三维动画制作中计算机虚拟仿真技术的应用分析

作者简介：李翔宇（1976—），男，硕士，讲师，研究方向为数字媒体艺术设计。

摘  要：随着我国现阶段计算机技术的发展，虚拟仿真技术以其独有的特点在各个行业领域得到了广泛应用，比如电影制作、室内设计以及企业的宣传等，在虚拟仿真技术不断普及的今天，三维动画的制作也应用到了此技术，对于我国动画制作的发展起到极大的促进作用。基于此，本文需要对其发展做出深入的研究和分析，借助于对三维动画制作应用的分析来为日后的效果提升提供必要的参考。

关键词：三维动画   计算机   虚拟仿真技术   应用分析

Application Analysis of Computer Virtual Simulation Technology in 3D Animation Production

LI Xiangyu

（Changsha Social Work College， Changsha， Hunan Province， 410004 China）

Abstract： With the development of computer technology in China at the current stage， virtual simulation technology has been widely used in various industries with its unique characteristics， such as film production， interior design and enterprise publicity. Today， with the continuous popularization of virtual simulation technology， three-dimensional animation production has also been applied to this technology， which can play a great role in promoting the development of animation production in China. Based on this， this paper needs to make in-depth research and analysis on its development， and provide a better reference for the improvement of the effect in the future with the help of the analysis of the application of 3D animation.

Key Words： 3D animation; Computer; Virtual simulation technology; Application analysis

隨着虚拟仿真技术的出现，我国的三维动画制作也日渐完善，现阶段很多的行业和领域都开始应用虚拟仿真技术，比如企业文化的宣传等，都可以借助于三维动画来进行体现和呈现。在三维动画的制作过程当中，虚拟仿真技术的作用相当重要。其本身具备相当丰富的三维动画效果，对于虚拟环境的构成具备相当有利的条件。因此，通过对其展开分析，可为三维动画的制作提供理论性的研究成果。

1计算机虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术，主要指的是在虚拟的环境当中借助于一些模拟器和模型来对客观数据的呈现和反映，属于一项基于计算机技术和网络技术的发展而通过实验研究所生成的技术，可以使人们感受到身临其境的感觉，以此来搭建出一个具有交互效能多维化的信息环境。虚拟仿真技术实现的过程当中需要借助于复杂场景图形、声音、交互操作、干涉检查等多方面的功能，确保应用系统的功能和性能可以得到最大限度的提升。平台系统当中，主要应用到了视景和声音开发支撑平台和多个开发支持工具，可以实现用户的各类VR应用系统的开发。也就是说虚拟现实属于人们在计算机的帮助下来实现对复杂数据的可视化操作与交互，在技术的思想方面具有质的飞跃。

2计算机虚拟仿真技术的特点和原理

2.1 特点

虚拟仿真技术包含着多个方面的特点，可以根据其特点来实现分类归纳，其中交互性、沉浸性、虚幻性、逼真性是其主要特点。

首先，虚拟仿真技术的交互性应用当中，虚拟化的仿真技术属于根据现实世界当中的人和自然环境的互动行为所产生的一种模仿性的行为。虚拟环境主要是根据现实的环境进行设计的一种环境，身处虚拟环境的人可以借助于构建出的虚拟环境当中的某些因素来实现对其事物的操控和调整，在因素对应的部位等方面可以体现出对应的改变。比如，在虚拟仿真技术当中可以对发射导弹的过程进行模拟，使用者在模拟操作的过程当中可以借助于相关按钮来实现对应的操作，如导弹发射等操作。在导弹发射的过程当中，当碰到障碍物或者目标事物就会产生爆炸，和现实世界一样还会发出火光和飞散碎片，基于此，在虚拟的环境当中，人们就可以对爆炸产生的火光和碎片进行观赏，最大限度地实现虚拟仿真技术的交互操作应用。

其次，对于虚拟仿真技术的沉浸性特点来说，虚拟仿真技术的实质行为主要是对现实世界当中存在的事物借助于一些技术进行仿真模拟。在虚拟仿真技术的操作下可以对人体自身存在的多种感官进行交互，带来身临其境之感，比如视觉、听觉以及嗅觉等，在虚拟仿真技术的沉浸性方面进行突出的体现。

