三维动画技术与三维虚拟技术探讨

摘要：三维图形技术是一项十分先进的科学技术，在很多领域当中都有着十分重要的应用。目前，三维图形技术主要包含两个方面，三维动画技术与三维虚拟技术。本文首先对两种技术的应用原理进行了分析，然后阐述了两种技术相应的应用系统开发方法，最后对两种技术进行了对比。

关键词：三维动画技术；三维虚拟技术；对比研究

随着计算机技术和软件技术的不断发展和应用，三维图形技术也得到了很快的发展。相比于平面图形，三维图形更加立体、直观，能够更好的阐述相关内容，因此得到了人们的广泛重视。当前的三维图形技术主要包括三维动画技术和三维虚拟技术两种，这两种技术都是对想象的世界进行真实的模拟。其中，三维动画技术主要应用于广告、电影等预先设计好的演示，而三维虚拟技术则多用于仿真，需要对用户输入做出实时反应。

一、三维图形技术的应用原理

（一）三维动画技术的应用原理

1.造型

造型就是在计算机中利用三维造型软件进行三维物体的绘制。在造型之前，需要对三维物体在场景中的位置、以及它们的形状进行设计和确定。在进行造型的过程中，首先对基本的几何形状进行绘制，然后根据所需要的具体形状对其进行改变。再利用不同的方法，将这些形状进行组合，完成负责几何形体的建立。在三维物体制作完毕之后，在具体场景中，根据其适当的位置，将完成造型的三维物体放置其中，从而形成完整的场景[1]。

2.动画

动画的目的是使各个三维物体进行运动。对此，首先需要对关键帧进行定义，制作人员需要在计算机当中一幅一幅的进行画面的绘制。因此，要求动画制作人员的绘画水平必须达到较高的水平，才能够将动画画面设计的生动、逼真。然后，按照一定得顺序，将这些画面进行排列和组合，使其达到连贯和连续。此外，可以在动画当中插入一些中间帧的画面，可以利用计算机进行中间帧的制作。通过以上步骤，就可以制作出十分真实的动画。

3.绘图

在动画的制作当中，良好的视觉效果和非交互的美学体验是十分重要的。因此在动画绘图的过程中，需要对光纤、贴图、色彩等方面进行严格的控制，从而使动画效果能够更加的逼真、贴近现实[2]。

4.着色输出

在当前应用的动画制作软件当中，通常都对动画生成功能进行了提供。它可以将动画绘图过程中制作的画面进行连接，从而形成类似于电影的形式，这就是动画视频。动画视频是以视频文件的形式进行输出和保存，如果需要观看，只需要播放该文件，就能够进行观看。

（二）三维虚拟技术的应用原理

1.实时显示技术

目前，三维图形的显示技术已经较为成熟，但是最关键的问题就是显示的实时性。为了能够迅速的生成三维几何图形，对于图形的刷新频率要求就比较高，最低速率也要达到每秒15帧的图像刷新。要达到这一要求，与图形的复杂度、画面的纹理、阴影、照明度等因素都有着一定的关系。因此，三维图形实时显示技术的关键，在于对合理的技术措施进行利用，从而使可是场景的复杂度得到降低。

2.交互技术

在三维虚拟技术的研究当中，其一个重要的目标就是将人们所处的实际环境与计算机系统之间的界限进行消除。也就是说，在计算机系统提供的虚拟空间当中，人们可以通过语言、头、皮肤、眼睛、手势等感觉器官与行为动作，与其直接发生面对面的交互。目前三维虚拟技术的交互技术主要包括虚拟环境基本交互、虚拟环境交互、碰撞检测等方面。

3.三维虚拟仿真系统的建立

三维虚拟仿真系统的建立，是一个较为系统的工程，主要可以分为两个方面。其一是对三维视景数据库进行建立，在建立过程中，应当采用三维视景数据库建模和优化工具平台等进行模型的构建，而不宜采用3DS MAX等普通的建模工具。这样，才能够有效的提高反应速度，保证交互性和三维性之间的逻辑关系。其二是进行三维视景管理系统的开发，通过对良好的现实途径进行利用，使该系统能够调用各种数据库、优化硬件资源、显示系统最终的效果，实现各种操作[3]。

