基于虚拟现实的三维动画立体空间设计

于兵科

（西京学院，陕西 西安 710123）

0 引 言

随着计算机图形学的发展，影像艺术呈现多元化发展趋势，其主流表现由二维平面动画逐渐转向三维立体图像[1]过渡发展，成为以动态影像为核心，综合性更高的影像艺术。随着计算机硬件迅速发展，对三维动画的创作约束越来越小，人们能够将自己心中所想利用设计软件，绘制出三维动画，将其思想完整地表现出来[2]。三维动画能够不受地点与时间的限制，在虚拟空间当中表达出二维动画无法表达的空间立体效果，与二维画面中的明暗对比、位置处理等技巧有很大差异，这种立体效果十分逼真，能够在多个角度体现出动画特点[3]。

三维技术的影响力强大，它使艺术创作的手段得到了创新，解放了传统思想对于动画设计的束缚。除艺术创作外，其也被应用到科学创新研究领域内和其他行业当中，例如车辆行驶模拟、生物教学、室内设计以及建筑业等领域。三维动画的制作软件更新较快，其操作简单方便，支持多种输出格式。角色动画是三维制作中的核心，角色动画的制作要注意其运动状态，以及运动过程中的动作与变形。虚拟现实技术不仅仅是一种技术手段，它还具有更深层次的东西。随着智能化时代的来临，技术的创新与更新换代十分快速，但无论技术如何创新，都只是表达与传递人类思想的一种工具[4]。本文将虚拟现实技术融入三维动画的设计制作当中，使其完成人机交互，以满足人们生活和日常工作学习的相关需求。

1 虚拟现实技术下的三维动画设计

1.1 三维动画生成

三维动画是由点线面拼接构成，其中，点是最基本的构成元素，其坐标可以是任何实数值[5]，利用像素点构成图像线段，其绘制过程如图1 所示。

图1 计算机扫描绘制过程

图1 中，图1a）表示理想状态的图像状态，图1b）、图1c）表示绘图过程，图1d）表示所呈现的实际图像状态。工作计算机中对应帧缓冲器与所呈现图像对应关系如图2 所示。

图2 帧缓冲器原理

图2 中的像素坐标采用固定整数值，且像素具有一定大小，在像素点构成直线前，需要先确定该像素坐标值[6]。

式中：m,n代表三维动画图像x轴和y轴的坐标点；t表示三维动画场景尺度因子，且0 ≤t≤1。

使Δt满足条件其中：

计算出Δm与Δn的数值，使me+1=me+Δm，且ne+1=ne+Δn，则获取的像素坐标值为( )me,ne与数值微分画线算法在初始获得Δm，Δn与Δt时需要进行乘除运算，其余部分只需要利用加法运算即可，以便于计算机的操作处理，最终输出值为

由于直线段是形成复杂图形元素的基础，当每一个坐标发生±1 的改变时，另一个坐标值需要根据当前像素点与直线上点的误差值决定是否发生改变[7⁃8]。

在上述基础上，将虚拟现实技术应用到三维动画的变换过程中，使其更加直观逼真。

1.2 基于虚拟现实的三维动画变换

将动画空间平面的视觉表达方式转换为立体表达方式，将三维动画以全方位的方式展现出来[9⁃11]。构建出一个独立的虚拟空间，利用两眼之间的视角差异，将丰富的想象空间留给大脑，创造出具有远近维度的全新虚拟空间，其两眼视角差如图3 所示。

图3 两眼视角差

人类的两眼视角在感知物体以及其成像上存在差异[12]。利用摄像机模拟人眼的成像效果，利用VR 眼镜推动视觉感觉向纵深发展，使人们通过左右成像的不同，适应立体呈现出的三维虚拟人物动画及场景动 画[12⁃15]。

2 虚拟现实技术下的三维动画应用实验

设计对照实验，将传统三维动画设计效果与将虚拟现实应用到动画设计中，对照分析得出两者间的差异。

2.1 实验环境

实验中三维动画立体转换部分采用OpenGL 三维工具软件包辅助完成。OpenGL 是一款开放式图形库，在交互式三维动画的编程与建模中，具有一定的优越性。其图像开发环境、窗口系统、硬件环境与操作系统相互独立，能够在客户/服务器的模式下正常运作。但在三维动画的设计过程中，仅利用OpenGL 来实现存在一定困难，对于结构复杂的动画场景仍需要其他三维建模工具。本文采用外部模型输入的方式绘制设计，实验中选用Autodesk Maya 三维动画软件完成动画渲染部分工作，其运行界面如图4 所示。

图4 Autodesk Maya 运行界面

2.2 实验方法

利用OpenGL 绘制模型，并完成数学描述；选择RGBA 色彩模式或颜色索引模式；选定光照处理的反射特性；设置三维场景视点；将其色彩信息及数学描述转换为图像像素；利用双缓存技术，实现平滑的三维动画效果。具体操作过程如图5 所示。

通过上述操作得到实验仿真结果，并分析其两者之间的差异。

2.3 实验结果分析

2.3.1 不同方法构建三维动画效果分析

为了验证本文方法的有效性，对比本文方法与传统方法构建的三维动画图，对比结果如图6 所示。

由图6 可以看出，传统三维动画的设计结果图虽然也能够通过立体图像，构建出三维空间场景，但其表现方式仍旧被限制于平面之内，无法准确计算出各点坐标值。而将虚拟现实技术应用到三维动画的设计当中，创造出基于真实世界的实时运行虚拟世界，使人们通过VR 眼镜置身于三维动画的虚拟现实场景当中，则能够通过计算得到准确坐标值，使三维动画的设计与应用更加准确方便，达到了利用虚拟现实技术能够使三维动画的设计过程更加方便快捷的目地。

图5 OpenGL 操作过程

图6 实验结果对照图

2.3.2 不同方法获取坐标数值的精度分析

为了验证本文方法在三维动画设计中的可靠性，对比本文方法与传统方法的坐标数值的精度，实验结果如表1 所示。

由表1 数据可知，本文方法在获取三维动画坐标数值中精度较高，最高可达93.4%，传统方法在获取三维动画坐标数值中精度最高为89.2%，通过对比可以看出，本文方法优于传统方法，具有一定可行性，在该领域具有一定的意义。

表1 不同方法获取坐标数值的精度对比 %

3 结 语

随着科学技术的不断进步，对艺术创作的要求越来越高，为此，本文提出虚拟现实技术下的三维动画设计。 将虚拟现实技术应用到三维动画的创作当中，将动画设计过程中的复杂工作简化，使动画信息的表达更加直观，更加便于理解，扩展了动画创作的手段与发展方向。实验结果表明，本文所提方法能够有效提高获取三维动画坐标数值的精度，具有一定实际意义。