徐玉明 高海忠

摘要：隨著Web技術(shù)在各行各業(yè)中逐步凸顯的重要性，尤其在三維動畫模型實時交互應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，在三維動畫交互中能夠?qū)⒛Ｐ凸こ涛募蟼鞯絎eb系統(tǒng)，同時也能夠直接利用Web系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時交互，現(xiàn)提出了將Web技術(shù)運用于三維動畫模型這一概念。同時，通過Web技術(shù)與三維交互技術(shù)的結(jié)合，讓虛擬三維動畫模型能夠更真實地呈現(xiàn)在Web網(wǎng)頁上，讓體驗者能夠以沉浸式的互動模式在Web網(wǎng)頁上感觸虛擬空間模型帶來的視覺沖擊，并從多維度觀察三維動畫模型，其發(fā)展和應(yīng)用增強了用戶和三維模型之間的交互體驗感。

關(guān)鍵詞：Web技術(shù);實時交互;動態(tài)網(wǎng)頁;三維動畫;虛擬現(xiàn)實技術(shù)

中圖分類號：TP37? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）26-0118-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維動畫實時交互技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如高科技VR產(chǎn)品應(yīng)用、動態(tài)交互式操作、體育運動虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)、航空操作訓(xùn)練仿真模擬系統(tǒng)、新媒體技術(shù)等方面，三維交互用戶體驗表現(xiàn)出從現(xiàn)實場景向虛擬空間發(fā)展的新趨勢。目前，Web頁面三維動態(tài)交互技術(shù)成為各個交互應(yīng)用領(lǐng)域中極其重要的技術(shù)，已經(jīng)成為計算機(jī)系統(tǒng)、圖形圖像處理、Web動態(tài)網(wǎng)頁設(shè)計、WebGL技術(shù)、虛擬現(xiàn)實模式識別等各個學(xué)科理論的技術(shù)基礎(chǔ)。

三維動畫模型實時交互研究的主要方向就是能夠在一種近似逼真的空間中去和三維模型進(jìn)行友好的交流對接，讓人們能夠進(jìn)入到一種真實感強烈的維度中去和模型進(jìn)行動態(tài)互動，正如自己在虛擬場景中去感受另一個時空的變化，像在一個體驗者在密室里去選擇不同的道路可以進(jìn)入不同的空間，在虛擬空間中可以操作進(jìn)行跳躍、奔跑、爬行等動作。其中，實時交互性也是互聯(lián)網(wǎng)3D圖形的最大特色，三維動畫模型交互技術(shù)主要包括模型的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、拾取、剖切、3D動畫模型的播放以及信息的顯示等。

本文的基本思路是設(shè)計研究基于WEB的三維虛擬空間漫游及三維模型交互系統(tǒng)，具體研究內(nèi)容包含了三維場景建模、三維動畫實現(xiàn)、動態(tài)實時交互操作、控制系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化等核心技術(shù)，整個三維模型系統(tǒng)需要在WEB操作界面進(jìn)行控制交互，可以實現(xiàn)三維空間虛擬立體化的交互及三維漫游的展示等功能模塊。

2 三維動畫虛擬交互系統(tǒng)建模

創(chuàng)建三維模型是建立三維動畫及虛擬漫游環(huán)境的基本前提，三維模型的精細(xì)化結(jié)構(gòu)可以提高體驗者的交互性，只有在高精度的模型空間中漫游才會有一種真實的體驗感，這就需要人們?nèi)ソ⒁环N抽象化的動態(tài)空間，通過提高三維模型的材質(zhì)及貼圖品質(zhì)，在高級渲染模式完成后帶給體驗者一種全新的沉浸體驗，在Web頁面的實時交互中獲得一種非同尋常的愉悅交互體驗，并在三維動畫交互的過程中切身體會到漫游虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的奧妙。然而，三維模型和漫游場景制作過于高保真，也將會導(dǎo)致系統(tǒng)需要運算處理的數(shù)據(jù)量出現(xiàn)進(jìn)程堵塞、數(shù)據(jù)量冗余的復(fù)雜情況，這將會嚴(yán)重影響虛擬漫游動畫交互系統(tǒng)的體驗感和流暢性。所以，在虛擬漫游環(huán)境中進(jìn)行建模，應(yīng)該在確保三維動畫模型精美真實的前提下縮小數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間差，盡可能減少系統(tǒng)的計算量及鎖死狀態(tài)，確保三維動畫及虛擬漫游場景能夠高品質(zhì)運行。

