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立体动漫虚拟技术研究与应用.rar

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    立体 动漫 虚拟 技术研究 应用
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    科技学院 2011 届本科毕业论文立体动漫虚拟技术研究与应用专 业: 通信工程 指导教师: 陆安江 学生姓名: 王 乾 学生学号: 072004111457 中国﹒贵州﹒ 贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计)诚信承诺书本人郑重承诺:本人所呈交的毕业论文(设计),是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文(设计)中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。特此声明论文(设计)作者签名: 专业(班级): 通信工程 学号: 072004111457 日 期: 2011.5 贵州大学科技学院本科毕业论文 (设计) 第 I 页目 录摘要 ............................................................................................................................................IIAbstract.....................................................................................................................................III第一章 绪论 .............................................................................................................................11.1 论文的提出 .....................................................................................................................11.2 研究背景及意义 .............................................................................................................11.2.1 立体动漫是动漫发展的必然趋势 ..........................................................................11.2.2 虚拟现实技术迅速发展并被广泛运用 ..................................................................2第二章 动漫和虚拟现实技术的发展与现状 .........................................................................62.1 三维立体动漫的出现 .....................................................................................................62.2 4D 动漫电影的兴起 .......................................................................................................62.3 虚拟现实技术的发展概况 .............................................................................................62.3.1 虚拟现实技术的基本特征 ......................................................................................72.3.2 虚拟现实技术在各行业的应用 ..............................................................................8第三章 动漫虚拟技术的设计与实现 ...................................................................................123.1 动漫制作相关软件 .......................................................................................................123.2 三维动画软件介绍 .......................................................................................................123.3 动漫制作硬件配置 .......................................................................................................143.4 动漫制作流程与要点 ...................................................................................................143.5 简单立体动画制作过 程 ...............................................................................................19第四章 虚拟技术对动漫发展前景的影响 ...........................................................................264.1 虚拟技术在动漫制作的可行性发展 ...........................................................................264.2 虚拟技术运用的局限性 ...............................................................................................264.3 对立体动漫虚拟技术的展望 .......................................................................................26参考文献 ...................................................................................................................................28致谢 ...........................................................................................................................................29贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页立体动漫虚拟技术研究与应用摘要为了满足日益增长的观众的视觉感知、立体动漫产业逐渐成熟。区别三维卡通,不断成长的 4D 动漫是三维的立体电影和周围环境仿真组件组成的四维空间。加入虚拟技术就是为了使动漫变的更加逼真。立体动漫发展的一个热点就是虚拟的场景会随着观看者的位置而改变,使周围环境更加生动。此次我们讨论的就是怎样让虚拟的动漫角色与现实场景结合在一起。通过虚拟的场景,使观众能自由观看,自主地变换观看角度,体会周围的环境,体验和感受动漫角色的故事。日渐成熟的技术会使观看动漫的人们得到视觉的享受,这将是未来发展的趋势。运用了虚拟技术的动漫能让观众体验到主角就在自己身边,触手可及。本文主要从三个部分进行介绍。第一部分:主要讲了立体动漫的发展,其中主要以 3D 和 4D 为代表,描述他们的发展和现状。以及虚拟技术的发展情况。第二部分:主要介绍动漫的制作流程以及要点以及虚拟环境和人物模型所需的工具和步骤。第三部分:主要是通过对虚拟技术的了解,对未来动漫虚拟技术的展望。 关键词:立体动漫;虚拟技术;应用;发展贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页Three-dimensional cartoon virtual technology research and applicationAbstractIn order to meet the growing audience's visual perception, three-dimensional cartoon industry gradually mature. Difference of 3d cartoon, growing 4D anime is three-dimensional stereoscopic films and the surrounding environment simulation component of four-dimensional space. Join the virtual technology is to make anime become more realistic. The development of three-dimensional cartoon is virtual scene a hot spot with the viewer location and change, enabling environment more vividly. This is how we discuss the role of anime and allow virtual and real scene unifies in together. Through the virtual scene, make the audience can free watch, watch Angle independently transform the environment around, experience, experience and enjoy cartoon characters story. Mature technical will make watch anime people get visual enjoyment, this will be the future development trends. Using a virtual technology can let visitors experience in animation to protagonist in their own side, within easy reach.This paper mainly introduced from three parts. The first part: mainly about three-dimensional cartoon development, which mainly 3D and 4D for represent, to describe their development and the status quo. And the development of virtual technology situation. Part 2: mainly introduces the production process and key points cartoon character model and virtual environment and the necessary tools and steps. Part 3: mainly through the understanding of the virtual technology for future anime virtual technology, a prospect. Keyword:Solid anime, Virtual reality, Application, Development 贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页第一章 绪论1.1 论文的提出不断地将高科技运用于娱乐产业中,为人们提供更为丰富多彩的文化生活和感官体验,是科学技术发展的最终目的。