基于3Dmax的三維模型構(gòu)建

顧天宇

摘要：本文以實(shí)際項(xiàng)目為參考，通過(guò)3Dmax軟件的合理應(yīng)用，進(jìn)行三維模型建模，完成相關(guān)場(chǎng)景建設(shè)，實(shí)現(xiàn)VR月球基地三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)。主要基于場(chǎng)景輪廓模擬與定位器應(yīng)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集;隨后展開(kāi)線面建模和數(shù)字化建模，完成模型架構(gòu)場(chǎng)景建設(shè);通過(guò)紋理設(shè)計(jì)使模型達(dá)到預(yù)期材質(zhì)的效果;經(jīng)過(guò)多點(diǎn)設(shè)置等技術(shù)，完成動(dòng)態(tài)場(chǎng)景設(shè)計(jì);最終，通過(guò)模型渲染優(yōu)化整體效果，完成三維模型構(gòu)建。最終設(shè)計(jì)效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，充分展示了VR月球基地形態(tài)樣貌。綜上，本文主要針對(duì)三維模型構(gòu)建中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及問(wèn)題處理展開(kāi)論述，以期為后續(xù)同行開(kāi)展該類項(xiàng)目提供實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：3Dmax軟件 三維動(dòng)畫(huà) 建模技術(shù) 三維模型構(gòu)建

1 項(xiàng)目概況

近年來(lái)，中國(guó)為載人登月不斷加大投入，相關(guān)的準(zhǔn)備工作也在如火如荼地開(kāi)展中，人們對(duì)于了解月球的渴望也越發(fā)強(qiáng)烈。在此以構(gòu)建VR月球基地三維動(dòng)畫(huà)為實(shí)際案例，開(kāi)展3Dmax的三維模型分析。

本宣傳片的制作通過(guò)VR技術(shù)真實(shí)地來(lái)模擬未來(lái)人類在月球生存狀況，主要從人類的吃、穿、住、行、能源、通信、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等諸多方面來(lái)進(jìn)行表現(xiàn)。在項(xiàng)目的實(shí)施中，因?yàn)樵搱?chǎng)景的要求較高，需要從策劃、腳本、場(chǎng)景等多方面展開(kāi)規(guī)劃，并將重點(diǎn)放在細(xì)節(jié)構(gòu)建。

2 基于3Dmax的建模流程

2.1數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)入

根據(jù)實(shí)際的需求，建立在目前已有的圖書(shū)、網(wǎng)絡(luò)等資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行場(chǎng)景規(guī)劃。在此階段，確定好整個(gè)場(chǎng)景的基本布置之后，就可以根據(jù)場(chǎng)景輪廓來(lái)設(shè)定模擬數(shù)據(jù)，形成參數(shù)化的模型。在模型的創(chuàng)建中，通過(guò)定位器設(shè)定，精確地標(biāo)定數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)位，隨后通過(guò)定位器與傳感器在特定點(diǎn)位的設(shè)定實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，而后將采集的數(shù)據(jù)傳輸至采集卡，經(jīng)處理器計(jì)算優(yōu)化后呈現(xiàn)出現(xiàn)基本輪廓。合理的點(diǎn)位標(biāo)定設(shè)置是模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，只有數(shù)據(jù)精準(zhǔn)才能保證建模結(jié)果不失真。

