摘 要： 針對傳統三維動畫設計無法得到精準坐標數值的問題，該文提出虛擬現實技術下的三維動畫設計和應用研究。計算像素點坐標值，利用數值微分畫線算法，得到像素點所組成的直線段微分方程，獲取最終輸出值組成圖像元素；使用虛擬現實技術，轉換為立體表達方式，構建三維虛擬場景；根據視角差原理，采用攝像機模擬人眼成像效果，實現基于虛擬現實技術的三維動畫設計。仿真實驗結果表明，與傳統設計方法相比，該文所提出的三維動畫設計將虛擬現實技術應用到三維動畫設計能有效提高精準坐標數值和彌補傳統設計缺陷，使三維動畫的設計與后期修改工作更加準確快捷。
關鍵詞： 三維動畫設計; 虛擬現實技術; 立體表達; 三維場景構建; 仿真實驗; 效果分析;
Abstract： As the precision coordinate value cannot be obtained in the traditional 3 D animation design,the 3 D animation′s application research and its design based on the virtual reality technology are proposed. The coordinate value of pixel points is calculated,the linear segment differential equation composed of pixel points is obtained by means of the numerical differential line drawing algorithm, and the final output value is obtained to form image elements. By means of the virtual reality technology,the image elements are converted to stereoscopic expression to construct the 3 D virtual scene. According to the principle of visual angle difference,the camera is used to simulate the imaging effect of human eyes to realize the 3 D animation design based on the virtual reality technology. The simulation experiment results show that in comparison with the traditional design method,the proposed 3 D animation design using the virtual reality technology can effectively improve the accurate coordinate value,effectively make up for the defects of traditional design,and make the design and later modification of 3 D animation more accurate and fast.
Keyword： 3D animation design; virtual reality technology; stereoscopic expression; 3D scene construction; simulation experiment; effect analysis;
0、 引言
隨著計算機圖形學的發展，影像藝術呈現多元化發展趨勢，其主流表現由二維平面動畫逐漸轉向三維立體圖像[1]過渡發展，成為以動態影像為核心，綜合性更高的影像藝術。隨著計算機硬件迅速發展，對三維動畫的創作約束越來越小，人們能夠將自己心中所想利用設計軟件，繪制出三維動畫，將其思想完整地表現出來[2]。三維動畫能夠不受地點與時間的限制，在虛擬空間當中表達出二維動畫無法表達的空間立體效果，與二維畫面中的明暗對比、位置處理等技巧有很大差異，這種立體效果十分逼真，能夠在多個角度體現出動畫特點[3]。
三維技術的影響力強大，它使藝術創作的手段得到了創新，解放了傳統思想對于動畫設計的束縛。除藝術創作外，其也被應用到科學創新研究領域內和其他行業當中，例如車輛行駛模擬、生物教學、室內設計以及建筑業等領域。三維動畫的制作軟件更新較快，其操作簡單方便，支持多種輸出格式。角色動畫是三維制作中的核心，角色動畫的制作要注意其運動狀態，以及運動過程中的動作與變形。虛擬現實技術不僅僅是一種技術手段，它還具有更深層次的東西。隨著智能化時代的來臨，技術的創新與更新換代十分快速，但無論技術如何創新，都只是表達與傳遞人類思想的一種工具[4]。本文將虛擬現實技術融入三維動畫的設計制作當中，使其完成人機交互，以滿足人們生活和日常工作學習的相關需求。
