基于虚拟现实的三维动漫制作相关技术研究.pdf

2024 年第 1 期76中国高新科技科技探索|TECHNOLOGY EXPLORATION基于虚拟现实的三维动漫制作相关技术研究管阳陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300摘要：文章探讨了基于虚拟现实的三维动漫制作相关技术，包括虚拟现实技术、动画技术、渲染技术和建模技术。首先，对虚拟现实技术的特征与优势进行分析总结；其次，重点探讨虚拟现实技术在三维动漫制作中的具体技术与应用方式；最后，提出应用中的注意事项。通过该研究，可以了解基于虚拟现实的三维动漫制作相关技术的应用和优化方法，为未来的动漫制作提供参考和借鉴。关键词：虚拟现实；三维；动漫制作；技术文献标识码：A中图分类号：TP391文章编号：2096-4137（2024）01-76-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.01.19Research on 3D animation production technology based on virtual realityGUAN YangShanxi National Defense Industry Vocational and Technical College,Xian 710300,ChinaAbstract:This paper discusses the related technology of 3D animation production based on virtual reality,including virtual reality technology,animation technology,rendering technology and modeling technology.Firstly,the characteristics and advantages of virtual reality technology are analyzed and summarized;secondly,it focuses on the specific technology and application of virtual reality technology in 3D animation production;finally,points for attention in application are put forward.Through this research,we can understand the application and optimization methods of 3D animation production technology based on virtual reality,and provide reference for future animation production.Keywords:virtual reality;three dimensions;animation production;technology三维动漫制作是当前动漫作品的主要制作方式，在多个类型的影视作品中均有应用，如最近大火的电影 流浪地球2中便大量使用了三维动漫技术。随着技术的不断发展，三维动漫制作也需要通过不断融合新技术而进行升级，满足越来越高的动漫制作要求。其中，虚拟现实技术因能通过采集现实中的物体、动作而有效提高三维动漫制作的精度与效率备受关注。因此，本文在具体探讨虚拟现实技术的基础上，对其在三维动漫制作中的相关应用进行探讨。1虚拟现实技术的特征与优势虚拟现实技术是一种利用计算机技术和感官仿真技术创建的虚拟世界，它可以模拟真实世界的环境和体验，并通过头盔显示器、手柄等设备将用户带入这个虚拟世界。该技术目前已经被广泛应用于游戏、教育、医疗、娱乐等领域。在游戏领域，虚拟现实技术可以为玩家带来更真实、更刺激的游戏体验，并且可以提高游戏的沉浸感和互动性。虚拟现实技术在三维动漫中的应用主要体现在制作与作品呈现两个方面。在制作环节，最核心的就是运用三维建模与运动捕捉技术等。例如，在“出塞”这一作品的制作过程中，对战鼓的比例与造型等加以分析，按照提供的素材，采用 VR 设计软件“出塞”副本中的战鼓，采取 3D Max 软件制作战鼓模型。在作品呈现环节，虚拟现实技术可以使得动漫观赏呈现不一样的感受，让用户沉浸在动漫作品中，获得更好的体验，提升作品的制作质量。