基于3DSMAX的三維虛擬校園動畫漫游的實現(xiàn)*

陳 立，王文開，胡 嫣，黃會祺

（海南師范大學(xué)初等教育學(xué)院，海南?？?71158）

基于3DSMAX的三維虛擬校園動畫漫游的實現(xiàn)*

陳 立，王文開，胡 嫣，黃會祺

（海南師范大學(xué)初等教育學(xué)院，海南?？?71158）

本文以海南師范大學(xué)桂林洋新校區(qū)三維虛擬校園動畫漫游的制作為基礎(chǔ)，探討了基于3DSMAX、After Effect、Prem iere Pro等軟件實現(xiàn)三維虛擬校園動畫漫游的理論和技術(shù)方法，揭示了實現(xiàn)三維虛擬校園動畫漫游過程中的三維建模、材質(zhì)與貼圖、燈光、動畫設(shè)定以及三維動畫漫游后期合成的方法與技巧。

3DSMAX；三維虛擬校園；動畫漫游

在2008年（首屆）中國大學(xué)生（文科）計算機設(shè)計大賽中，筆者的作品 “海南師范大學(xué)新校區(qū)三維虛擬動畫”有幸榮獲一等獎?，F(xiàn)在把我們的設(shè)計思路以及制作過程分析如下。

一、3DSMAX簡介

3DSMAX是由Autodesk公司旗下的Discreet公司推出的三維動畫制作軟件,它是當(dāng)今世界上最流行的三維建模、動畫制作渲染軟件之一，被廣泛應(yīng)用于制作角色動畫、室內(nèi)外效果圖、游戲開發(fā)、建筑動畫、影視動畫、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域，3DSMAX以其優(yōu)異的性能、卓越的開放性為我們開發(fā)各類三維數(shù)字產(chǎn)品提供了可能。

二、三維虛擬校園總體設(shè)計

1.三維虛擬校園設(shè)計思路及目的

海南師范大學(xué)桂林洋新校區(qū)正在建設(shè)中，因此本作品的制作目的是為了制作和展現(xiàn)海南師大新校區(qū)的三維虛擬效果，使社會、家長、學(xué)生了解海南師大新校區(qū)的建設(shè)和發(fā)展情況，對桂林洋新校區(qū)的規(guī)劃有一個總體的認(rèn)識。

本次作品的總體制作過程分為資料收集與整理、底圖生成與加工、三維建模、材質(zhì)與貼圖設(shè)計、攝像機與燈光設(shè)計、動畫設(shè)計與制作、渲染輸出、合成及虛擬漫游實現(xiàn)等八個環(huán)節(jié)。設(shè)計了虛擬大海、校園整體鳥瞰、中心花園、校園主樓、各種教學(xué)樓、圖書館等室內(nèi)效果、校園夜景、生活區(qū)、虛擬雨景等多種虛擬環(huán)境。整個設(shè)計能使虛擬校園的全貌與局部、大場景與小細(xì)節(jié)相結(jié)合，晴天與雨景、白天和黑夜相對稱，整個設(shè)計效果富有很強的藝術(shù)感染力。在軟件運用方面，整個制作過程綜合運用了多種軟件，其中有3DSMAX及其插件、After Effect、Photoshop、Premiere Pro等。

2.三維虛擬校園總體制作流程

三維虛擬校園總體制作流程如圖1所示。

3.三維虛擬校園總體框架

本次三維虛擬校園動畫漫游制作的底圖設(shè)計是根據(jù)海南師范大學(xué)桂林洋新校區(qū)總體規(guī)劃圖按照1:6000的比例設(shè)計而成。其三維虛擬總體框架效果如圖2所示。

三、三維虛擬校園三維模型的制作

三維模型制作的好壞直接影響成果的質(zhì)量，所以在模型制作的過程中應(yīng)該盡可能逼真地顯現(xiàn)未來校園的地形地貌，給人身臨其境的感覺。三維模型制作主要是對建筑物、道路、綠化地及學(xué)校其他設(shè)施進(jìn)行建模。