在建模軟件進(jìn)行建模操作時(shí)，首要的是確立基準(zhǔn)面，即基準(zhǔn)坐標(biāo)系，只有確立了基準(zhǔn)的三維坐標(biāo)才能進(jìn)行定位，進(jìn)而才能建立數(shù)字化建模。在工程實(shí)踐中，模型的建立包括事物點(diǎn)線面建模和數(shù)字化建模兩種，兩種各有利弊，本項(xiàng)目中進(jìn)行了兩種技術(shù)的綜合應(yīng)用。點(diǎn)線面建模較為直觀，操作者可直接進(jìn)行點(diǎn)的定位，隨后在構(gòu)建出線與面的基礎(chǔ)上進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等建立結(jié)構(gòu)體，缺點(diǎn)是模型構(gòu)建不夠精確，難以保證特征點(diǎn)位置的精準(zhǔn)度。數(shù)字化建模則主要根據(jù)空間的特征點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)建立模型的，特征點(diǎn)建模具有良好的定位性，點(diǎn)坐標(biāo)的精確度也能保證物體的細(xì)節(jié)呈現(xiàn)。通過(guò)點(diǎn)線布局確立在數(shù)據(jù)的導(dǎo)入中是由點(diǎn)到線，再由線到面來(lái)構(gòu)建的，進(jìn)而在基礎(chǔ)的二維線框設(shè)計(jì)上，得到后續(xù)的單體模型架構(gòu)。以下圖1是飛船內(nèi)部線框架構(gòu)示意圖。

2.2模型建立

模型架構(gòu)場(chǎng)景上主要包括有：宇宙飛船內(nèi)部、溫室蔬菜基地、充氣住艙等場(chǎng)景，還要設(shè)計(jì)出人類在月球生活中的單體模型。該單體模型將人和環(huán)境實(shí)現(xiàn)合理規(guī)劃的同時(shí)，還要表現(xiàn)出人在該環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的路徑。由于單體模型大多是異形模型，異形模型是通過(guò)多曲面與復(fù)雜曲線來(lái)構(gòu)建的，所以在線條構(gòu)造上不可以使用軟件中的Rectangle，Line和andExtrude功能來(lái)進(jìn)行框架構(gòu)造，在復(fù)雜線段構(gòu)造上也不可以通過(guò)樣點(diǎn)曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)，在該項(xiàng)目中，采用的是軟件中的UnwrapUVW功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)poly搭建的素模uv化的處理。通過(guò)輸入點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)建立矢量模型，矢量模型建立的好處在于不會(huì)受模型放大而出現(xiàn)失真。在完成結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)上，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行渲染，這里主要采用ps貼圖的方式來(lái)進(jìn)行，為節(jié)約時(shí)間，選擇在模型正面貼圖完成后，再進(jìn)行反向貼圖處理，這樣有利于模型細(xì)節(jié)表現(xiàn)，對(duì)于不必要的場(chǎng)景降低了模型制作的復(fù)雜度，而加快場(chǎng)景渲染的建設(shè)速度，提高效率。

2.3紋理設(shè)計(jì)

紋理設(shè)計(jì)是在定好色調(diào)的基礎(chǔ)上而展開(kāi)的，在3Dmax的應(yīng)用中，紋理的設(shè)計(jì)是根據(jù)場(chǎng)景的需求而展開(kāi)的，各個(gè)場(chǎng)景的紋理設(shè)計(jì)要考慮場(chǎng)景的材質(zhì)，在對(duì)于各場(chǎng)景紋理設(shè)計(jì)展示上，主要是調(diào)用軟件材料庫(kù)中的多元來(lái)表現(xiàn)的。

在條紋設(shè)計(jì)上，月球上的巖石是代表性的表現(xiàn)物。在場(chǎng)景中，需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行條紋設(shè)計(jì)的內(nèi)容有：月壤;斜長(zhǎng)巖，該種巖石富含鉀、稀土和磷等;月海玄武巖。月壤是月球的土壤，也是月球場(chǎng)景渲染的基礎(chǔ)，材質(zhì)為一定厚度的土狀混合物，且月壤的鋪排分布厚度不均勻。月壤的材質(zhì)中，除了土之外，還包括微小的巖石顆粒，顆粒是由二氧化硅和一些含有色金屬的化合物構(gòu)成，所以在材質(zhì)渲染上應(yīng)該結(jié)合顆粒的質(zhì)感來(lái)進(jìn)行。處理考慮材質(zhì)，還應(yīng)該結(jié)合月球的環(huán)境狀態(tài)，主要是太陽(yáng)風(fēng)的影響。為了更加逼真的展示場(chǎng)景特征，參閱資料可知月球土壤會(huì)長(zhǎng)期處在風(fēng)化狀態(tài)，所以土質(zhì)就需要細(xì)致渲染。巖石呈現(xiàn)斜長(zhǎng)狀并表現(xiàn)出較堅(jiān)硬的質(zhì)地，但玄武巖因本身特性，則要表現(xiàn)出氣孔多，不光滑的特征。

