计算机虚拟仿真技术在三维动画制作中的应用

虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术,就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术.由于计算机技术的发展,仿真技术逐步自成体系,成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法,而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术.本文对计算机虚拟仿真技术进行探讨,研究了在交互性视景三维动画制作中的应用.

【关 键 词】计算机虚拟仿真技术虚拟现实动画制作

虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术,就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术.由于计算机技术的发展,仿真技术逐步自成体系,成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法,而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术.虚拟现实（VirtualReality）技术,简称VR,是20世纪80年代新崛起的一种综合集成技术,涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等.它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境――虚拟环境,可以逼真地模拟现实世界（甚至是不存在的）的事物和环境,人投入到这种环境中,立即有“亲临其境”的感觉,并可亲自操作,自然地与虚拟环境进行交互.

通过研究大学文理科学生通识教育的课程设置,能为我们提供许多宝贵的借鉴,大学教育需要逐步实现科学精神与人文精神的融合.本文论述以虚拟仿真技术的应用,探讨仿真技术在交互性视景三维动画制作中的作者体现,以完善学生知识与智能结构而构建课程内容,根据学生的志趣和特长研究授课方式,并在课程考核方面,体现学生的团队协作精神,分小组完成作业,小组成员进行不同工作的分工协作,共同完成虚拟仿真作品.

1虚拟仿真技术

通识教育实际上是素质教育最有效的实现方式.在通识教育中,贯彻“博学与精专相统一的个性化素质教育”,在课程设置中充分体现这一原则.另一方面,该课程对选修的学生不设任何限制,无论是什么专业,无论有无相关的知识基础,只要对虚拟现实技术感兴趣都可以选修.

1.1学习仿真技术的基础要求

（1）学习计算机图形学与虚拟现实的基本理论与技术,了解计算机图形图像的生成、显示、处理、变换、动画、影视等的基本方法和技能.

（2）学习虚拟现实的基础知识,虚拟现实系统的构成原理,互动性视景三维动画制作工具软件,掌握虚拟现实系统和虚拟现实环境的设计和实现的基本方法和技能.

（3）采用实例进行讲解,使学生能在较短的时间内对虚拟现实应用有所了解,并学会制作视景动画作品.

（4）培养学生具有理论分析和解决实际问题的能力,具有面向高科技的研究能力和基本的面向工业的设计生产能力.

1.2虚拟仿真技术的掌握基本

在课程内容设置上,考虑了学生的接受能力,并能充分学习和了解虚拟现实技术的魅力,调动学生的学习兴趣,提高学生的动手能力.课程内容如表1所示

（1）计算机图形学.介绍计算机用户接口等方面的概况,了解图形用户界面和互动输入方法,掌握三维浏览的浏览线程,浏览坐标系,投影,实体浏览,广义投影变换,剪切,硬件实现等基本知识.

（2）虚拟现实技术概论.学习人机交互,虚拟现实的类型与应用,国内外研究现状等方面的概况.

（3）实现虚拟现实系统的三维交互设备.

学习三维跟踪传感交互设备,立体显示设备,手数字化设备,声音系统,硬件系统集成等理论与技术.

（4）实现虚拟现实系统的相关技术与软件.学习实事显示处理,三维虚拟声音显示,触摸和力量反馈,虚拟环境中的自然交互,三维建模等技术和软件工具.

（5）虚拟现实的建模软件.了解Creator的基础和几何模型的创建理论；掌握二维图形建立和三维模型造型技巧；掌握材质与贴图,灯光与环境的方法；掌握三维动画制作等功能,方法与技巧.

（6）虚拟现实建模语言VRML（VirtualRealityModelingLanguageVRML）.介绍语言概述,编辑器和浏览器,虚拟世界设计,综合编程实例,Creator与VRML等.

（7）虚拟现实开发工具EONReality.学习开发平台,浏览器,世界编辑器和材质库.了解虚拟世界中的对象,虚拟世界建造及中的应用三维虚拟世界等.

（8）交互式虚拟现实设计实例.通过实例学习交互性视景三维动画制作技巧,主动了解当代科技的发展趋势,从而提高学生的创新能力和实践能力,善于探索未知领域,具有组织管理能力,具有合作精神.

2虚拟仿真技术实践

VRML是一项和多媒通讯、因特网、虚拟现实等领域密切相关的新技术,是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言,它的主要特片有三维性、交互性、动态性和实时性.本文以VRML虚拟现实建模语言授课为例,为充分发挥同学们的创造性,在课堂授课中以实例为导向讲解节点的使用方法.

VRML节点集包括基本几何节点、复杂群节点、VRML场景效果节点、动画节点及动态感知节点等,本例为一乒乓球台,并实现双方打乒乓球的交互过程,使用以下几个相关节点：

Shape节点,定义乒乓球台、乒乓球和文字.

PositionInterpolator内插器节点,定义乒乓球的运动规律,所有的内插器节点都需要与和时间传感器TimeSensor相配合使用,把给定的时间规一化.TouchSensor触摸传感器则可用来让程序接收鼠标点击与触摸传感器同在一个局部坐标系的物体时点击动作,并将点击的时间等内容通过路由语句ROUTE传给其他节点或程序,进而进行相应的操作,本例点击乒乓球,乒乓球开始设定的运动,如图1所示.根据本实例的节点使用方法,同学发挥自已的创造力,设计相类似的球场运动,如图2所示学生设计的篮球球场.3三维动画作品展示

应用虚拟现实建模软件MultigenCreator创建建筑模型,学生题材的选取、素材的采集、模型比例设置、建模、贴图都凝聚的每组成员的力量,在整个项目的进展过程中,同学们体验到了美学的熏陶,计算机软件的魅力,团队合作的乐趣.如图3所示,是学生们在学习虚拟仿真技术之后,应用于三维动画制作的三维建筑模型的作品展示.

4结束语

通识教育选修课对拓宽学生知识面、培养能力、提高素质起着十分重要的作用.培养完整的人、通达有识见之人,从而增强学生学习主动性全面提高素质.通过视景三维动画的制作,学生们有了全新的体验,开拓通达的知识取径,陶冶美感和情操,拥有多元文化的思维,培养沟通与领导统御能力.

作者单位

1.北京理工大学珠海学院广东省珠海市519088

2.华南理工大学广东省广州市10641