动漫的出现,使人们有了消遣方式和对未来的梦想,我们能把我们不能实现的都做成动漫。动漫家可以通过自己的想象来塑造一个个梦幻的童话和美丽的王国。他们可以想做任何你做不到的事,可以天马行空的想象,可以让任何东西都有语言能力,可以让原本死气沉沉的东西充满灵魂。我们则可以在任何时候去观看动漫人物的生活,并与自己相结合。现在立体电影正是流行的趋势,利用一些高科技技术,我们却能够在一个看上去平面的东西上看到一个个立体的人物,建筑,风景。虚拟现实技术日益发展,运用到各个学科领域,给人们带来全新的感官体验。如果将两者的优势结合,产生一种全新的动漫影片形式,在低廉的技术成本和合理的商业运作下,必将有广阔的发展前景。1.2 研究背景及意义立体动漫风靡全球,越来越逼真的视觉效果和丰富的感官体验吸引着越来越多的观众。更多的资金和人力投入到立体动画电影的制作中来,人们对立体动漫的要求也就越来越高。虚拟技术会让我们分不清哪是虚拟,哪是现实,将虚拟技术和动漫相结合,必会是观众的观看体验得到升华。只要有了需求,那虚拟技术的发展前景将会令人无比期待。1.2.1 立体动漫是动漫发展的必然趋势1953年5月24日立体电影首次出现,好莱坞为了夺取观众观看动漫,推出了新的播放模式----立体动漫。由于戴着 3D眼镜,观众们在看一些惊险刺激的动漫时,会发现那些人物和建筑就在自己的面前。从那之后我们进入了立体电影时代。三维立体电影的发展有两个阶段:胶片立体电影阶段和数字3D电影阶段。立体动画电影主要集中在数字三维电影阶段。由于3D电影的画面是通过特制眼镜与银幕之间光线的交接和画面视角频繁切换而形成的,这使眼睛向大脑传达自己真的在动这一讯息,但大脑却没收到肌肉运动的信号,于是头脑就会发生知觉错误,加上耳前庭器的平衡感被打乱,有些人就可能出现头晕、恶心等不适。其发展到目前为止可以分为3个阶段。1995年至2000年是第一阶段,此阶段是三维动画的起步以及初步发展时期。在这一阶段,皮克斯/贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页迪斯尼是三维动画影片市场上的主要玩家。 2001年至2003年为第二阶段,此阶段是三维动画的迅猛发展时期。这一阶段是皮克斯和梦工厂的天下,两个公司都有自己独特的动漫作品:梦工厂有《怪物史莱克》,而皮克斯就有《怪物公司》;皮克斯有《海底总动员》,而梦工厂也有《鲨鱼黑帮》。从04年开始,三维动画影片步入其发展的第三阶段———全盛时期。在这一阶段,许多公司的动漫都很受欢迎:《冰河世纪》就是福克斯的代表作,这一次他们又与皮克斯和梦工厂合作推出了《冰河世纪2》。此外,迪斯尼也推出了第一部由自己独立完成的动画电影《小鸡》。而梦工场,他们又推出了一部《怪物史莱克3》,受到了热捧,并且将继续推出史莱克系列动画。立体动漫有许多优点,比如:能够完成实拍不能完成的镜头;制作不受天气季节等因素影响;可修改性较强,质量要求更易受到控制;实拍成本过高的镜头可通过三维动画实现以降低成本;实拍有危险性的镜头可通过三维动画完成;无法重现的镜头可通过三维动画来模拟完成;能够对所表现的产品起到美化作用。1.2.2 虚拟现实技术迅速发展并被广泛运用虚拟现实技术(Virtual Reality),又称灵境技术,是 90 年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起,为人机交互界面的发展开创了新的研究领域;为智能工程的应用提供了新的界面工具;为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于,计算机产生一种人为虚拟的环境,这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间,或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用,改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式,尤其在需要对大量抽象数据进行处理时;同时,它在许多不同领域的应用,可以带来巨大的经济效益 [1]。上世界 60 年代开始,美国的计算机学术界就开始了虚拟技术的萌芽。1959 年克里斯托弗(Christopher Strachey)发表了一篇学术报告,名为《大型高速计算机中的时间共贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页享》(Time Sharing in Large Fast Computers),他在文中提出了虚拟化的基本概念,这篇文章也被认为是虚拟化技术的最早论述。现在由于虚拟化技术在 x86 服务器上的迅速普及已经引发了虚拟化技术的热潮,但虚拟化技术最初只是应用在大型主机上。大型机上的虚拟分区技术最早可以追溯到上世纪六、七十年代。早在上世纪 60 年代,IBM 公司就发明了一种操作系统虚拟机技术,允许用户在一台主机上运行多个操作系统,让用户尽可能地充分利用昂贵的大型机资源。最早使用虚拟化技术的是 IBM 7044 计算机。IBM 之后,在上世纪 60 年代还开发了型号为 Model 67 的 System/360 主机。Model 67 主机通过虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor)虚拟所有的硬件接口 [2]。1965 年 IBM 公司的“M44/44X”计算机项目,定义了虚拟内存管理机制,用户程序可以运行在虚拟的内存中,对于用户来说,这些虚拟内存就好像一个个“ 虚拟机 ”,为多个用户的程序提供了独立的计算环境。IBM 提出的虚拟机技术,使一批新产品涌现了出来,比如:IBM360/40, IBM360/67,以及 VM/370,这些机器在当时都具有虚拟机功能,通过一种叫 VMM(虚拟机监控器)的技术在物理硬件之上生成了很多可以运行独立操作系统软件的虚拟机实例。