基于MAXScript的三維水墨效果仿真研究及實(shí)現(xiàn)

摘要：論文提出了一種基于MAXScript的水墨效果仿真方法。算法將材質(zhì)分為勾線效果、暈染效果、合成效果及彩墨效果進(jìn)行仿真，再進(jìn)行合成。本方法利用MAXScript編程實(shí)現(xiàn)基于3ds Max的水墨材質(zhì)插件，實(shí)現(xiàn)墨水暈開和外部輪廓勾線的效果及兩者的合成效果、彩墨效果。并對幾種效果進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)三維水墨效果仿真。

關(guān)鍵詞：MAXSript；勾線效果；暈染效果；合成效果；彩墨效果

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 21-0000-03

近幾年是中國不平凡的幾年，“中國熱”現(xiàn)象持續(xù)升溫，中國特色動畫形式——水墨動畫經(jīng)歷輝煌、沉寂之后，以三維技術(shù)的形式再次吸引了大家的眼球。

傳統(tǒng)水墨動畫曾因難度大、耗時耗力而難以為繼，三維水墨技術(shù)將水墨動畫的難度一再降低，但水墨動畫并沒有普及，而水墨效果的模擬已經(jīng)成為制約水墨三維動畫發(fā)展的攔路虎。

水墨風(fēng)格效果仿真的處理方式主要為兩類：一類是基于物理原理的模擬，另一類是基于圖像特征提取的模擬，以及再現(xiàn)。第1類方法的特點(diǎn)是繪制，以原畫繪制為主體，水墨效果以位圖為材質(zhì)基本元素，效果好，但缺點(diǎn)是非常耗時。第2類方法的特點(diǎn)是更加快速，但繪制效果不如前者逼真，且開發(fā)技術(shù)難度大。

從制作動畫的角度考慮：使用第1類方法需要大量原畫人員，且只能進(jìn)行離線渲染；使用第2類方法渲染速度快，適合應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)游戲及動畫領(lǐng)域。

如何更好的擁有渲染速度快及技術(shù)難度低一點(diǎn)的水墨效果設(shè)計(jì)方法，是一個值得研究的問題。

1 MAXScript腳本開發(fā)技術(shù)

3ds Max作為國內(nèi)用戶最多的三維動畫設(shè)計(jì)軟件，大受用戶歡迎，然而其三維腳本插件技術(shù)卻鮮為人知。近幾年各高校動漫專業(yè)遍地開花，動漫學(xué)習(xí)者人數(shù)每年逐次增加，而知道或者聽說過MAXScript的卻寥寥無幾。對于熟悉3ds Max的人來說，腳本絕對可以帶給大家全新的理念。

1.1 藝術(shù)設(shè)計(jì)群體腳本開發(fā)技術(shù)分析

一部動畫片是否“好”，不在于其所使用的是什么技術(shù)，技術(shù)故事畫面和情節(jié)能否打動人才最關(guān)鍵。真正好的動畫片，靠的是故事本身的感染力和情感訴求與觀眾產(chǎn)生共鳴。作為其表達(dá)情感的一種方式，如何更好地利用現(xiàn)有技術(shù)來為展現(xiàn)畫面感染力服務(wù)，是設(shè)計(jì)者最關(guān)注的。動畫藝術(shù)設(shè)計(jì)者可以沒有很好的“高深”技術(shù)編程能力，但一定需要具備發(fā)現(xiàn)美、展現(xiàn)美的能力。因此，藝術(shù)設(shè)計(jì)者往往會將更多的精力用于后者的培養(yǎng)，應(yīng)用編程技術(shù)來開發(fā)作品的能力則一般較低。

而三維動畫或?yàn)榱诉_(dá)到更真實(shí)更具美感的效果，或?yàn)榱烁焖俣行У耐瓿赡骋惶匦?，需要更多功能?qiáng)大的應(yīng)用軟件或插件來實(shí)現(xiàn)。

然而CG設(shè)計(jì)行業(yè)的現(xiàn)狀是，插件設(shè)計(jì)者與一線的藝術(shù)作品設(shè)計(jì)者交集較少。尤其國內(nèi)，插件開發(fā)者一般從事圖形學(xué)和三維重建等的研究，而作品設(shè)計(jì)者一般是藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)人才[1]。如何將藝術(shù)創(chuàng)作和需求的插件設(shè)計(jì)結(jié)合起來，使基于插件開發(fā)的群體更好地把握所需特效的精髓，是需要解決的一大問題。

1.2 MAXScript腳本特征分析

MAXScript腳本語言最大的優(yōu)勢——易學(xué)易用。MAXScript非常適合沒有編程基礎(chǔ)的大眾用戶特別是藝術(shù)設(shè)計(jì)類用戶學(xué)習(xí)。因?yàn)樗恼Z法格式和規(guī)則非常少。MAXScript腳本語言除了能把腳本做成工具欄的按鈕以外，還可以通過命令行窗口將用戶在3ds max用戶界面中的操作轉(zhuǎn)化為MAXScript腳本。