有两种途径能够实现系统的开发。第一种是对底层三维图形开发库进行利用。其中，DirectX、OpenGL等三维图形开发库较为常用。对该方法进行应用，要求先关的开发人员必须对视点、光照、三维变换、三维坐标的进行熟悉的掌握和应用，同时能够自行进行编码的设计，保证相关功能的实现。这种方式灵活性较大，同时由于是免费提供的，因此也不涉及到版权的问题。不过，对此种方式进行利用，需要进行大量的工作。如果需要进行一般规模系统的完整制作，至少需要一年以上的积累才能够完成。同时，系统内部很多的处理，都是由软件开发人员自行考虑的。因此，很容易发生考虑不周全的情况，导致制作出来的系统性能十分不理想。

第二种方式是对高层开发平台工具进行利用，例如OpenInventor、WorldToolKit、Worldup、X-IG、Vtree、VEGA、OpenGVS等工具平台。这样写开发平台都是以OpenGL图形标准为基础的高级三维可视化函数库，提供了高级的API软件的开发。通过对这些开发平台进行利用，能够有有效的减少代码量，从而降低工作量。在三维图形应用系统当中，这些开发平台具有周期短、性能好等优点，不过需要出资购买，因此成本较高[4]。

二、三维图形技术应用系统的开发方法

（一）三维动画技术应用系统的开发方法

在当前主要应用于三维动画应用系统开发的平台工具当中，3D Studio Max是一种应用比较广泛的工具。在实际应用当中，需要现在3D Studio Max中对三维场景内各个物体的立体模型进行绘制。如图1所示，是一个真空断路器的模型，它的构成主要是多个几何体。在3D Studio Max当中，对每一个几何体进行绘制，然后对其进行组合。在利用3D Studio Max制作动画的过程中，对真空断路器从当前位置向右进行90°水平旋转的动画，进行的方式为关键点的设定。然后加入特定的灯光、材质等效果，取得更加生动、逼真的显示效果。最后，利用渲染按钮，对一些相关参数进行设定，然后进行动画的生成[5]。假设设定的关键帧参数为5个，则这5个关键帧所对应的图片如图1中所示。

图 1 真空断路器动画的关键帧

将以上五个图片，按照一定的顺序进行连接，就能够生成相应的动画视频文件，并在需要的时候对该文件进行播放。在播放动画的过程中，上面五个图片通过连续的效果进行显示，就能够产生该断路器以90°向右旋转的视觉效果。如果需要达到垂直旋转的效果，需要重新对动画进行制作，将上述步骤中水平方向上的旋转改变为垂直方向上的旋转，然后以此进行后续工作，最终得到新的图片序列。在实际应用当中，有时为了取得相应的动画视频效果，需要成千上百张这样的图片进行组合，才能够最终实现。

（二）三维虚拟技术应用系统的开发方法

在三维虚拟技术应用系统的的开发当中，MultiGen+ OpenGVS是一个十分常用，也是十分有效的开发工具平台。在应用过程当中，三维视景数据库是通过MultiGen来建立的，如图2所示，是一个封隔器的模型。在以三维模型的形式进行显示的同时，在三维视景数据库当中，还通过各种参数的方式进行存储，以备后续工作中进行调用[6]。

图 2 封隔器模型

对三维视景进行相应的操作所利用的三维视景管理系统，是利用VC++的OpenGVS进行开发的。利用这个管理系统，能够对三维视景数据库当中的各个参数进行直接的读取，在显示器中显示三维模型，在适当的位置进行放置。同时对三维几何变换进行利用，对封隔器进行各种不同的操作，例如拾取、移动、斜向、垂直、水平等各个方面的旋转等。通过相应的编程就能够实现这项功能，而不需要进行关键帧、关键点的方面的制作。如果先要进行操作的增加，也不需要进行重新的建模和动画制作的过程，只需要添加能够实现增加操作的代码在原有的模型基础之上，就能够实现操作功能的增加，具有极大的灵活性和便利性[7]。

