摘  要： 基于為高校三維動漫教學提供良好的教學技術和實驗平臺，研究了三維動漫制作與虛擬現實技術相結合的方法，采用三維計算機圖形技術CG(Computer Graphics)、影像技術和運動捕捉系統，實現高質量高效率的三維動漫制作。介紹了將動漫技術、虛擬現實VR(Virtual Reality)設備和網絡技術相整合的交互動漫虛擬環境建設方案。
關鍵詞： 三維動漫；虛擬現實；計算機圖形學；運動捕捉；交互環境

　目前，中國教育行業中，中小動漫的制作技術還比較落后，與教育需求還有很大差距。而中小動漫企業的動漫作品制作效率低、制作費用高也使得動漫普及教學受到嚴重影響。對三維動漫制作與虛擬現實結合技術的研究，是探索適合中小動漫教學3D動漫制作的一種新方法。對3D動漫三維體驗環境的建設，是培養學生3D動漫專業技術素質，充分促進國家“卓越工程師教育培養計劃”有效實施的有力保障。
　首先，對前沿虛擬現實VR(Virtual Reality)系列裝備與傳統的3D動漫技術進行研究，動漫中的3D技術主要是通過電腦進行前期創意和后期制作。傳統的方法需要大量信息技術領域的中高級計算機圖形技術CG(Computer Graphics)專業人員，經專業人員的角色建模、美工、材質與燈光、動畫及電影特效等純軟件制作，制作過程效率較低、投入大，且對于一些與實際相結合的動漫作品的逼真度也較低，觀賞性難以引起觀眾的共鳴。而新的動漫制作方法主要是在建模和動畫兩個階段引入VR的三維掃描儀和運動捕捉等硬件系統，通過這些硬件設備的靈活運用，可大大提高3D動漫部分場景的逼真度，可使制作的效率大大提高，為3D動漫制作提供一種非常實用的制作方法。
其次，為了方便高校動漫專業實踐教學需要，建立一個動漫環境或動漫實驗室。制作動漫時，將現實環境融入到動漫制作過程中，實現“在動漫中學動漫”，充分體現了三維動漫與現實相結合的概念。該實驗環境具備先進的動漫制作技術理念，結合VR技術合理地組織資源，運用運動捕捉展示技術和人機交互技術，建成一個科學內涵豐富、體驗形式多樣、體驗層次清晰、真實地與動漫人物互動的體驗環境。
1 3D動漫制作技術現狀
　三維動漫制作技術綜合了計算機圖形學，特別是真實感圖形生成技術、圖像處理技術、運動控制原理、視頻顯示技術，甚至包括了視覺生理學、生物學等領域的內容，還涉及到機器人學、人工智能、物理學和藝術等領域的理論和方法[1]。如張藝謀的《十面埋伏》、夢工廠的《怪物史萊克》、以及《哈利·波特》等電影，幾乎都可以看到三維動漫制作的華麗痕跡。
1.1 國外三維動漫制作技術的發展現狀
　對于三維動漫制作技術的運用，最先進和最成熟超前的是歐美等國家。近些年，日本和韓國的三維動漫制作技術水平也提高很快。在動畫的制作上，三維動漫制作技術實現的要求要遠低于一部大電影制作的投入，從而應用也變得十分廣泛[2]。
1.2 我國三維動漫制作技術的現狀
　隨著數字動畫設計成為新的朝陽產業，中國的數字媒體也跟上了發展的步伐，現在己經進入“讀圖時代”。目前三維動漫行業在我國的發展很快，許多電視廣告、游戲和動畫片中，甚至一些電影中都能看到三維動漫制作設計的元素[2]。國內首部大型武俠三維動畫連續劇《秦時明月》備受業界和眾多動漫迷們矚目，其中第一部20集《百步飛劍》投資超過1 000萬人民幣，全系列共八部總投資預計超過5 000萬元人民幣。無論是在技術攻關還是成本控制上，《秦時明月》都克服了很多極具挑戰的難題。與以往歐美或日韓的作法不同的是，《秦時明月》一改以往此類題材作品以二維技術為主的局面，其中的人物、場景、特效全部采用三維CG影像和卡通渲染技術。