1.三維模型的制作流程

由于3DSMAX軟件對電腦配置要求比較高，并且3DSMAX是單文檔應(yīng)用程序，雖然可以打開多個副本，但是打開多個副本需要占用大量的計算機內(nèi)存。因此，為了獲得最佳性能一般來說運用3DSMAX軟件建模最好一次只打開一個副本并只編輯一個場景，應(yīng)用3DSMAX軟件制作三維模型的工作流程如圖3所示。

2.三維模型的制作方法

在3DSMAX中三維模型的建立有多種方法，例如：參數(shù)化建模、復(fù)合建模、修改器建模、多邊形建模、面片建模、NURBS建模等。在本案例中，筆者主要采用以下方式進(jìn)行三維建模。

首先在3DSMAX中導(dǎo)入用AutoCAD或者直接用3DSMAX繪制的底圖。再用Extrude（擠出）修改命令，在二維底圖上生成具有一定高度的三維模型，即房屋的立體生成。然后把生成的三維模型轉(zhuǎn)化為 Editable Poly（可編輯多邊形），在Editable Poly下的Vertex、Edge、Border、Polygon、Element五個子層級以及 Editable Poly父級中對已經(jīng)生成的簡單三維模型進(jìn)行編輯，使之生成復(fù)雜的三維建筑模型。最后對其進(jìn)行材質(zhì)和貼圖設(shè)置、燈光和攝影機設(shè)置以及渲染輸出處理等，其工作流程如圖3所示。值得注意的是，模型制作盡量精簡，布爾運算如 Union（并）、Intersection（交）、Subtraction（減）處理最好在二維圖形中完成，這樣可以避免很多不必要的麻煩。

3.道路與植被制作

道路制作。道路建模的前兩個步驟與三維建模的前兩個步驟基本一致，即在二維圖形的基礎(chǔ)上利用擠出（Extrude）修改命令生成三維模型。具體制作方案如下：（1）在頂視圖中勾勒出道路輪廓，注意在勾畫輪廓時，所有的輪廓都應(yīng)該是閉合的，否則在最后擠出時不能擠出封閉的幾何體；（2）進(jìn)入修改命令面板，對道路接合不準(zhǔn)確的地方進(jìn)行調(diào)整，如果點不夠，可以細(xì)化添加一些必要的點；（3）利用擠出（Extrude）命令將道路擠出一定高度；（4）利用Texture Layers插件給環(huán)形公路賦予材質(zhì)，其他路面根據(jù)具體情況賦予它不同的材質(zhì)。

植被制作。植被的制作分兩種情況：一是近景植被制作，近景植被要求能看到細(xì)節(jié)，因此，筆者利用3DSMAX的AEC Extended中的Foliage創(chuàng)建精細(xì)樹木、花草模型等；二是遠(yuǎn)景植被制作，遠(yuǎn)景植被可以直接創(chuàng)建十字交叉的平面，再賦予帶透明通道的樹木花草貼圖即可。

4.三維虛擬校園建筑群生成方法

三維虛擬校園建筑群生成方法具體步驟如下：

（1）完成單體建筑、道路、植被等模型的制作，前面已經(jīng)敘述，這里不再贅述；

（2）把單體建筑、道路、植被等模型導(dǎo)入到3DSMAX中，統(tǒng)一布局，相同的模型可以直接復(fù)制；

（3）修改細(xì)節(jié)，添加輔助設(shè)施，統(tǒng)一風(fēng)格，最終效果如圖4所示。

四、材質(zhì)、貼圖及燈光設(shè)計

1.材質(zhì)與貼圖設(shè)計

模型建立完成后就是要給模型賦予材質(zhì)和貼圖，在3DSMAX中我們可以采用三種方法給模型賦予材質(zhì)和貼圖。材質(zhì)和貼圖編輯如圖5所示。

（1）利用基本材質(zhì)