另外，对于虚拟仿真技术的虚幻性来说，主要是根据其真实存在的事物来构建出一系列仿真模拟的事物，事物本身属于一个真实存在的物体^[2]，或者也可以把虚拟创建出的事物看成真实存在的物体或者事物，进行虚拟系统的搭建过程中，其虚拟的环境当中是不存在一个物质的，因此虚拟仿真技术具有很强的虚幻性。

最后一个方面，属于逼真性，也就是说在计算机虚拟现实运行的过程当中具备一般计算机所具有的视觉感知外的同时，还可以实现虚拟现实系统的听觉、力觉、触觉、味觉、嗅觉等多项感知体系，营造出一个逼真的特点，使得人们可以身临其境。

2.2 原理

第一个方面，在三维图形的实时显示技术基础上进行场景的搭建和构造，以此來将虚拟现实技术应用在三维动画当中，实现有效的融合。三维动画属于一项非常重要的内容技术，可以体现出实时性，在有限的时间范围内，进行三维几何图形的生成，在刷新的频率方面需要保证在每秒15副的范围内，对于画面的纹理以及阴影和照明等多个属性方面都需要确保满足相关的要求和规定，在制作的过程当中，一般都会借助于场景分块或者可见消隐的方式来将场景简单化，降低场景的复杂程度。对于场景分块，针对于复杂的场景可以将其根据一定的设计来实现多个简单模块的划分，当单个模块在显示运行的过程当中，其他的模块都处于不可见的状态。可见消隐主要是以用户的角度作为主要的出发点，借助于可见画面的转换和不可见画面之间的切换来实现用户对画面的观看。

第二个方面，在虚拟仿真当中的交互技术方面，用户可以借助于对某种界面的操控，对虚拟环境当中存在的一些因素进行改变，被称为交互技术。此种技术可以分为3种方式，即直接用户交互技术、物理控制技术以及虚拟控制技术。其中，直接用户交互的技术应用方面，需要针对现实当中存在的动作进行反映，将其映射到虚拟的环境因素当中得以实现，其本身具备直观性和灵活性^[3]。在物理控制技术方面，主要是借助于一些操作设备来实现虚拟环境的有效交互，比如键盘、鼠标等，对于用户在虚拟世界当中的存在感可以得到有效的增强，但是在灵活程度方面有所欠缺。虚拟的控制技术可以实现将虚拟的人物和场景来实现交互的操作应用，比如虚拟的人物可以在虚拟的环境当中进行漫游。

第三个方面，属于维虚拟仿真系统的建立，三维虚拟仿真系统属于一个非常复杂且全面的系统，其中包含了多个方面的开发内容，比如三维视景数据库的建立和三维视景管理系统的开发。在三维视景数据库的搭建方面，需要确保交互性和三维性能，其两者之间需要确保实现稳定的逻辑内容关系。在环境当中存在的各个要素也需要根据所做出的控制行为来进行快速的响应和操作，最大限度地确保其互动性可以得到极大的应用和发挥，以此来进行模型的设计和构建，借助于三维视景数据库的建模和优化工具平台进行对应的操作，在两者技术的融合过程当中需要实现科学化的结合和融合。针对于初期的建模操作过程，可以利用普遍的建模工具来根据现实的事物进行操作完成。对于复杂的场景描述以及构造，需要基于三维视景数据库的技术来得以完善和实现，这一阶段中需要对多个方面的技术进行应用来实现综合化的开发，其中包含了漫游路径的搭建建设、LOD的设置以及三维模型数据层次化的存储技术等。针对于三维视景管理系统的开发来说，在底层的三维图形开发库的基础上进行完善，还需要确保和高层的开发平台来实现科学的融合开发，一般对于底层的三维图形开发的过程当中主要借助于DirectX和OpenGL两种方式来进行^[4]，需要对三维变换、三维坐标、光照以及视点的原理进行全面的掌握和了解，确保进行科学化的设计编码操作，以最快的速度进行系统的开发和操作应用。针对于高层开发平台工具来说，一般都会借助于软件开发者提供高级的API来有效地减少开发者的工作量，比如WorldToolKit、X-IG、VEGA以及OpenGVS等，在应用的过程当中性能良好。

