基于3DMax的人參生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的模擬

韓明陽(yáng)

（吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130052）

1 3DMax的相關(guān)介紹

3DMax是由美國(guó)Autodesk公司出品的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫制作和渲染軟件。目前，3DMax廣泛應(yīng)用于動(dòng)畫、影視、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、游戲設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。它功能強(qiáng)大、操作靈活，配合VARY渲染器可以模擬出逼真的材質(zhì)和光影效果。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)六十年代末，美國(guó)生物學(xué)家Lindennmayer提出了L-系統(tǒng)理論，用于對(duì)植物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的模擬。這是虛擬植物的開端，自此以后，經(jīng)過漫長(zhǎng)的發(fā)展，各種虛擬植物建模的方法，相繼誕生。上世紀(jì)80年代，L-系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)結(jié)合了起來，實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上模擬植物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。目前，主流的建模方法主要有迭代函數(shù)系統(tǒng)、L-系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)、隨機(jī)過程方法以及基于圖像的造型等方法。各種方法的出現(xiàn)，有效的對(duì)植物生長(zhǎng)進(jìn)行了模擬，記錄了生長(zhǎng)過程與數(shù)據(jù)，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。植物生長(zhǎng)的虛擬效果也由最初的簡(jiǎn)單生長(zhǎng)模型，發(fā)展到了現(xiàn)在各部分結(jié)構(gòu)更加全面完善的模擬。

3 研究目的及意義

在進(jìn)行模型的建立之前，本研究進(jìn)行了大量的前期準(zhǔn)備工作，通過對(duì)長(zhǎng)白山人參數(shù)據(jù)的研究和實(shí)驗(yàn)，得出了長(zhǎng)白山人參生長(zhǎng)因子之間的關(guān)系特征。為模型的順利建立，提供了前期條件。依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用3dmax軟件，進(jìn)行長(zhǎng)白山人參模型的建立，虛擬各部分結(jié)構(gòu)。在模型建立完畢后，添加貼圖、燈光，并進(jìn)行關(guān)鍵幀的設(shè)置，渲染出人參生長(zhǎng)的動(dòng)畫。

利用3DMAX，虛擬人參生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，可以提高工作效率，對(duì)數(shù)據(jù)的采集不再受環(huán)境、氣候以及空間的影響，有效展示了長(zhǎng)白山人參不同生長(zhǎng)階段的外形特征。通過對(duì)人參生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的模擬，可使人參生長(zhǎng)過程清晰可見，實(shí)現(xiàn)圖像的可視化。讀者也進(jìn)而對(duì)人參各部分結(jié)構(gòu)以及生長(zhǎng)過程有了清晰的了解。

4 研究過程中的重點(diǎn)

根據(jù)長(zhǎng)白山人參的外部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模型的建立重點(diǎn)要突出主根肥厚、下部稍有分枝，根狀莖較短、呈直立狀，復(fù)葉呈掌狀的細(xì)節(jié)特征。

4.1 模型的建立

（1）建模方法。3DMAX的建模方法多種多樣，常用的方法有基礎(chǔ)建模、復(fù)合建模、suface toods建模、多邊形建模、面片建模、NURBS建模六大類。每種方法各有優(yōu)勢(shì)，很難單獨(dú)運(yùn)用一種單一的方式建模，正確又高效的建模方法是將這幾種方式結(jié)合起來，根據(jù)實(shí)際情況，靈活運(yùn)用。

（2）關(guān)鍵細(xì)節(jié)。在模型建立之初，基本體的選擇上，應(yīng)選擇和人參外形相類似的基本體。除去根須，人參呈圓柱體，因此在3DMax內(nèi)置的眾多標(biāo)準(zhǔn)基本體中，選擇Cylinder，進(jìn)行基礎(chǔ)模型的建立。根須是人參外部結(jié)構(gòu)的一大特征，是建模的重點(diǎn)和關(guān)鍵部分。應(yīng)在物體表面，使用Connect，進(jìn)行邊的連接，增加邊數(shù)。進(jìn)而選擇相應(yīng)的多邊形層級(jí)，使用Extrude命令，擠出根須。在根須的形狀調(diào)整上，可選擇點(diǎn)層級(jí)，選擇相應(yīng)的點(diǎn)，運(yùn)用移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放工具，對(duì)模型進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)。