在3DSMAX中，基本材質(zhì)使用3種參數(shù)構(gòu)成對象表面，即Ambient Color（環(huán)境光顏色），Diffuse Color（漫反射顏色），Specular Color（高光顏色），使用3種顏色以及對高光區(qū)的控制，可以創(chuàng)建出大部分基本材質(zhì)，這種材質(zhì)雖然簡單，但能生成有效的渲染效果，同時基本材質(zhì)同樣可以模擬發(fā)光對象、透明或半透明對象等。本例中一些建筑體的墻面、柱子、路面等的材質(zhì)制作可以用這種方法。

（2）利用位圖

在3DSMAX材質(zhì)制作中，位圖是較為常用的一種二維貼圖。在三維場景制作中大部分模型的表面貼圖都需要與現(xiàn)實中的實體相吻合，而這一點通過其他程序貼圖實現(xiàn)比較麻煩，而且與真實的紋理有一定差距，所以用數(shù)碼相機拍攝或其他途徑獲取的位圖作為校園立體圖對象的貼圖是一種比較可取的方法。本例中一些建筑體的墻面、樹木、木紋等的材質(zhì)制作可以用這種方法。

（3）復(fù)合材質(zhì)

復(fù)合材質(zhì)就是綜合運用基本材質(zhì)、程序貼圖以及位圖等制作比較復(fù)雜的材質(zhì)，本例中如雨水、天空、草地等的材質(zhì)制作可以用這種方法。

2.燈光設(shè)計

三維場景中的燈光對場景的基調(diào)和氣氛起著決定性的作用，場景的基調(diào)是指在燈光中表達(dá)的一種基本情緒，這對整個圖像的外觀是至關(guān)重要的。通常情況下，實際目標(biāo)是相當(dāng)復(fù)雜的，如需要表現(xiàn)一種意境、一種狀態(tài)、一種情感或一種關(guān)系等，這些單單靠平鋪直敘的表達(dá)方式很難達(dá)到理想效果，而我們借助于燈光能為場景提供更大的深度和更廣闊的想象空間，展現(xiàn)豐富的層次。在這里筆者把幾種主要的燈光設(shè)計技巧總結(jié)如下。燈光設(shè)計如圖6所示。

（1）日光與太陽光設(shè)計

在3DSMAX中，利用Target Spot（目標(biāo)聚光燈）模擬日光與太陽光，在修改面板對Target Spot的Shadows（陰影）、Multiplier（燈光倍增值）、Color（燈光顏色）、Near/Far Attenuation（近、遠(yuǎn)距離衰減值）、Spotlight Parameters（聚光燈參數(shù)）、Shadow Map Params（陰影貼圖參數(shù)）的值進(jìn)行設(shè)置，可以得到白天的效果、晴天的陰影效果等等。

（2）夜景燈光設(shè)計

夜景的實現(xiàn)主要是用多盞Omni（泛光燈）來實現(xiàn)，其具體參數(shù)設(shè)置與Target Spot的參數(shù)設(shè)置類似。在夜景制作中，對于透光的玻璃我們可以設(shè)置自發(fā)光貼圖來實現(xiàn)，簡單實用。

（3）特效設(shè)計

一些特效設(shè)計，例如下雨閃電時光照忽強忽弱效果，我們可以通過雷聲的大小在3DSMAX中控制某些Omni（泛光燈）的強弱來實現(xiàn)。

五、動畫設(shè)計與制作

在3DSMAX中，動畫制作不再是一件難事，只需首先創(chuàng)建每個動畫序列的起點和終點的關(guān)鍵幀 （關(guān)鍵幀的值稱為關(guān)鍵點），然后用軟件來計算每個關(guān)鍵點值之間的插補值，從而生成完整動畫。在3DSMAX中，我們可以直接設(shè)置關(guān)鍵幀動畫，也可以通過Curve Editor（曲線編輯器）來設(shè)置動畫，還可以利用Constraints（約束）來創(chuàng)建約束動畫。本案例中動畫設(shè)計與制作包括以下幾個方面。