3三维动画与虚拟现实技术相结合的优势

3.1 新技术的体验

对于虚拟现实技术来说，主要的核心内容为智能化技术，可以有效地对虚拟的物体进行交互以及其他方面的操作，在视觉方面形成对大脑的欺骗，利用此种方式来实现虚拟和现实的界限之间的有效的模糊，使人们可以产生身临其境的感觉。作为用户来说，可以进行两个平行世界的切换，打破虚拟与现实之间的界限。比如2018年上映的《头号玩家》，电影当中的人物在穿戴上感知设备之后，就可以进入到另外一个虚拟游戏的世界当中，以此来使得任一一个角色都可以感受到搭建的场景，比如车水马龙的都市等。计算机在进行虚拟世界设计的时候，需要利用科学化的方式来实现对其所出现的运动参数进行实时复杂化的计算，借助于穿戴设备来使得参与者产生临场感。对于虚拟的现实世界当中，人们五官感觉的延伸主要为感知穿戴设备^[5]。人们在虚拟世界感知事物的过程当中，所感受到的物理运动规律和真实世界需要实现一致的状态，虚拟现实的技术也可以对人类的五官真实感觉进行模拟，产生沉浸感、临场感。虚拟技术也可以给人们带来全景交互的视觉立体感，也就是说虚拟现实技术主要是由多种技术来构成的一个综合体，其中包含了实时3D计算机图形技术、虚拟场景的展示技术、头部追踪技术、眼球追踪技术、声音技术、知觉反馈技术以及手势捕捉技术等。

3.2 新动画新形式的增添

虚拟现实技术和三维动画的结合，使得动画增加了一种表现形式，也就是虚拟显示动画，对于动画的时间与空间的维度之间产生的关系可以进行有效的联动，以此来确保可以对视觉空间实现有效的扩展探索和应用，此种方式属于一种高度虚拟化的表现形式，属于一种艺术的表现形式，在实现的过程当中需要借助于用户全方位的想象力来实现，进行诱发和提升，实现多个时空之间的相互切换。观众可以在虚拟显示动画当中进行不同情感的体验，针对于互动和体验来说，可以在不同的时空当中进行，以此来不断地产生互动的乐趣，作为观众也可以跟随导演的思路对其所要表述的内容进行深入化的感受和体验。现代的观影模式属于一种全新的突破和创新，可以将观众置身于一个全新的空间和环境内部，根据自身的需求进行镜头的切换，带给参与者新奇的体验，有效地提升交互性、参与性。

4三维动画中虚拟现实技术的应用

三维动画和虚拟现实技术的结合，可以使得动画从传统的二维动画来转换到空间感的体现和交互当中。作为观众来说，可以借助于虚拟现实技术实现沉浸式的体验，在技术空间方面得以最大化的延伸，在虚拟和现实得以有效结合的基础上进行互动发展，最终实现“观者的参与方式则从单向的观赏，发展到交互式参与，再到置身于空间情境，最后发展为沉浸式的感官体验”的状态。

4.1 动画创作

在进行动画创作的过程当中，需要实现构思和感知方式的创新。首先在构思和五感的延伸方面，动画艺术属于动画创作者利用视像媒介创造出来的一种动态化的影像幻觉，可以对自身所想要表达的主观意识进行体现，在不同的技术下所使用的媒介有所不同。在虚拟现实此种技术的媒介当中会影响创作者自身的自我思维意识，凭借虚拟现实技术来实现广阔自由的发挥空间，营造出了一个和真实空间并行的虚拟空间。因此，虚拟现实技术的应用可以对创作主体自身的感知和感觉进行拓展强化，给动画艺术的创新发展带来了无限的可能。

4.2 绘画性的模拟——《梵高的世界》虚拟漫游的构思

首先，需要进行背景制作的了解，梵高的艺术创作素材属于一种文化的化身，可以实现价值取向、审美愿望和认知共情的大众化集合，借助于互联网平台来实现一个化身共体的塑造，表达群体的意愿和圈层的特征。因此，对梵高的一些绘画作品借助三维动画软件来进行场景的搭建，并结合虚拟现实技术可以实现对梵高生活时代场景的还原，最大限度地激发观众内在情感，提升艺术的融入情感价值。

其次，需要进行美术风格的设定，在作品的风格方面整体设定为油画，对画面的技术要求比较高，美术的风格方面需要具备独特性、绘画性，实现油画艺术语言和动画艺术的结合，最终达到一种真切的视觉艺术效果。梵高在进行绘画的过程当中，对情感的表达主要利用动感的笔触、夸张的色彩以及光影来表现，使得观众可以感受到全新的视觉体验。