針對(duì)月球巖石的紋理設(shè)計(jì)進(jìn)行具體操作分析：首先調(diào)出3D max中的材質(zhì)球，參考文獻(xiàn)資料進(jìn)行斜長(zhǎng)巖和月海玄武巖顏色基色的調(diào)和。該項(xiàng)目利用falloff和黑白圖控制的方式確定玄武巖上孔洞位置和數(shù)量分布，隨后再經(jīng)過(guò)bump和材質(zhì)面板中的diaplacement處理，增加巖石表面的凹凸感細(xì)節(jié)表現(xiàn)。隨后，針對(duì)月壤質(zhì)感問(wèn)題進(jìn)行處理，采取符合月壤的貼圖來(lái)進(jìn)行鋪排，在貼圖要與模型結(jié)合中提前加上vraydisplace修改器，而后在修改器里面貼入前面月壤貼圖的黑白圖，經(jīng)過(guò)上述處置，在參數(shù)和貼圖的調(diào)整混合后，就可以得到預(yù)期的月球材質(zhì)。

2.4動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)

模型的建立不僅僅是靜止?fàn)顟B(tài)的，動(dòng)態(tài)場(chǎng)景也是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中的核心內(nèi)容。在此動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)的核心就是要在原有的場(chǎng)景里面的物體的動(dòng)作綁定動(dòng)畫(huà)。為完全按照實(shí)際來(lái)模擬月球車等交通工具的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，動(dòng)作建模過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)。在整個(gè)動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)中，因?yàn)槟Ｐ褪茄b配體，所以在運(yùn)動(dòng)設(shè)定上要表現(xiàn)出裝配體的聯(lián)動(dòng)性，這種聯(lián)動(dòng)性設(shè)置需要多點(diǎn)設(shè)置;此外，在月球礦區(qū)有很多挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作設(shè)計(jì)也需要依賴多點(diǎn)設(shè)置技術(shù)。故而，在月球車和運(yùn)輸車等交通工具設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)madcar來(lái)模擬車在地面上行駛的效果，在該插件中通過(guò)多點(diǎn)設(shè)置來(lái)表現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，月球車的形狀為六邊形的地盤(pán)結(jié)構(gòu)，所以在路徑規(guī)劃上更需要細(xì)節(jié)處理。根據(jù)月球的場(chǎng)景特點(diǎn)，多為山地地勢(shì)，在該項(xiàng)目中采用madcar插件制作交通工具運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)。交通工具是整個(gè)月球VR設(shè)計(jì)的核心，以下圖4就是以某交通工具內(nèi)部觀測(cè)的運(yùn)輸工具工作場(chǎng)景圖示。

此處以月球車為例展開(kāi)撰寫(xiě)。月球車的移動(dòng)需要符合在月球?qū)嶋H狀況下進(jìn)行，在本項(xiàng)目的操作上是在月球車的各運(yùn)動(dòng)自由度上綁定bone，對(duì)于月球車各關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)性組件調(diào)用了madcar的ObjectType里面的系列化插件實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，在動(dòng)畫(huà)制作方面除了動(dòng)作的處理之外，還包括方向，運(yùn)動(dòng)軌跡狀態(tài)等諸多內(nèi)容。在各項(xiàng)自由度都進(jìn)行定義之后，就可以通過(guò)電擊drvie按鍵來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)了，為表現(xiàn)運(yùn)行動(dòng)畫(huà)的精準(zhǔn)性，可以通過(guò)按鍵盤(pán)A（left）表示左轉(zhuǎn)，D（right）表示右轉(zhuǎn)，W（throttle）表示熄火，PUP（fwd/bwd）表示前進(jìn)等按鍵來(lái)及時(shí)地對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行方位調(diào)控，在速度與方位不斷變化下，通過(guò)動(dòng)畫(huà)測(cè)試可演示動(dòng)畫(huà)最后呈現(xiàn)出的運(yùn)行效果。