為了真實(shí)的模擬人參的外部形態(tài)，根據(jù)長(zhǎng)白山人參的結(jié)構(gòu)特征，模型需增加根須的數(shù)量。在這里選用的方法是選擇樣條線中的Line，進(jìn)行線物體的創(chuàng)建。在形態(tài)的模擬上，應(yīng)遵循人參根須細(xì)長(zhǎng)、呈發(fā)散狀的特點(diǎn)，進(jìn)行根須部分模型的細(xì)化。通過對(duì)頂點(diǎn)的不斷移動(dòng)調(diào)整，使模型的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善。其中樣條線轉(zhuǎn)換為實(shí)體的方法是采用Enable In Renderer以及Enable In Viewport工具實(shí)現(xiàn)的。如圖1。

使用標(biāo)準(zhǔn)基本體創(chuàng)建的模型是棱角分明的，不具備平滑的過度效果，為使表面各部分光滑平整，過渡自然，應(yīng)采用MeshSmooth（網(wǎng)格平滑）命令，MeshSmooth可通過計(jì)算，增加物體表面節(jié)點(diǎn)，使物體表面平滑，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型柔化的效果。建模需要反復(fù)的調(diào)整修改，大多數(shù)模型的建立都不是一蹴而就的。很多時(shí)候，平滑后達(dá)不到想要的效果，在3DMax中，在不對(duì)命令塌陷的情況下，還可暫時(shí)關(guān)閉MeshSmooth命令，回到平滑之前，對(duì)物體進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整，再開啟MeshSmooth命令，查看細(xì)化后的效果。效果如圖2。

圖1

圖2

4.2 材質(zhì)與貼圖

（1）任何物體都具有表面特征，如玻璃表面光滑，反射強(qiáng)烈；木頭有紋理，并且表面凹凸不平。這一系列特征稱為材質(zhì)。貼圖指的是在3DMax中給三維模型貼上二維的圖片。貼圖可以使模型快速的具有基本的顏色、紋理效果，就好比給模型穿上了一件衣服。材質(zhì)與貼圖的調(diào)整是三維模擬過程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)?？墒刮矬w具備真實(shí)的質(zhì)感。

（2）長(zhǎng)白山人參表面呈淡黃色，光澤度低。在色彩的選擇上要遵循物體實(shí)際特點(diǎn)，高光不可過亮，可在Specular Level和Glossiness中進(jìn)行高光級(jí)別和光澤度的調(diào)節(jié)。

（3）人參表面還有一個(gè)明顯的特征是表皮呈凹凸不平狀。在3DMAX中，表現(xiàn)這一特征應(yīng)當(dāng)運(yùn)用Maps中的Bump貼圖。Bump貼圖是專門用于呈現(xiàn)凹凸材質(zhì)的命令。Bump貼圖是運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)二維圖片灰度的計(jì)算，模擬出凸起或凹陷的效果。針對(duì)人參表面的紋理特征，可在Maps卷展覽下將Diffuse Colorde上的貼圖運(yùn)用復(fù)制的方式拖拽到Bump貼圖上。這里要注意的是Bump貼圖的數(shù)值不宜過高，數(shù)值過高則會(huì)使人參的表面凹凸過于強(qiáng)烈，導(dǎo)致效果不自然。

（4）單獨(dú)依靠對(duì)材質(zhì)編輯器中顏色、高光、凹凸等屬性的調(diào)節(jié)是不足以達(dá)到效果的。材質(zhì)表面的紋理需要單獨(dú)用繪圖軟件進(jìn)行處理。在本文中運(yùn)用的是Adobe公司出品的PhotoShop軟件。用畫筆工具，降低透明度與流量，選擇略深與人參表面的黃棕色，進(jìn)行紋理的繪制，最終完成。效果如圖3。

圖3

4.3 燈光的設(shè)置

在3DMax環(huán)境中，燈光不僅能到照明的作用，同時(shí)也使物體表面有了黑白灰的過度關(guān)系，選擇合適的燈光類型，合理地?cái)[放燈光位置可使三維模型具有逼真的光影效果。