三、三维动画技术与三维虚拟技术的对比

（一）三维动画技术的固定性

在三维动画技术当中，三维动画的过程、时间都是无法改变的，是固定存在的。在三维动画播放的过程中，其动画画面的顺序不会按照用户的想法来实时的进行变化。而三维虚拟技术则不然，它没有时间上的限制，可以使展示过程更加的详细、真实。在三维虚拟技术系统当中，用户可以进行任意的操作，同时还会对用户进行的操作进行相应的反应。

（二）三维虚拟技术的实时性

三维虚拟技术的实时性，是其与三维动画技术之间最大的区别。由于具有良好的实时性，三维虚拟技术能够在虚拟场景当中，实现人机之间的交互。在三维动画技术当中，动画的制作是沿着某种固定路线进行制作的固定动画，一旦制作完成，就无法进行改变。如果需要改变演示的路径和方式，仅仅几分钟的动画还需要进行几天时间的制作和渲染。而三维虚拟技术则不然，它所制作的场景具有良好的可变形，用户可以利用键盘、鼠标、甚至数据手套等相关的交互设备，对虚拟三维空间进行亲身的体验，感受步移景异、身临其境的体验，其双向互动的功能十分良好。

（三）三维建模

在三维建模的过程当中，三维动画对模型的视觉效果、光照、美观等方面的要求比较高，因此在模型建立过程中，需要仔细的刻画更多的细节之处。而三维虚拟技术注重的是操纵和控制场景或场景中的物体。相比于三维动画，三维虚拟建立的模型细节之处通常比较少，这样能够使绘制速度得到提升，同时一能够降低滞后时间的影响。因此，对于需要根据用户的具体输入，对物体的状态和场景的改变进行实时的控制的应用来说，三维虚拟技术建模是最为合适的。例如，用户可以根据输入相应的命令，实现在街道、校园、旅游景点等地的游览。或是对事故现场进行模拟，通过人们的实际行为和动态，对事故发生的过程进行显示。还可以对油田油水井的井下作业过程进行模拟，根据给定的相关参数，对作业过程进行实施。如果给出不同的参数，那么具体的方案也会不同，作业的过程就会发生相应的变化。

结论

三维动画技术和三维虚拟技术是当前三维图形技术当中最为重要的两个部分，在很多领域中都具有十分广泛的应用。但是，在实际应用中，这两项技术都拥有各自不同的优缺点。在不同领域当中，能够发挥不同的作用。因此，应当根据两种技术的特点，结合实际应用的需要，选择最为适当的技术进行应用。

参考文献：

[1]刘贤梅，黄静，刘晓明. 三维动画技术与三维虚拟技术的研究[J]. 计算机仿真，2014，09：127-130.

[2]胡西伟. 基于三维动画与虚拟现实技术的理论研究[D].武汉大学，2012.

[3]张f. 数字媒体时代的三维动画变革研究[D].哈尔滨师范大学，2011.

[4]陈晓群. 虚拟现实技术与三维动画技术探析[J]. 艺术评论，2013，02：67-68.

[5]陈征. 二维动画与三维动画的融合研究[D].河北师范大学，2014.

[6]邱晓岩，孙慧. 影视动画二维技术与三维技术的探讨[J]. 深圳信息职业技术学院学报，2011，02：84-88.

[7]黄菁. 影视广告创作中三维动画运用之探析[D].浙江工商大学，2012.

作者简介：邱建英（1982―），女，汉族，湖南益阳市人，硕士，讲师，主要研究方向：计算机应用、交互式媒体技术、多媒体技术。