刀剑神域是一部以虚拟现实技术为主要表现手段的动漫作品，主角桐人在现实世界中是一个虚拟游戏的玩家，但在虚拟游戏中意外死亡，被带入一个虚拟现实世界。在这个世界中，他需要完成各种任务以获得游戏中的“点数”，并用这些“点数”购买虚拟道具和装备。观众可以通过虚拟现实设备带入主角视角，从第一人称视角“观看”动漫作品。从现实的应用场景来看，虚拟现实技术主要具有如下 7方面特征：交互性。用户可以在虚拟环境中通过头盔显示器、手柄等设备进行交互，与虚拟环境中的物体进行互动，并且可以得到来自环境的反馈。构想性。虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，用户可以自由发挥，随意构造客观不存在甚至不可能发生的环境。多感知性。虚拟现实系统不仅具有一般计算机所具有的视觉感知能力，还具有听觉、力觉、触觉、味觉、嗅觉等感知能力。沉浸性。用户在虚拟环境中的感受与在真实环境中的感受一致，可以获得身临其境的感觉。虚拟现实技术可以模拟真实环境下的视觉、听觉、力觉、触觉等感知体验。自主性。用户可以在虚拟环境中自由行动，不受现实世界的限制。用户可以在虚拟环境中自由探索、冒险、创造等，充分发挥自己的想象力和创造力。实时性。虚拟现实技术可以实现实时交互和反馈，用户可以在虚拟环境中随时获得来自环境的反馈，从而更好地掌握虚拟环境中的信息。自适应性。虚拟现实技术可以根据用户的实际需求和情况进行自适应调整，以提高用户的体验感和舒适度。从特征角度分析，与传统的三维动漫制作技术相比，应2024 年第 1 期77中国高新科技TECHNOLOGY EXPLORATION|科技探索用虚拟现实技术主要具有如下 3 方面优势：虚拟现实技术可以创建更加真实的虚拟场景和环境，让观众感觉自己置身其中，更好地体验动漫作品的情节和氛围。同时，能够实现更加自由和直观的互动方式，让观众可以更加深入地参与动漫作品，与角色建立更加紧密的联系。虚拟现实技术可以节省大量的实体制作成本和时间，让动漫制作可以更加高效和快捷。在作品呈现方面，虚拟现实技术的应用可以创建更加真实的虚拟场景和环境，让观众更加深入地感受动漫作品的世界，增强观众的沉浸感和代入感。同时，使动漫制作者可以更加自由地创作自己想要的动漫作品，不再受限于传统的动漫制作方式和技术，更加灵活和自由。2虚拟现实技术在三维动漫制作中的关键技术基于上文的分析不难发现，虚拟现实技术在三维动漫制作中具有极高的应用价值，从具体的技术及应用环节来看，其主要包括如下 3 个方面。2.1虚拟现实技术在动漫场景建模中的应用通过计算机图形学技术和相关软件工具，将三维场景中的物体、道具、场景等要素进行建模，生成高精度的三维模型。建模技术可以实现场景中物体的精确建模和交互操作，具体包括基于光学图像的建模技术、基于几何建模技术、基于力反馈建模技术 3 种。值得一提的是，通过虚拟现实构建的动漫场景模型可以以单独文件的形式进行保存，进而在不同的场景下得到重复性应用。如针对场景道具的建设，可以在另一个场景下通过重新排列、布置等方式进行应用，从而提高制作效率（图 1）。图1利用虚拟现实采集图像构建的动漫场景2.2虚拟现实技术在动漫场景渲染中的应用传统的场景设计仅能够对其外观形象进行简单的构建，存在边角不清、边界模糊、色彩单调等问题。虚拟现实技术能够对现实中的真实场景进行有效捕捉，从而形成有效的场景渲染，而利用几何光源技术对现场的真实场景进行还原的虚拟现实技术在其中发挥着不可替代的作用，具体包括聚光技术、光线跟踪技术、体积光技术、相机标定技术等多个方面。在技术应用方面通过如下基本步骤予以实现：（1）视场角进行计算。视场角是指相机能够捕捉到的视野范围，它与相机焦距有关。公式如下：（1）式中，FOV 表示视场角；f 表示可变焦距；cx和 cy分别表示相机主点在 x 和 y 方向的像素数。通过式（1）可以确定观众在场景中的视觉焦点。当观众以旁观者为视角时，视觉起点则为观众视角；当观众以参与者为视角时，视觉起点应涵盖其所能覆盖的视觉区域。（2）在视场角的固定模式下对可变焦距进行计算。可变焦距是指相机能够捕捉到的实际物体距离，它与相机的成像原理和传感器尺寸等有关，在动漫中可变焦距是在视场角模式下对人眼视距进行仿真，如近大远小的基本规则、视界模糊等基本现象，使得作品场景的呈现更为真实，其公式如下：（2）式中，f 表示可变焦距；r 表示物体到相机的距离；d 表示相机的镜头焦距；v 表示视点的坐标；theta 表示相机主点的方位角。（3）对运动中的视角进行跟踪。