CN111275798A - 三维模型与特效交互系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维模型与特效交互系统，包括服务器，服务器包括三维人物信息数据库、三维场景信息数据库、媒体界面信息数据库、脚本模块、图形渲染模块、材质渲染模块、动画驱动模块、物理环境模拟模块。图形渲染模块包括二维光栅显示器、点阵打印机。材质渲染模块包括贴图模块、贴图信息数据库。动画驱动模块包括人物状态信息数据库、场景状态信息数据库、状态过渡管理模块。物理环境模拟模块包括物理属性信息数据库、物理运动模拟模块。本发明还公开了三维模型与特效交互方法，包括图形、材质渲染、动画驱动、物理环境模拟等过程。本发明采用三维模型及场景与特效渲染及过程控制实现三维立体动画设计，具有三维立体与图形渲染动态交互的特点。

Description

三维模型与特效交互系统及方法

技术领域

本发明涉及一种模型与特效交互系统及方法，特别涉及一种三维模型与特效交互系统及方法，属于计算机图形领域。

背景技术

目前在世界上，三维立体图形技术被广泛运用于影视制作、广告设计、建筑装潢设计、三维游戏制作等方面。三维效果主要过程包括建模、材质、灯光、渲染等四大方面，而其中三维建模和特效是整个制作过程的核心和基础，好的效果源于好的模型和特效，它给人以更强烈的视觉刺激，其震撼程度远远高于二维画面效果。有了物体的三维效果模型，就可以产生360度任意角度的视图，视图之间能保持正确的投影关系，为生产设计带来了方便，是二维技术达不到。

发明内容

本发明三维模型与特效交互系统及方法公开了新的方案，采用三维模型及场景与特效渲染及过程控制实现三维立体动画设计，解决了现有方案采用二维画面无法实现立体效果的问题。

本发明三维模型与特效交互系统包括服务器，服务器包括三维人物信息数据库、三维场景信息数据库、媒体界面信息数据库、脚本模块、图形渲染模块、材质渲染模块、动画驱动模块、物理环境模拟模块。三维人物信息数据库用于存储、管理三维人物数据信息，三维场景信息数据库用于存储、管理三维场景数据信息，媒体界面信息数据库用于存储、管理媒体界面信息，脚本模块用于制作、执行脚本。图形渲染模块包括二维光栅显示器、点阵打印机，二维光栅显示器用于将三维实体场景转换成具有多维光栅点阵的二维图像，点阵打印机用于在多维光栅点阵内填充像素色。材质渲染模块包括贴图模块、贴图信息数据库，贴图模块用于将贴图映射到场景的三维物体表面上，贴图信息数据库用于存储、管理贴图信息。动画驱动模块包括人物状态信息数据库、场景状态信息数据库、状态过渡管理模块，人物状态信息数据库用于存储、管理人物运动状态信息，场景状态信息数据库用于存储、管理场景运动状态信息，状态过渡管理模块用于管理不同运动状态间的切换过程。物理环境模拟模块包括物理属性信息数据库、物理运动模拟模块，物理属性信息数据库用于存储、管理物体的物理属性信息、物理参数信息，物理运动模拟模块用于模拟物理运动状态。

本发明还公开了一种三维模型与特效交互方法，三维模型与特效交互方法基于三维模型与特效交互系统，三维模型与特效交互系统包括服务器，服务器包括三维人物信息数据库、三维场景信息数据库、媒体界面信息数据库、脚本模块、图形渲染模块、材质渲染模块、动画驱动模块、物理环境模拟模块。图形渲染模块包括二维光栅显示器、点阵打印机。材质渲染模块包括贴图模块、贴图信息数据库。动画驱动模块包括人物状态信息数据库、场景状态信息数据库、状态过渡管理模块。物理环境模拟模块包括物理属性信息数据库、物理运动模拟模块。方法包括过程：系统从三维人物信息数据库、三维场景信息数据库、媒体界面信息数据库调取三维人物数据、三维场景数据、媒体界面后将三维人物数据、三维场景数据导入媒体界面，系统调用脚本模块制作、执行脚本，二维光栅显示器将三维实体场景转换成具有多维光栅点阵的二维图像，点阵打印机在多维光栅点阵内填充像素色形成场景三维光照的二维模拟图像，贴图模块从贴图信息数据库调取贴图数据映射到场景的三维物体表面上形成三维材质表面纹理渲染图像，状态过渡管理模块根据设定的状态切换参数调取人物状态信息数据库、场景状态信息数据库的动画数据进行替换操作来实现人物、场景的状态切换，物理运动模拟模块调取物理属性信息数据库的物理属性信息、物理参数信息模拟物体的物理运动状态。