在本文中，選用的燈光是天光和泛光燈。天光是一種向四面八方發(fā)散的光源，沒有固定的目標(biāo)點(diǎn)，常用于模擬自然光。天光可以起到照亮場(chǎng)景的作用。泛光燈，效果類似燈泡，也可到補(bǔ)光的作用。在這里，創(chuàng)建了兩盞泛光燈，一個(gè)作為主光源，一個(gè)用于補(bǔ)光。通過對(duì)燈光強(qiáng)度、顏色、照射位置、陰影等屬性的調(diào)整，使人參的模擬更為完善。

4.4 動(dòng)畫的制作

在3DMax中，可通過添加并調(diào)節(jié)關(guān)鍵幀來制作生長(zhǎng)模擬動(dòng)畫。在本文中，使用的是Slice（切片）工具，Slice工具，可制作出從無到有的生長(zhǎng)效果。在制作的過程中，關(guān)鍵在于關(guān)鍵幀的位置。開啟自動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)，在調(diào)節(jié)Slice位置的同時(shí)，移動(dòng)時(shí)間滑塊，從而記錄下各個(gè)關(guān)鍵幀。如果播放時(shí)，速度過快，應(yīng)加大關(guān)鍵幀之間的距離，調(diào)整至合適的位置。

4.5 渲染輸出

渲染輸出是三維模擬最終關(guān)鍵的一步。本文使用的是Vray渲染器，VRay渲染器廣泛的應(yīng)用于主流的三維軟件中，它具有渲染速度快，渲染品質(zhì)高的特點(diǎn)。目前，VRay渲染器是業(yè)內(nèi)使用率最高的渲染引擎。

輸出采用的是HDTV高清比例，輸出格式為TGA。TGA是一種被廣泛應(yīng)用的數(shù)字化圖像文件格式。它的特點(diǎn)在于支持壓縮，采用避免失真的壓縮算法，于圖像內(nèi)，經(jīng)過運(yùn)算，生成Alpha通道，也就是帶透明通道的圖片，方便進(jìn)行后期處理。

5 三維建模在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的關(guān)鍵技術(shù)

（1）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR），是虛擬現(xiàn)實(shí)中的一個(gè)種類。AR技術(shù)是一種較新的技術(shù)，它可以將真實(shí)世界與虛擬世界融為一體，目前已廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、廣告、游戲等領(lǐng)域。其原理是將真實(shí)世界中難以完成體驗(yàn)的事物，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)行三維虛擬，再將虛擬好的信息與現(xiàn)實(shí)世界疊加起來，從而帶給人們同時(shí)體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)和虛擬世界的精彩感官體驗(yàn)。

（2）AR技術(shù)的最終目標(biāo)是將虛擬世界與真實(shí)世界完美融合疊加在一起，并可在現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)虛擬物體進(jìn)行操控。虛擬世界是由三維模型構(gòu)成的，三維建模是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的一個(gè)重要技術(shù)手段，它是組成虛擬世界信息的關(guān)鍵所在。為了讓AR體驗(yàn)更具有真實(shí)感，在三維建模的過程中，不能只考慮虛擬物體，而是應(yīng)當(dāng)將虛擬世界與真實(shí)世界相統(tǒng)一，即保持空間統(tǒng)一、真實(shí)性統(tǒng)一、光感與光照方向統(tǒng)一、色彩與色溫統(tǒng)一。只有同時(shí)滿足這幾點(diǎn)，才能保證AR體驗(yàn)的真實(shí)性。

6 結(jié)論

本文在前期研究分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合長(zhǎng)白山人參的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用3DMax技術(shù)，建立了人參的三維模型，并進(jìn)行人參生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的虛擬，記錄了人參的生長(zhǎng)過程。清晰有效的展示了長(zhǎng)白山人參的外部特征，實(shí)現(xiàn)了人參生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)圖像可視化。向讀者提供了虛擬植物的模擬工具，對(duì)農(nóng)業(yè)研究起到了積極作用。