由于虚拟化技术技术在商业应用上的优势,RISC 服务器与小型机成为了虚拟化技术第二代受益者。1999 年,IBM 公司在 AS/400 上提出了上“ 逻辑分区(LPAR)” 技术和新的高可用性集群解决方案。在 POWER 管理程序上运行的 AS/400 LPAR 令单台服务器工作起来如同 12 个独立的服务器。而在 2002 年,IBM 还更进一步,其 AIX5L v5.2还首次包括了 IBM 实现的动态逻辑分区(DLPAR) 。DLPAR 允许在无需重启系统的情况下,将包括处理器、内存和其它组件在内的系统资源分配给独立的分区。这种在不中断运行的情况下进行资源分配的能力不仅令系统管理变得更加轻松,而且因为能够更好地使用资源而帮助降低总拥有成本。不过,尽管惠普、Sun 公司也跟随 IBM 在自己的 RISC 服务器上提供了虚拟化技术,但由于真正使用大型机和小型机的用户还是少数,加上各家产品和技术之间并不兼容,虚拟化技术仍旧不太被公众所关注。而现在,虚拟化技术的发展已经惠及到了x86 架构。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页此前,虚拟化技术在 x86 架构上进展缓慢的主要原因是 x86 架构本身不适合进行虚拟化,不过这个障碍已经由英特尔、AMD 修改, x86 处理器的指令集得到解决;还有一个原因是 x86 处理器的性能不足,这一原因也由于 x86 处理器在性能上的飞速提高得到了解决。由于 x86 架构的广泛普及,x86 架构上的虚拟化技术也得到了比以前更大的关注。随着 x86 平台上虚拟化技术的实现,首次向人们展示了虚拟化应用的广阔前景,因为 x86 平台可以提供便宜的、高性能和高可靠的服务器。更重要的是,一些用户已经开始配置虚拟化的生产环境,他们需要得到新的管理工具,从而随着虚拟化技术的发展而得到更大的收益。不过,与已经有多年历史的 UNIX 服务器、大型主机上的虚拟化技术相比, x86 服务器上的虚拟化仍旧处于早期阶段——根据英特尔的蓝图,在处理器当中集成硬件辅助虚拟化指令只是 IA 平台上的第一步,而在第二步则要实现 I/O 方面的虚拟化,直到最后实现整个 IA 平台的虚拟化。也就是说,目前的 x86 平台上,仅仅能够实现在处理器级别的虚拟化,在 I/O 以及其他方面的虚拟化还需要进一步的发展。不仅如此,x86架构上的虚拟化技术还无法完美实现虚拟分区之间动态迁移,而这些在 UNIX 平台、大型主机上早已不是问题。目前,x86 架构上的虚拟化技术的最高规划是支持 8 路SMP 系统,可以实现对单个 CPU 资源的配置。自 2006 年以来,从处理器层面的 AMD 和 Intel 到操作系统层面的微软的加入,从数量众多的第三方软件厂商的涌现到服务器系统厂商的高调,我们看到一个趋于完整的服务器虚拟化的产业生态系统正在逐渐形成。这也使得在过去的一两年时间里,虚拟化开始成为广受关注的热点话题 [3]。整体看来,随着计算机新技术的飞速发展,虚拟化的前景和一年前相比几乎彻底改变了,新的虚拟化平台前景十分乐观。我国的虚拟现实技术起步较晚,与欧美发达国家还有相当大的差距,但现在越来越多的科学家和政府在关注该技术的研究,而且还更具我们国家的发展现状,指定了相关的计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把 VR列入研究项目。国内的一些技术先进的大学,已积极投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行 VR 研究、最有权威的单位之一,着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理;实现了分布式虚拟环境网络设计,虚拟现实应用系贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页统的开发平台等。浙江大学开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统,还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法;哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题 [1]。虚拟现实技术在我国近些年发展极为迅速,被广泛的应用在城市规划、教育培训、文物保护、医疗、房地产、互联网、勘探测绘、生产制造、军事航天等数十个重要的行业,全世界的目光都聚焦于虚拟现实技术在中国的蓬勃发展。流行一时的网络游戏,实质上也是虚拟现实技术的一种简单应用。最近,中国首款虚拟现实游戏射日精英也已经横空出世。纵观多年来的发展历程,VR 技术的未来研究仍将遵循 “低成本、高性能”这一原则,从软件、硬件上展开,并将在以下主要方向发展:动态环境建模技术;动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据需要建立相应的虚拟环境模型。实时三维图形生成和显示技术;在不降低图形的质量和复杂程度的前提下,如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外,现有的虚拟设备还不能满足系统的需要,有必要开发新的三维图形生成和显示技术。 新型交互设备的研制;虚拟现实需要头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此,新型、便宜、做工精良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。智能化语音虚拟现实建模;虚拟现实建模如果将 VR 技术与智能技术、语音识别技术结合起来将会给虚拟现实的发展带来巨大的意义。 大型网络分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality,DVR)的应用。目前,分布式虚拟交互仿真已成为国际上的研究热点,相继推出了 DIS、MA 等相关标准。网络分布式 VR 在航天中极具应用价值,例如,国际空间站的参与国分布在世界不同区域,分布式 VR 训练环境不需要在各国重建仿真系统,这样不仅减少了研制费设备费用,而且也减少了人员出差的费用和异地生活的不适 [4]。虚拟现实从其萌芽到今天的日渐成熟已经经历了一段相当长的时间,伴随着计算
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