进一步，本方案方法的贴图模块的贴图方式包括：阴影色贴图、过渡色贴图、高光色贴图、高光级别贴图、光泽度贴图、自发光贴图、不透明贴图、过滤色贴图、凹凸贴图、折射贴图、反射贴图、置换贴图。

本发明三维模型与特效交互系统及方法采用三维模型及场景与特效渲染及过程控制实现三维立体动画设计，具有三维立体与图形渲染动态交互的特点。

附图说明

图1是三维模型与特效交互过程的原理图。

图2是图形渲染过程的原理图。

具体实施方式

本发明三维模型与特效交互系统包括服务器，服务器包括三维人物信息数据库、三维场景信息数据库、媒体界面信息数据库、脚本模块、图形渲染模块、材质渲染模块、动画驱动模块、物理环境模拟模块。三维人物信息数据库用于存储、管理三维人物数据信息，三维场景信息数据库用于存储、管理三维场景数据信息，媒体界面信息数据库用于存储、管理媒体界面信息，脚本模块用于制作、执行脚本。图形渲染模块包括二维光栅显示器、点阵打印机，二维光栅显示器用于将三维实体场景转换成具有多维光栅点阵的二维图像，点阵打印机用于在多维光栅点阵内填充像素色。材质渲染模块包括贴图模块、贴图信息数据库，贴图模块用于将贴图映射到场景的三维物体表面上，贴图信息数据库用于存储、管理贴图信息。动画驱动模块包括人物状态信息数据库、场景状态信息数据库、状态过渡管理模块，人物状态信息数据库用于存储、管理人物运动状态信息，场景状态信息数据库用于存储、管理场景运动状态信息，状态过渡管理模块用于管理不同运动状态间的切换过程。物理环境模拟模块包括物理属性信息数据库、物理运动模拟模块，物理属性信息数据库用于存储、管理物体的物理属性信息、物理参数信息，物理运动模拟模块用于模拟物理运动状态。上述方案采用三维模型及场景与特效渲染及过程控制实现三维立体动画设计，显著提高了计算机图形效果。

本发明还公开了一种三维模型与特效交互方法，三维模型与特效交互方法基于三维模型与特效交互系统，三维模型与特效交互系统包括服务器，服务器包括三维人物信息数据库、三维场景信息数据库、媒体界面信息数据库、脚本模块、图形渲染模块、材质渲染模块、动画驱动模块、物理环境模拟模块。图形渲染模块包括二维光栅显示器、点阵打印机。材质渲染模块包括贴图模块、贴图信息数据库。动画驱动模块包括人物状态信息数据库、场景状态信息数据库、状态过渡管理模块。物理环境模拟模块包括物理属性信息数据库、物理运动模拟模块。方法包括过程以下过程。

系统从三维人物信息数据库、三维场景信息数据库、媒体界面信息数据库调取三维人物数据、三维场景数据、媒体界面后将三维人物数据、三维场景数据导入媒体界面，系统调用脚本模块制作、执行脚本，二维光栅显示器将三维实体场景转换成具有多维光栅点阵的二维图像，点阵打印机在多维光栅点阵内填充像素色形成场景三维光照的二维模拟图像，贴图模块从贴图信息数据库调取贴图数据映射到场景的三维物体表面上形成三维材质表面纹理渲染图像，状态过渡管理模块根据设定的状态切换参数调取人物状态信息数据库、场景状态信息数据库的动画数据进行替换操作来实现人物、场景的状态切换，物理运动模拟模块调取物理属性信息数据库的物理属性信息、物理参数信息模拟物体的物理运动状态。上述方案采用三维模型及场景与特效渲染及过程控制实现三维立体动画设计，三维模型及场景与实时渲染相结合，有效改善了动画的效果。

基于以上方案，本方案方法的贴图模块的贴图方式包括：阴影色贴图、过渡色贴图、高光色贴图、高光级别贴图、光泽度贴图、自发光贴图、不透明贴图、过滤色贴图、凹凸贴图、折射贴图、反射贴图、置换贴图。以上贴图方式均可以采用本领域现有公开的过程进行，也可以根据要求设计个性化的方式。

本方案公开了一种三维立体计算机图形方案，在三维模型的基础上，采用特效渲染与模拟自然环境结合，能够更广泛的应用在各类动画场景中。本方案的过程主要包括⑴导入制作完成的3D人物和场景；⑵确认场景里的坐标系统，输入系统；⑶制作脚本。脚本的设计需各种元素，基本的元素包含网格、材质、贴图、动画等，其中主要有四大块：图形渲染、材质渲染、动画驱动、物理环境。

图像渲染是将三维的光能传递处理转换为一个二维图像的过程。场景和实体用三维形式表示，更接近于现实世界，便于操纵和变换，而图形的显示设备是二维的光栅化显示器和点阵化打印机。将三维实体场景表示成N维光栅和点阵化的图形就是图像渲染，也即光栅化。光栅显示器可以看作是一个象素矩阵，在光栅显示器上显示的任何一个图形，都是具有一种或多种颜色和灰度象素的集合。