腳本語言必須具備的特點(diǎn)——功能強(qiáng)大。MAXScript語言具備一般程序語言的普遍特點(diǎn)，而且?guī)缀蹩梢詫?shí)現(xiàn)所有3ds max界面下的交互操作。MAXScript完全基于OpenGL以及VC核心制作，功能強(qiáng)大。如果能好好利用MAXScript，完全可以在3ds max里實(shí)現(xiàn)許多MAYA等工具的優(yōu)勢功能。

與國內(nèi)應(yīng)用最廣的三維動畫軟件3ds max——融合最好。MAXScript是3ds max內(nèi)置腳本語言，是3ds max軟件最好的表達(dá)式和插件編寫工具。MAXscript很好地融入到了3ds max用戶界面中，可以將腳本集成為程序面板、卷展欄、浮動窗口或者工具欄中的一個按鈕，也可以用來擴(kuò)展或替代對象、修改器、材質(zhì)、貼圖、渲染效果和大氣效果的默認(rèn)設(shè)置界面。

1.3 MAXScript腳本開發(fā)技術(shù)應(yīng)用

3ds max中的插件又稱作外掛濾鏡（Plug_in），3ds max允許用戶對軟件功能進(jìn)行重新卡發(fā)，對軟件功能進(jìn)行擴(kuò)展和完善。因此，3ds max中已有的外掛濾鏡，大部分可以重新被擴(kuò)展，或重新定義——在MAXScript腳本語言中這種能力被稱為“規(guī)劃移植”[2]。

MAXScript并不能對所有的插件進(jìn)行新對象的擴(kuò)展，部分插件類型限制只能對已有的插件進(jìn)行功能性擴(kuò)展，如本插件中需要用到的貼圖插件。還有個別插件類型暫時還被限制擴(kuò)展。在編寫MAXScript插件時必須指定對應(yīng)的插件類型，才能調(diào)用該插件類型的相關(guān)屬性。

MAXScript腳本文件大致可分為3種類型：程序型腳本（.ms）、插件型腳本（.ms或.dlx）和宏腳本（.mcr）。

根據(jù)類型的不同，文件名和所使用的方式也有所不同。3ds max軟件本身提供了很多腳本范例，都可以直接使用，有些非常優(yōu)秀。另外，國外的一些腳本網(wǎng)站也提供了大量的免費(fèi)或收費(fèi)腳本。

3ds max腳本擴(kuò)展名為*.ms，可以使用記事本來編輯腳本另保存為*.ms，3ds max內(nèi)置有一腳本編輯器，通常使用這種方式來編寫腳本。

MAXScript腳本語言因其語法格式和規(guī)則非常少，操作相對簡單，適合沒有編輯基礎(chǔ)的用戶。國外有不少免費(fèi)學(xué)習(xí)網(wǎng)站，同時還有不少優(yōu)秀的免費(fèi)插件開源，對于學(xué)習(xí)MAXScript腳本語言有較大的幫助。

2 基于MAXScript的水墨效果仿真

水墨筆觸的特點(diǎn)遵循了中國特色藝術(shù)特點(diǎn)，所謂“大音希聲，大象無形”，描述的是一種和自然融為一體的境界[3]。水墨筆觸就是一種墨水與宣紙融為一體，墨的濃淡、宣紙不同位置對墨水的吸收自然呈現(xiàn)，仿佛自然存在于宣紙上，沒有刻畫痕跡的特殊筆觸，對水墨筆觸的模擬難度是可想而知的。

ChineseMaterials水墨材質(zhì)插件是對水墨暈染[4]與勾線效果[3]的仿真設(shè)計(jì)。通過MAXScript腳本語言對3ds Max的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)插件進(jìn)行擴(kuò)展，得到本插件。插件功能模塊如圖1。插件功能結(jié)構(gòu)表如表2。

由于兩部分功能是獨(dú)立存在的，所以，對造型的筆觸描述可以根據(jù)實(shí)際場景進(jìn)行部分效果的模擬，如有些造型不需要勾線效果，只注重內(nèi)部墨水的自然暈開，就可以只應(yīng)用“暈染效果”功能直接設(shè)計(jì)對應(yīng)材質(zhì)。

3 仿真效果算法設(shè)計(jì)

ChinesePainter插件主要實(shí)現(xiàn)了對水墨筆觸的模擬，通過材質(zhì)實(shí)現(xiàn)模塊的“勾線效果”、“暈染效果”、“合成效果”、“彩墨效果”四個子模塊，實(shí)現(xiàn)了對水墨效果和彩墨效果的模擬。

3.1 “暈染效果”效果仿真

水墨材質(zhì)插件ChinesePainter 的“暈染效果”模塊是本插件的核心部分。主要用來調(diào)制水墨材質(zhì)的內(nèi)部墨水暈開的效果。具體設(shè)計(jì)算法如下：