该计算的重点在于描述当视角进行转变或角色在场景中移动时，视场角必然发生变化，而在引入可变焦距的情况下，利用视角统一方程式（3）对各参数进行计算：（3）式中，F1和 F2分别对应视角位移前后的摄入视角；x 和y 是位移前后视角的相对的位置；z 是场景与视角的相对位置。在虚拟现实中这一过程是连续且自动的。2.3虚拟现实技术在动漫运动捕捉中的应用在传统的三维动漫制作中，需要通过人物动作的分解分别制作不同的三维模型，很难实现动漫形象的连续动作。此外，在传统制作过程中人物与模型之间的互动关系较为僵硬，且动作的流畅感与仿真度显著不足。引入虚拟现实技术后，可以通过对运动建模的构建、对动作的捕捉等方式获取真实场景下的人物动作模型，从而为动漫动作制作提供辅助。其制作过程主要包括如下 3 个基本过程：（1）运动建模。建立动漫角色的模型，包括骨骼模型、肌肉模型等，为后续的动作捕捉和动漫制作提供基础。（2）运动捕捉。动作捕捉是虚拟现实技术应用的重点。通过运动捕捉系统，将现实世界的运动信息转化为数字信号，并将其输入建好的模型中，从而实现动漫角色的运动控 2024 年第 1 期78中国高新科技科技探索|TECHNOLOGY EXPLORATION制。动作捕捉是指利用各种传感器，如 2D 相机、MEMS 传感器、惯性传感器等，对人体或其他运动物体的运动轨迹进行跟踪、测量和记录，并将记录下来的信息进行处理，最终在虚拟的三维空间中重建运动轨迹的技术。动作捕捉技术的应用范围非常广泛，在动漫制作中的应用包括以下方面：角色动作捕捉。通过捕捉动漫角色的动作，制作出具有真实感的动画效果。表情捕捉。通过捕捉动漫角色的面部表情，制作出更加生动的面部表情动画。动作捕捉训练。通过利用动作捕捉技术对动漫角色进行训练，可以提高动漫角色的动作表现力和真实感。动作捕捉合成。将多个动作捕捉数据合成为一个完整的动作，以便制作出更加流畅的动画效果（图 2）。（3）动作分析。在动漫中常常需要构建现实中无法完成的动作，如飞行、空中打斗等。这些需要在对现实动作进行捕捉与分析的基础上进行仿真模拟，从而提高动作制作的遵从性与真实度。具体有：对动作元素的拆解，包括各种小动作，如手指的张开、握紧、抬起、放下等。这些动作元素之间进行随机组合形成了一个完整的动作。随后通过几何变换矩阵对动作改变过程中的描述进行几何变换时，以实现虚拟动作的仿真（图 3）。图2动作捕捉技术示意图图3动作分析逻辑示意图3虚拟现实技术在动漫制作中的注意事项虚拟现实技术可以为动漫制作带来很多好处，比如增强现实感、提高视觉效果、增强互动性等。然而，在应用虚拟现实技术时也需要注意一些事项。（1）真实感和交互性是应用虚拟现实技术时需要注意的两个重要方面。在制作动漫时，需要尽可能地让虚拟场景和角色看起来真实可信，同时还要让用户能够自然地与虚拟对象进行互动。这就需要在制作过程中注重细节，如光照、材质、动画效果等，以确保最终的作品能够达到预期的效果。（2）需要注意用户体验。在使用虚拟现实技术时，用户的体验是至关重要的。因此，需要在制作过程中注重用户体验，确保用户能够感到舒适、自然和易于使用。例如，可以在场景中加入语音交互功能，让用户能够通过语音指令与虚拟角色进行交互，从而增强用户的参与感和体验感。（3）内容的安全性也是应用虚拟现实技术时需要注意的一个重要方面。在使用虚拟现实技术制作动漫时，需要保护用户的隐私和安全，避免出现信息泄露和被攻击等问题。因此，需要采取一系列措施保护内容，如使用安全加密技术、数据备份和防火墙等。总之，虚拟现实技术在动漫制作中的应用是一个充满挑战和机遇的领域，需要制作团队在技术应用上保持警觉，注重用户体验和内容安全，同时需要关注技术的可行性和发展趋势，不断创新和优化，推动动漫产业的发展。4结语本文探讨了基于虚拟现实的三维动漫制作相关技术，包括虚拟现实技术、动画技术、渲染技术和建模技术。通过本文的研究，可以了解这些技术的应用和优化方法，为未来的动漫制作提供参考和借鉴。同时，需要注意在应用虚拟现实技术时保持真实感和交互性、关注内容的质量和安全。作者简介：管阳（1981-），女，河南濮阳人，陕西国防工业职业技术学院副教授，研究方向：数字媒体艺术。参考文献1 张玉芹基于几何模型的虚拟建模技术实现三维动漫场景建模 J现代电子技术，2021，44（7）：82-862 陈子燕三维动漫制作与虚拟现实的融合探讨 J数码世界，2020（11）：173-1743 上官丽婉数字媒体艺术在动漫设计与制作中的应用分析 J大观，2020（9）：77-784 张幸三维动漫制作与虚拟现实技术相结合的探索研究 J艺术科技，2020，32（3）：102-1035 杨小艺基于虚拟现实的三维动漫制作相关技术研究J自动化与仪器仪表，2020（11）：58-59，62（责任编辑：张志明）