材质渲染首先需要了解物体的材质本质，其次调整基本参数。材质的表现需运用到贴图，材质贴图在计算机图形学中是把存储在内存里的位图包裹到三维渲染物体的表面。纹理给物体提供了丰富的细节，用简单的方式模拟出复杂的外观。一个图像(纹理)被贴(映射)到场景中的一个简单形体上，就像印花贴到一个平面上一样。这大大减少了在场景中制作形体和纹理的计算量。其中贴图方式如下12种贴图方式(Standard)：阴影色贴图(Ambient Color)、过渡色贴图(DiffuseColor)、高光色贴图(Specular Color)、高光级别贴图(Specular Level)、光泽度贴图(Glossiness)、自发光贴图(Self-Illumination)、不透明贴图(Opacity)、过滤色贴图(Filter Color)、凹凸贴图(Bump)、折射贴图(Reflection)、反射贴图(Refracion)、置换贴图(Dispacement)。在渲染程序中，材质是表面各可视属性的结合，这些可视属性是指表面的色彩、纹理、光滑度、透明度、反射率、折射率、发光度等，这些都可以制作贴图来表现。

动画驱动，动画控制器(Animation Controller)是Animator的重要组成部分，是模型动画的驱动，动画控制器是通过动画状态机来实现不同动画剪辑的切换。其一，动画剪辑(状态)就是每个动画模型所可以执行的动画剪辑(Animation)，比如休闲(Ideal)、走(Walk)、跑(Run)等。状态以圆角矩形表示，黄色表示默认的状态，即模型的默认动画状态。在实际操作中只要将动画剪辑拖拽到Animation Controller中就可以成为一个状态。每个状态就是一段动画，可以通过动画剪辑中的speed属性来控制动画播放速度，甚至进行倒序播放，例如，一个动画剪辑，将其速度设定为-1，则其将由最后一帧往第一帧播放。其二，过渡(Transition)指不同动画之间的切换条件，在动画状态机中以方向箭头表示。状态之间的过渡需要通过状态参数来进行控制，即在Unity中通过脚本控制状态参数之间的变化来控制状态之间的变化。比如，可以设定一个Float参数Speed来控制Idle、Walk和Run之间的切换。区分Idle与Walk：当Speed>0，就是Walk，而当Speed<0.01，就是Idle。区分Walk与Run，当Speed>0.5，就是Run，当Speed<0.5，就是Walk。通过这个设定，只要用对应的脚本就可以实现模型在Idle、Walk和Run之间切换。

物理环境主要表现出现实中的力学，对力的模拟。刚体(Rigidbody)是指在运动中和受到力的作用后，形状和大小不变，而且内部各点的相对位置不变的物体。绝对刚体实际上是不存在的，刚体是力学中的一个科学抽象概念，即理想模型。力(F)是物体对物体的作用，力不能脱离物体而单独存在，Unity的物理引擎就是以此为基础构建的。重力(G)是物体由于地球的吸引而受到的力，重力的施力物体是地心，Unity中的重力与其相似，重力的方向总是竖直向下。摩擦力在Unity中分为滑动摩擦力和静摩擦力，通常通过设置动摩擦系数和静摩擦系数来控制物体的运动(滚动摩擦一般不用)。弹力在Unity中是指物体受外力后产生与其相反方向的力，通常通过设置弹性系数来使物体获得弹性属性。扭矩力是使物体发生转动的力。阻尼(或减震力)是当物体受到外力作用而振动时，会产生一种使外力衰减的反力。本方案运用四大板块互相结合，在添加摄像机、灯光、地形，运用向量的加减法、点乘叉除、光照法线贴图、内存管理、图形优化等去做优化完成三维动画设计。