最后，需要进行准备阶段的创作过程。项目的初期阶段需要在进行制作模型和贴图之前对相关梵高的素材進行全面的查找和了解，以此来参考制作的梵高对应的绘画资料，在数据整理之后进行室内室外的模型地图规划的确定，以此来实现对绘画作品里的房屋建筑、物品摆件进行规划^[6]。

4.3 再现到再造——《梵高的世界》虚拟漫游的三维构建

在梵高的作品当中，都属于平面化的作品，观众可以借助于自身的视觉感官来进行体会情感，利用梵高为题材的影片或者动画片主要是借助于视听层面进行情感的表达。但是在《梵高的世界》三维构建当中，进行动画创作维度的拓展，将更多的感官进行了结合，以此来让观众可以对梵高生活的年代进行体会，身临其境地体会梵高世界的忧郁、孤独的情感。在本文当中，主要选择了梵高的几幅作品来进行分析，其中包含了在阿尔的艺术家卧室、夜间咖啡馆、向日葵、播种者、普罗旺斯夜晚的乡间小路等，将画作作为参考，在三维的动画软件当中进行室内室外场景的搭建，利用二维平面的画作进行构建出三维的立体场景^[7]。

首先，需要进行模型的制作，利用3DSMAX软件进行《梵高的世界》主要模型的制作，以此来对漫游世界当中的场景进行搭建，梵高的作品属于2D作品，在建模的过程当中需要考虑3D场景，将无法看到的部分补全。其中revit为制作奥维尔教堂的模型，之后还需要对其各个模型的UV进行拆封，将其UV导入到PS当中，来实现对贴图进行绘制。

另外，在贴图制作的过程当中，虚拟现实技术当中的漫游场景当中的画面质感主要是利用贴图来进行体现的，在不同的审美风格当中具备不同的贴图和肌理，贴图的实现过程对于最终的呈现效果具有十分重要的作用。借助于PS技术来对基本的Bitmap位图进行制作，对于油画的风格笔刷可以借助于PS里肌理感较强的笔刷来实现，其中绘制的过程需要借助于P18传统油画、混色油画、油画布这3个笔刷来进行制作。

4.4 单一感官到交互感知——《梵高的世界》虚拟现实技术的开发

在传统的三维动画当中，过于追求视觉感官方面的质感表现，虚拟现实的融入可以使得动画的观看传播过程发生一定的变化，在视觉感官到五官的体验感知过程当中，借助于三维动画和虚拟现实技术来进行现实影像的表达，主要是在三维动画的制作过程当中基于计算机图像软件的基础上来实现的。借助于3DSMAX实现制作场景、模型、贴图，结合UE4引擎做交互，完成了单一感官到交互的转化。在《梵高的世界》当中虚拟漫游项目主要是借助于UE4完成了交互的功能。

在实际制作的过程当中分为多个步骤：其一为关卡的设计，需要创建出3个大交互主关卡和5个子关卡。在3个大的主的关卡当中分别为室内虚拟漫游关卡、相机动画关卡和第一人称漫游关卡，5个子关卡存储了教堂、星空等拆分开的模型。在子关卡的作用在于如果模型量巨大的时候可以将其模型进行分散在不同的子关卡当中，根据顺序实现逐步的加载^[8]。在关卡的设计当中，需要注意多个方面的因素，确保打开的速度要快，确保打开关卡蓝图可以看到界面的UI。交互界面设计当中，需要在初始化当中进行视频声音的设置。在虚拟漫游设计当中，需要借助于UE4自带的motioncontrollerpawn角色功能进行角色的创建。在相机动画截断当中，需要将所有模型进行拼接导入好，确保自动播放和播放完后暂停。借助于虚拟的引擎，对于《梵高的世界》这幅作品实现虚拟漫游的交互功能，确保观众可以与之互动，形成一个情感的共鸣。

5结语

综上所述，虚拟仿真技术可以将真实的物体映射到虚拟环境当中，借助于虚拟的三维动画场景来实现和人物或者事物的联系，借助于抽象的事物动画来反映具体的内容，确保人们可以对其中所包含的内容、内涵进行深入的了解。计算机虚拟仿真技术在各个行业领域的最大化应用，可以在方便人们生活的同时，对经济的经济发展也起到极大的促进作用。针对于三维动画的制作来说，需要借助于虚拟仿真技术的操作来进行全新视角的展现和创作，给人们带来良好的体验，虚拟仿真技术可以在增强三维动画制作效果的同时，对三维动画制作技术起到良好的促进发展作用。

参考文献

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