满足现代人对动画质量的需求，本文针对三维动画的系统设计做出了研究分析。虚拟现实技术具有良好的沉浸感和交互性，将其利用到三维动画中，可以使动画人物、场景等更加具备真实感，让观看者有着更好的体验感。本文基于虚拟现实技术制作三维动画系统，改变传统的二维动画模式。系统中应用图形、图像、声音等多媒体来创作三维动画。系统的硬件装配在硬件设备基础上增加了可以进行虚拟现实技术的装置。系统的软件方面，本文主要通过流程图方式使三维动画的多方面媒体结合，并通过服务器调节时间间隔，让动画动作顺畅播放。因为技术与硬件的结合，提高了本文系统的实用性，使本系统拥有了更加优良的动画效果和随机性。

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