1.建筑動畫制作

建筑動畫主要包括3種動畫，即室外建筑動畫、室內(nèi)建筑動畫及環(huán)境動畫。本案例建筑動畫的實現(xiàn)主要是設(shè)定攝像機的動畫，室外建筑動畫和室內(nèi)建筑動畫注重細(xì)節(jié)，因此，攝像機的控制比較精確些，對建筑物的模型精度要求較高，而環(huán)境規(guī)劃動畫則對建筑物的模型精度要求并不高，能表現(xiàn)建筑物的形狀即可，而對周圍環(huán)境布局要求比較高，還要和現(xiàn)實場景吻合。

2.粒子動畫制作

本案例中的下雨場景是用粒子動畫表現(xiàn)的，下面簡要介紹一下粒子動畫的制作過程。首先，在3DSMAX中，用Particle Systems（粒子系統(tǒng)）中的Super Spray（超級噴射）創(chuàng)建粒子，再調(diào)節(jié)粒子的參數(shù)使之類似下雨的情景；其次是創(chuàng)建雨水材質(zhì)，給粒子上雨水材質(zhì)；最后進(jìn)行特效設(shè)計，如模擬下雨閃電時光照忽強忽弱效果，可以用雷聲的大小在3DSMAX中控制某些Omni（泛光燈）的強弱來實現(xiàn)。

3.動畫漫游制作

校園的漫游需要運用多個鏡頭共同合并完成，因此，每個鏡頭的動畫設(shè)定非常重要，每個鏡頭的動畫要符合整個動畫漫游的整體風(fēng)格的要求，做到整體與局部、大場景與小細(xì)節(jié)、室內(nèi)與室外、白天與黑夜、晴天與雨景等等協(xié)調(diào)一致。使整個校園漫游能給人們以強烈的視覺沖擊力和藝術(shù)感染力。

六、渲染輸出與三維動畫漫游后期合成

1.渲染輸出

完成了三維建模、材質(zhì)燈光以及動畫設(shè)定以后，再進(jìn)行局部修改和調(diào)整，這樣就可以動畫渲染輸出了。渲染輸出的時候注意輸出的格式 （本案例輸出為tga格式的圖片序列）以及是否保留Alpha通道。動畫渲染輸出如圖7所示。

2.三維動畫漫游后期合成

后期合成分為兩步，首先是在After Effect軟件中進(jìn)行特效處理，例如閃電效果在雨景中的合成，煙花特效合成等等。當(dāng)所有的準(zhǔn)備工作完成以后，最后一步就是在Premiere Pro軟件中合成三維虛擬校園動畫漫游，在Premiere Pro合成中注意音樂的匹配、轉(zhuǎn)場的設(shè)置以及其他特效的處理等。☉

[1]胡晉山,康建榮,吳慶忠.基3DSMAX三維校園地圖漫游的實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息,2008,31(5):5-7,11.

[2]阮晴,何宗宜.基于3DSMAX的武漢大學(xué)校園立體圖的制作[J].測繪通報,2002(12):49-51.

[3]趙娟,何宗宜,阮晴.校園三維圖的研制[J].測繪科學(xué), 2006,31(4):155-156.

[4]姚勇,鄢竣.3dsmax建筑表現(xiàn)實例教程:建筑動畫篇[M].北京:中國青年出版社,2006.

（編輯：金冉）

TP391.9

A

1673-8454（2010）05-0081-04

*項目來源：海南省教育廳高等學(xué)?？蒲许椖俊?DSMAX在三維動畫藝術(shù)創(chuàng)作中的應(yīng)用研究”（編號：H j2009-103）、海南師范大學(xué)教改項目“3D虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)研究”（編號：HSJG0901）研究成果之一。