在本次三維虛擬空間漫游及三維模型交互系統(tǒng)中，使用3Ds Max2016進(jìn)行建模，將系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境場景等分類進(jìn)行精細(xì)化建模，有時由于模型要求過于精細(xì)還會使用三維雕刻軟件zbrush進(jìn)行紋理雕刻。此外，還有許多的動畫物體需要單獨建模，如位移的周期變化，運動物體的大小變化，物體之間的直接接觸，物體材質(zhì)貼圖的變化，物體在不同視角的感光度變化，物體的運動速率變化，物體的移動、旋轉(zhuǎn)、縮放等，這些都需要在虛擬漫游場景中進(jìn)行交互設(shè)計，讓系統(tǒng)具有無限生命力和活力。而在實時人機(jī)交互中為了使運動效果更加的真實，并在虛擬漫游場景中利用動效模型進(jìn)行空間位置的變化，以及最終模型效果整合中均采用 Virtools進(jìn)行模型制作。

基于WEB的三維模型虛擬實時交互系統(tǒng)的動畫建模中，使用了3Ds Max和Virtools兩者相結(jié)合的方法，虛擬漫游環(huán)境中的各種交互操作行為，如前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎、肢體彎曲、眼球轉(zhuǎn)動、面部肌肉表情變化等，都要使用3Ds Max進(jìn)行動效建模，完成后再導(dǎo)入Virtools中，因為Virtools 可以非常好的支持鼠標(biāo)，游戲手柄等外接設(shè)備的操作，增強了系統(tǒng)交互性。比如說，將虛擬實時交互三維系統(tǒng)中導(dǎo)入人物角色的模型，隨后進(jìn)行骨骼的蒙皮操作，再對骨骼進(jìn)行關(guān)節(jié)點上控制點設(shè)置，這樣骨骼就能帶動肌肉進(jìn)行運動，并調(diào)整人物角色滿足人體工程學(xué)的運動幅度，最后角色人物就能真實的進(jìn)行交互運動，該動畫虛擬交互系統(tǒng)的建模原理如圖1所示。

3 三維動畫模型交互效果優(yōu)化

對于虛擬空間漫游系統(tǒng)最終的交互效果，并不僅僅是依靠場景內(nèi)單個模型的優(yōu)良品質(zhì)決定，先利用3Ds max對場景中需要建模的較復(fù)雜部分進(jìn)行分部制作，然后將制作好的三維模型按照復(fù)雜度類型進(jìn)行復(fù)合，后導(dǎo)入至 Virtool 中，再對組合模型進(jìn)行場景空間位置的調(diào)整，然后在場景中加入適當(dāng)?shù)慕换ソ巧@樣會讓場景更具有沉浸體驗感，最后進(jìn)行虛擬場景整體的光源布設(shè)，并且進(jìn)行優(yōu)化的光源點位置調(diào)整，要考慮主光，輔助光，點綴光等因素。所以，要獲得最終逼真的虛擬空間效果需要建模、燈光、材質(zhì)貼圖、渲染等全流程組合，才能最終獲得完美的三維空間漫游系統(tǒng)虛擬模型。然而通過對三維動畫模型制作流程的分析，發(fā)現(xiàn)模型優(yōu)化環(huán)節(jié)與材質(zhì)制作、骨骼設(shè)置、交互動畫、場景特效、成圖渲染等工作環(huán)節(jié)都有緊密聯(lián)系，屬于整個制作流程中的核心環(huán)節(jié)，制作流程如圖2所示。

對于虛擬空間漫游系統(tǒng)而言，創(chuàng)建漫游路徑顯得尤為重要。先在虛擬空間中創(chuàng)建一個規(guī)劃好的路徑，使用Position on Curve 和 Bezier Progression 兩個模塊對運動主體進(jìn)行交互綁定，這樣最終就會完成指定路徑的漫游工作。此外，在虛擬空間漫游系統(tǒng)中為了讓體驗者更加真實地去感知場景帶來的沉浸體驗感，還需要設(shè)計模型交互應(yīng)用，如開關(guān)窗操作，燈光的開啟關(guān)閉，鐘表刻度針的旋轉(zhuǎn)等，借助于Virtools增強了虛擬空間仿真群組跨廣域網(wǎng)的交互能力，以及對模型多群組的監(jiān)控和管理能力，并能夠?qū)F(xiàn)有常用檔案格式進(jìn)行整合。通過模型物體自身所帶 BB 程序和系統(tǒng)的消息控制，高效的執(zhí)行虛擬場景中人機(jī)交互過程，而且可以實現(xiàn)多個虛擬動畫角色模型直接的同步運動。如圖3為人物角色模型頭部邊緣布線優(yōu)化后的效果。