此種三維影像表現方式，充分結合了三維與二維的優點，一改形象單一的三維人物臉譜以及過于寫實的動畫風格，兼具手繪動畫的精美細膩與三維動畫的強烈動態演出效果，帶給觀眾新鮮完美的觀影體驗，符合充滿幻想的《秦時明月》以武俠與奇幻為主題的唯美奇幻風格。同時由于采用全三維技術進行制作開發，人物、場景等元素一經完成便可重復用來調節動畫，素材利用率高，量產時大量節省了制作時間和人力成本。在武打表現上，《秦時明月》也采用了目前最先進、主流的高新動態捕捉(Motion Capture)技術來捕捉演員的動作場面，是國內首部以動作捕捉技術制作的全三維動畫片。而在以往的計算機動畫制作中，都使用三維動畫制作軟件來制作三維角色的形象并調制角色動作。整個角色動作都是由操作人員逐幀調整的，使得動作的制作工作變得十分煩瑣、復雜，且極易出現誤差，效率很低。而以Motion Capture為基礎的動畫制作系統將物體的實際動作數據記錄下來輸入計算機，經處理后由計算機在虛擬鏡頭中恢復，同時控制材質。由于該制作系統記錄的是物體的實際運動，所以動作精確、效率極高。可見，中國的動漫技術已經打開劃時代的新局面。
2 VR技術與3D動漫結合方法
　隨著CG的發展，虛擬現實VR和3D動漫技術都得到了很大發展，國內外行業的軟、硬件提供商分別開發了功能強大、性能優良的大量新產品。在研究它們各自的特點之后，探討了運動捕捉系統和三維掃描儀等VR設備與3D動漫制作相結合的技術。三維動漫虛擬系統設計如圖1所示。

　該系統將三維建模快速制作系統、動漫技術、VR設備和網絡技術進行有機整合，實現一個可交互的動漫虛擬環境。系統主要由運動捕捉系統、立體投射系統、交互輸入設備及分布式網絡虛擬平臺等組成。
在實施具體教學過程中，學生不僅能觀看到動漫場景，還可以融入動漫中，運用輸入設備讓自己在動漫中遨游。整個系統具備操作性強、參與感佳、隨機性好及實時效果優等特點。
2.1 三維建模系統
　在實際建模過程中，通常根據被模擬的現實世界對象的復雜性以及模型逼真期望程度，采用多種方式相結合形成模型數據。建模方法與所要模擬的對象類相關，也與應用領域密切相關。針對所要模擬對象的不同方面，可將當前流行的建模方法分為景物外觀建模、基于物理的建模、行為建模和虛實融合建模等[3]。景物外觀建模針對景物的外觀，主要包括基于幾何、圖像和材質光照信息的建模方法；物理建模在于體現對象的物理特性，使得動漫作品中的動靜態景物更加逼真，主要涉及物體的動力學、碰撞、變形等物理過程的模擬；虛實融合建模是一類重要的建模方法，可以使計算機生成的虛擬景物與現實世界的真實環境自然地融為一體。從而有效地提高VR建模的效率、靈活性和逼真性。
　對于動漫中的三維模型建模，可通過三維掃描儀掃描實物，建立表面三維數據。這些表面三維數據就是實物表面的三維坐標點集，得到的大量坐標點集稱為點云(Point Cloud)。這樣建立三維模型速度快、精度高，且形象逼真。
2.2 運動捕捉系統
    在計算機動畫中，手調動畫制作費時費力。如果大批量生產， 需要大量的資金和成批的角色動畫方面的專業人才，制作周期長，實現手調動畫實現真實風格比較困難。而使用結合VR中運動捕捉系統，能在較少資金較短時間內快速制作出大量真實風格的動畫。并在動作的真實性、節約資金、縮短制作周期等方面均優于手調動畫，在近幾年的國內外動漫影視中方面應用非常廣泛。
2.3 運動數據的可調性技術