1 、虛擬現實技術下的三維動畫設計
1.1 、三維動畫生成
三維動畫是由點線面拼接構成，其中，點是最基本的構成元素，其坐標可以是任何實數值[5]，利用像素點構成圖像線段，其繪制過程如圖1所示。
圖1 計算機掃描繪制過程
圖1中，圖1a）表示理想狀態的圖像狀態，圖1b）、圖1c）表示繪圖過程，圖1d）表示所呈現的實際圖像狀態。工作計算機中對應幀緩沖器與所呈現圖像對應關系如圖2所示。
圖2 幀緩沖器原理
圖2中的像素坐標采用固定整數值，且像素具有一定大小，在像素點構成直線前，需要先確定該像素坐標值[6]。
假設所需要的直線段為(MX,NX)(MY,NY)，則能夠得到該直線段的參數方程如下：
式中：m,n代表三維動畫圖像x軸和y軸的坐標點；t表示三維動畫場景尺度因子，且0≤t≤1。
若使,e=1,2,…,b，則能夠得到點列。由于圖形元素能夠滿足微分方程，則利用數值微分畫線算法，得到(MX,NX)到(MY,NY)的直線段微分方程為：
由式（2）則能夠得出Δm=(mY-mX)Δt，同理Δn=(nY-nX)Δt。
使Δt滿足條件，其中：
計算出Δm與Δn的數值，使me+1=me+Δm，且ne+1=ne+Δn，則獲取的像素坐標值為(me,ne)與(me+1,ne+1)。數值微分畫線算法在初始獲得Δm，Δn與Δt時需要進行乘除運算，其余部分只需要利用加法運算即可，以便于計算機的操作處理，最終輸出值為(me+1,ne+1)。
由于直線段是形成復雜圖形元素的基礎，當每一個坐標發生±1的改變時，另一個坐標值需要根據當前像素點與直線上點的誤差值決定是否發生改變[7,8]。
在上述基礎上，將虛擬現實技術應用到三維動畫的變換過程中，使其更加直觀逼真。
1.2 、基于虛擬現實的三維動畫變換
將動畫空間平面的視覺表達方式轉換為立體表達方式，將三維動畫以全方位的方式展現出來[9,10,11]。構建出一個獨立的虛擬空間，利用兩眼之間的視角差異，將豐富的想象空間留給大腦，創造出具有遠近維度的全新虛擬空間，其兩眼視角差如圖3所示。
圖3 兩眼視角差
人類的兩眼視角在感知物體以及其成像上存在差異[12]。利用攝像機模擬人眼的成像效果，利用VR眼鏡推動視覺感覺向縱深發展，使人們通過左右成像的不同，適應立體呈現出的三維虛擬人物動畫及場景動畫[12,13,14,15]。
2、 虛擬現實技術下的三維動畫應用實驗
設計對照實驗，將傳統三維動畫設計效果與將虛擬現實應用到動畫設計中，對照分析得出兩者間的差異。
2.1 實驗環境
實驗中三維動畫立體轉換部分采用Open GL三維工具軟件包輔助完成。Open GL是一款開放式圖形庫，在交互式三維動畫的編程與建模中，具有一定的優越性。其圖像開發環境、窗口系統、硬件環境與操作系統相互獨立，能夠在客戶/服務器的模式下正常運作。但在三維動畫的設計過程中，僅利用Open GL來實現存在一定困難，對于結構復雜的動畫場景仍需要其他三維建模工具。本文采用外部模型輸入的方式繪制設計，實驗中選用Autodesk Maya三維動畫軟件完成動畫渲染部分工作，其運行界面如圖4所示。
圖4 Autodesk Maya運行界面
2.2、 實驗方法
利用Open GL繪制模型，并完成數學描述；選擇RGBA色彩模式或顏色索引模式；選定光照處理的反射特性；設置三維場景視點；將其色彩信息及數學描述轉換為圖像像素；利用雙緩存技術，實現平滑的三維動畫效果。具體操作過程如圖5所示。
通過上述操作得到實驗仿真結果，并分析其兩者之間的差異。
2.3 、實驗結果分析
2.3.1 、不同方法構建三維動畫效果分析
為了驗證本文方法的有效性，對比本文方法與傳統方法構建的三維動畫圖，對比結果如圖6所示。
由圖6可以看出，傳統三維動畫的設計結果圖雖然也能夠通過立體圖像，構建出三維空間場景，但其表現方式仍舊被限制于平面之內，無法準確計算出各點坐標值。而將虛擬現實技術應用到三維動畫的設計當中，創造出基于真實世界的實時運行虛擬世界，使人們通過VR眼鏡置身于三維動畫的虛擬現實場景當中，則能夠通過計算得到準確坐標值，使三維動畫的設計與應用更加準確方便，達到了利用虛擬現實技術能夠使三維動畫的設計過程更加方便快捷的目地。
圖5 Open GL操作過程
圖6 實驗結果對照圖
2.3.2、 不同方法獲取坐標數值的精度分析
為了驗證本文方法在三維動畫設計中的可靠性，對比本文方法與傳統方法的坐標數值的精度，實驗結果如表1所示。
由表1數據可知，本文方法在獲取三維動畫坐標數值中精度較高，最高可達93.4%，傳統方法在獲取三維動畫坐標數值中精度最高為89.2%，通過對比可以看出，本文方法優于傳統方法，具有一定可行性，在該領域具有一定的意義。
表1 不同方法獲取坐標數值的精度對比
3 、結語
隨著科學技術的不斷進步，對藝術創作的要求越來越高，為此，本文提出虛擬現實技術下的三維動畫設計。將虛擬現實技術應用到三維動畫的創作當中，將動畫設計過程中的復雜工作簡化，使動畫信息的表達更加直觀，更加便于理解，擴展了動畫創作的手段與發展方向。實驗結果表明，本文所提方法能夠有效提高獲取三維動畫坐標數值的精度，具有一定實際意義。
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