Step1 設(shè)置材質(zhì)的不透明度貼圖為衰減貼圖。通過設(shè)置衰減貼圖的顏色、類型、衰減方向并調(diào)整混合曲線，得到衰減效果。

Step2 設(shè)置衰減貼圖1為漸變坡度貼圖。通過指定漸變坡度貼圖參數(shù)的標(biāo)志1、2、3及漸變類型、噪波相關(guān)參數(shù)，得到漸變效果。

3.2 “勾線效果”效果仿真

“勾線效果”模塊主要用來模擬外部輪廓線。水墨動畫中也有不描繪外部輪廓的造型，所以“勾線效果”模塊為可選項(xiàng)。

本程序段的編寫具體對材質(zhì)進(jìn)行的設(shè)置與“暈染效果”類似，不同之處在于參數(shù)值的變化。

3.3 “合成效果”效果仿真

“合成效果”部分主要實(shí)現(xiàn)“勾線效果”和“暈染效果”兩種效果的混合效果，用戶需要先設(shè)置“勾線效果”和“暈染效果”兩種材質(zhì)，通過“合成效果”按鈕指定合成材質(zhì)的基礎(chǔ)材質(zhì)為“勾線效果”材質(zhì)，再指定材質(zhì)1為“暈染效果”材質(zhì)，即可實(shí)現(xiàn)兩者的合成效果。

當(dāng)然，在不同的用戶需求下，合成效果的使用情況會有所不同，對于不同動畫造型，可能出現(xiàn)部分使用合成效果，部分只取勾線效果或暈染效果一種效果的情況。因此，合成功能當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況使用。

3.4 “彩墨效果”仿真

“彩墨效果”部分主要實(shí)現(xiàn)用戶對彩色對象的設(shè)置需求，如水墨荷花中的荷花等，自然界的許多動植物都可以調(diào)制彩墨效果。

Step1設(shè)置材質(zhì)的不透明度貼圖為衰減貼圖。設(shè)置衰減貼圖的color1、color2和curve曲線，并指定衰減貼圖的map1為漸變坡度貼圖，實(shí)現(xiàn)衰減效果。

Step2 設(shè)置漸變坡度的漸變參數(shù)，如：flag1、2、3的位置和顏色，并設(shè)置漸變類型和對應(yīng)噪波參數(shù)，實(shí)現(xiàn)漸變效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文使用上述方法，利用MAXScript設(shè)計(jì)了Chinese painter水墨材質(zhì)插件，對多個靜態(tài)造型進(jìn)行測試，均達(dá)到較真實(shí)仿真水墨效果。為了驗(yàn)證將其應(yīng)用于動畫、游戲及其他數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)的可行性，而進(jìn)行了實(shí)時動畫的制作。本文使用3ds max設(shè)計(jì)了一個簡單茶壺模型，對茶壺模型分別進(jìn)行了三種水墨效果的渲染。并制作了一部水墨效果動畫短片，對其中的花朵應(yīng)用彩墨效果進(jìn)行了渲染，渲染窗口大小為800*600（pixel），模型水墨效果仿真如圖4，其中圖4（a）為暈染效果仿真，圖4（b）為勾線效果仿真、圖4（c）為合成效果仿真，圖4（d）為彩墨效果仿真。

5 結(jié)束語

水墨動畫作為極具中國特色的動畫形式，在經(jīng)過三維技術(shù)重構(gòu)以后，以全新的形式再次吸引世界的眼球，然而三維水墨技術(shù)的開發(fā)難度大，本文提出一種基于MAXScript腳本的水墨材質(zhì)設(shè)計(jì)方法，操作簡單易學(xué)，并開發(fā)對應(yīng)的設(shè)計(jì)插件，可以快速自動生成默認(rèn)的水墨效果，同時提供自定義模塊，供廣大藝術(shù)設(shè)計(jì)工作者參考使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]何芳.基于GPU的3D水墨動畫技術(shù)研究[D].天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008.

[2]王華.3ds MAXScript腳本語言完全學(xué)習(xí)手冊[M].北京：北京科海電子出版社.2006：755-759.

[3] 鮑海燕.從3DS MAX軟件到三位動畫產(chǎn)業(yè)[J].硅谷.2008，（24）：194-195.

[4] Bousseau A， kaplanM，Thollot J，et al.Interactive watercolor rendering with temporal coherence and abstraction[C]//Proceedings of the 4th International Symposium on Non-photprealistic Animation and Rendering.New York：ACM Press，2006：141-149.

[5] Luft T，Kobs F，Zinser W，et al.Watercolor illustrations of CAD data [C]//International Symposium on Computational Aesthetics in Graphics，Visualization and Imaging.Lisbon：Eurographics Association，2008：57-63

[作者簡介]邱建英（1982-），女（漢族），湖南益陽市人，碩士研究生，陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)動畫、交互式媒體技術(shù)。

【基金項(xiàng)目】陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)教改課題《基于3ds Max的三維水墨動畫設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究》（項(xiàng)目編號：2011jgzd03）。