　運動捕捉研究歷史較長，尤其是人體骨骼運動方面的技術比較成熟，從捕捉、追蹤、識別、骨架轉換到骨架調整，整套流程有比較完善的解決方案，但由于其自身特點的原因，仍存在一些不足。針對這些問題，利用某些軟件(如Film Box)的功能雖可以解決，但由于大多數動畫師不會使用這些軟件，在不同軟件間相互導入導出也比較麻煩。在角色動畫中，一般用動力學控制和運動學控制兩種技術來生成人體動畫，尤其是運動學中的反向運動學在三維動畫軟件中應用廣泛。這兩種控制技術都試圖利用人體運動的物理規律來生成人體動畫，但是由于人體運動規律的復雜性很高，特別是人體運動協調機制的模擬非常困難，因此生成的動畫并不逼真，而且缺乏實際人體運動中豐富的細節信息。而運動捕捉系統則克服了以上三種運動控制技術的缺點，成為人體動畫中最具有前途的技術之一。運動捕捉技術綜合運用計算機圖形學、電子、機械、光學、計算機視覺、計算機動畫等技術，在運動物體的關鍵部位設置跟蹤器，由捕捉系統捕捉跟蹤器的位置，再經過計算機處理后，為用戶提供在動畫制作中使用的數據[4]。當數據被計算機識別后，動畫師即可以采用數據驅動三維模型生成動畫，可方便地在計算機產生的鏡頭中調整、控制運動的物體。運動捕捉后的數據可以直接調入三維動畫中驅動三維模型，也可以通過第三方軟件作為“中間人”進行編輯，將模型和數據在軟件中進行匹配。
　加強運動捕捉系統取得的數據在三維軟件的可調性技術應用就是根據捕捉采集數據的特點，使用Maya的編程語言Mel來編寫一個可充當“中間人”的插件來實現。運動數據可以通過疊加、插入等不同方式進行修改，在前向動力學和反向動力學算法之間自由轉換，并且可以開發出友好的使用界面。為了方便使用，需要有一個友好的界面“中間件”使操作盡可能簡單，為動畫師提供方便，并節約制作時間。
　當運動捕捉角色需要做大量、復雜的調節時，應提供一套能適用于絕大多數情況的骨骼系統，這套骨骼系統既可以進行前向動力學調節，也可以進行反向動力學調節，而不用在不同骨骼之間選擇。這樣可以使工作更加規范，提高工作效率。所以骨骼系統要在功能強化與復雜程度之間取得一個平衡點。最終可設計四套相同的骨骼：運動捕捉數據骨骼、反向動力學骨骼、前向動力學骨骼及角色蒙皮骨骼。這幾套骨骼相互關聯，共同完成調節工作。
3 三維動漫虛擬環境建設實踐與應用
　學校從科研和教學兩個方面考慮，建立了三維動漫虛擬實驗室。實驗室一改傳統的虛擬現實實驗室或者動漫實驗室的建設思想，除了建立一個具有一定規模的傳統CG實驗室外，從三維動漫或網路虛擬實驗等產品開發和專業教學實驗的角度，還建立了一個“三維動漫虛擬環境”實驗室，使科研工作者或專業學生，實現“在動漫中學動漫”，在“虛擬中做實驗”。其硬件布局如圖2所示。

　圖2中，將運動捕捉系統的8個攝像機組相對均勻地分布在房間頂部四周；立體投射系統的投影機安裝在房間的頂部中央，立體投射屏幕靠墻安放；三維掃描儀可安置在房間兩個角落；其他設備例如系統計算機及網絡等設備分布在屏幕對面的墻壁一邊，整個房間的中央就出現了一個空曠的虛擬交互環境。通過本文系統設計理念，運用運動捕捉展示技術和人機交互技術，構建一個層次清晰、真實的與動漫人物互動的體驗環境。通過體驗區所提供的實踐機制來檢驗自己對動漫科學知識、科學方法的掌握和運用能力，從而綜合提高對動漫及虛擬技術的快速掌握與普及。
　三維動漫在中國市場上有著廣闊的應用前景，而三維動漫的制作是藝術和技術緊密結合的工作。文中通過對三維動漫制作技術與虛擬現實技術的研究，以及對動漫虛擬環境的建設技術的分析與實踐，為后期相關課題的實施奠定了良好的基礎。
參考文獻
[1] 簡述電腦三維動畫技術的最新發展及其應用現狀.http：//zhidao.baidu.com/question/89343560.html，2009.
[2] 周顯杉.淺談三維動漫制作技術[J].硅谷，2009(24)：45-46.
[3] 宋順林，詹永照.三維計算機動畫中人體建模方法的研究[J]，軟件學報，2005，6(5)：311-315.
[4] 劉賢梅，李冰，吳瓊.基于運動捕獲數據的虛擬人動畫研究[J]，計算機工程與應用，2008(8)：113-115.