在人类漫长的历史进程中，受到技术条件的限制，无法简便、直接、快捷地用直观三维的方式来描述这个三维的世界，只能在沙土、羊皮、纸张的二维平面上，用影像表达和传递对这个世界的认识和创造，人们发明了平面投影和透视等方法，并基于纸张平面形成了抽象的二维平面文明体系，因此整个人类的全部历史，都可以说是基于纸张平面的二维文明，直到上个世纪电脑与网络的诞生。造纸术、印刷术，中国四大发明曾经为全人类的二维文明发挥了极其重要的作用。电脑的发明和快速普及，伴随互联网的飞速发展，迅速地改变和还原了这一切，深刻地改写着我们的生活方式、消费方式和工作方式、生产方式。基于电脑和互联网的三维数字化技术，使得人们对现实世界的认识重新回归到了原始的直观立体的境界。无论在虚拟的网络上，还是在现实的生活中，从大到飞机、轮船、汽车、电站、大厦、楼宇、桥梁，小到生活中的每一个小小的工业产品，到处都能见到电脑制作的数字化的三维模型、动画与仿真。这不仅是“二维平面”到“三维立体”的优美转身，更是二维平面时代到三维数字化时代的一场深刻革命。经过多年的快速发展与广泛应用，三维技术得到了充分的发展与普及，一个以三维取代二维、“立体”取代“平面”、“虚拟”模拟“现实”的三维浪朝正在各个领域迅猛掀起。三维技术的应用普及，有面向影视动画、动漫、游戏等视觉表现类的文化艺术类产品的开发和制作，有面向汽车、飞机、家电、家具等实物物质产品的设计和生产，也有面向人与环境交互的虚拟现实的仿真和摸拟等。具体讲包括：三维软件行业、三维硬件行业、数字娱乐行业、制造业、建筑业、虚拟现实、地理信息GIS、三维互联网等等。三维技术是推进工业化与信息化“两化”融合的发动机，是促进产业升级和自主创新的推动力，是工业界与文化创意产业广泛应用的基础性、战略性工具技术，嵌入到了现代工业与文化创意产业的整个流程，包括工业设计、工程设计、模具设计、数控编程、仿真分析、虚拟现实、展览展示、影视动漫、教育训练等，是各国争夺行业制高点的竞争焦点。

本方案三维模型与特效交互系统及方法并不限于具体实施方式中公开的内容，实施例中出现的技术方案可以基于本领域技术人员的理解而延伸，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。

Claims (3)

1.三维模型与特效交互系统，其特征是包括服务器，所述服务器包括三维人物信息数据库、三维场景信息数据库、媒体界面信息数据库、脚本模块、图形渲染模块、材质渲染模块、动画驱动模块、物理环境模拟模块，

所述三维人物信息数据库用于存储、管理三维人物数据信息，所述三维场景信息数据库用于存储、管理三维场景数据信息，所述媒体界面信息数据库用于存储、管理媒体界面信息，所述脚本模块用于制作、执行脚本，

所述图形渲染模块包括二维光栅显示器、点阵打印机，所述二维光栅显示器用于将三维实体场景转换成具有多维光栅点阵的二维图像，所述点阵打印机用于在多维光栅点阵内填充像素色，

所述材质渲染模块包括贴图模块、贴图信息数据库，所述贴图模块用于将贴图映射到场景的三维物体表面上，所述贴图信息数据库用于存储、管理贴图信息，

所述动画驱动模块包括人物状态信息数据库、场景状态信息数据库、状态过渡管理模块，所述人物状态信息数据库用于存储、管理人物运动状态信息，所述场景状态信息数据库用于存储、管理场景运动状态信息，所述状态过渡管理模块用于管理不同运动状态间的切换过程，

所述物理环境模拟模块包括物理属性信息数据库、物理运动模拟模块，所述物理属性信息数据库用于存储、管理物体的物理属性信息、物理参数信息，所述物理运动模拟模块用于模拟物理运动状态。

2.三维模型与特效交互方法，所述三维模型与特效交互方法基于三维模型与特效交互系统，所述三维模型与特效交互系统包括服务器，所述服务器包括三维人物信息数据库、三维场景信息数据库、媒体界面信息数据库、脚本模块、图形渲染模块、材质渲染模块、动画驱动模块、物理环境模拟模块，所述图形渲染模块包括二维光栅显示器、点阵打印机，所述材质渲染模块包括贴图模块、贴图信息数据库，所述动画驱动模块包括人物状态信息数据库、场景状态信息数据库、状态过渡管理模块，所述物理环境模拟模块包括物理属性信息数据库、物理运动模拟模块，其特征是包括过程：

系统从三维人物信息数据库、三维场景信息数据库、媒体界面信息数据库调取三维人物数据、三维场景数据、媒体界面后将三维人物数据、三维场景数据导入媒体界面，系统调用脚本模块制作、执行脚本，二维光栅显示器将三维实体场景转换成具有多维光栅点阵的二维图像，点阵打印机在多维光栅点阵内填充像素色形成场景三维光照的二维模拟图像，贴图模块从贴图信息数据库调取贴图数据映射到场景的三维物体表面上形成三维材质表面纹理渲染图像，状态过渡管理模块根据设定的状态切换参数调取人物状态信息数据库、场景状态信息数据库的动画数据进行替换操作来实现人物、场景的状态切换，物理运动模拟模块调取物理属性信息数据库的物理属性信息、物理参数信息模拟物体的物理运动状态。

3.根据权利要求2所述的三维模型与特效交互方法，其特征在于，贴图模块的贴图方式包括：阴影色贴图、过渡色贴图、高光色贴图、高光级别贴图、光泽度贴图、自发光贴图、不透明贴图、过滤色贴图、凹凸贴图、折射贴图、反射贴图、置换贴图。

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