3 模型優(yōu)化

模型優(yōu)化包含的具體方向相對(duì)較多，目的是使整個(gè)模型更為逼真。在模型的優(yōu)化過(guò)程中，需要對(duì)原有模型進(jìn)行更多元的細(xì)節(jié)調(diào)整，主要涉及倒圓角，細(xì)節(jié)修改等等，模型修改的重要特點(diǎn)之一就是要對(duì)整個(gè)架構(gòu)模型中不可見(jiàn)面的處理與修正，避免整個(gè)模型在表現(xiàn)上出現(xiàn)漏洞。

模型優(yōu)化中還應(yīng)該調(diào)整好Scale值，調(diào)整好Scale值是為觀眾提供最佳視角的基礎(chǔ)，在此狀況下進(jìn)行合理優(yōu)化是整個(gè)模型架構(gòu)建設(shè)完成的重要基礎(chǔ)。在Scale優(yōu)化的過(guò)程中也可結(jié)合模型的不可見(jiàn)面進(jìn)行巧妙地優(yōu)化，通過(guò)角度的選擇可規(guī)避不可見(jiàn)面設(shè)置的不充分，這樣可在很大程度上減少模型不可見(jiàn)面優(yōu)化，所以設(shè)定好Scale值必要是可根據(jù)色彩定位來(lái)標(biāo)定設(shè)置。

而在模型的渲染階段，需結(jié)合多層次色彩應(yīng)用，不同色差的結(jié)合模型細(xì)節(jié)依據(jù)裝配關(guān)系來(lái)確定，突顯場(chǎng)景特征，使場(chǎng)景模擬更為真實(shí)。

4 問(wèn)題處理

4.1坐標(biāo)問(wèn)題

導(dǎo)入基礎(chǔ)點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，需要將常規(guī)三維空間坐標(biāo)進(jìn)行歸零處理，這樣在后續(xù)的增加坐標(biāo)點(diǎn)過(guò)程中可方便點(diǎn)的計(jì)算與作圖，同時(shí)在模型架構(gòu)上，會(huì)有大量坐標(biāo)點(diǎn)位，若相關(guān)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)位，在整體連接空間模型上，坐標(biāo)模型均會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，不同模型的約束狀況不同，使得后期渲染和裝配也會(huì)較大差別。故而，提前規(guī)劃好相應(yīng)的基礎(chǔ)坐標(biāo)，使得后續(xù)在各分段模型定位上，可有序的將各點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)有效地導(dǎo)入到3Dmax，提前處理好該模型的真實(shí)坐標(biāo)標(biāo)記，方便后期在模型修改時(shí)，可以將坐標(biāo)更改回基本坐標(biāo)值。

4.2閃面問(wèn)題

閃面問(wèn)題也是模型構(gòu)建中的常見(jiàn)問(wèn)題，閃面的出現(xiàn)將對(duì)整個(gè)畫(huà)面的品質(zhì)造成很大影響。該問(wèn)題的根源在于不同的面會(huì)相處在同一個(gè)位置，故而使整個(gè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出兩個(gè)相同的面片重合的情景。通過(guò)刪除消除雙面重合的問(wèn)題，進(jìn)而來(lái)阻止閃面出現(xiàn)。

4.3貼圖問(wèn)題

貼圖問(wèn)題的核心是在于所貼圖形的紋理表現(xiàn)。紋理通常是通過(guò)手工處理的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即通過(guò)Photoshop處理相關(guān)圖形，而后將其統(tǒng)籌調(diào)配到對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景，但是未必就能與所建的模型完全符合，會(huì)出現(xiàn)紋理拉伸的情況。一般根據(jù)3Dmax中的UVW來(lái)移動(dòng)貼圖的位置及所展開(kāi)的數(shù)量，直到與實(shí)際的模型一樣為止。

5 建模效果

通過(guò)基于3Dmax進(jìn)行三維模型構(gòu)建，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)宣傳片中所用到的場(chǎng)景加以表現(xiàn)，達(dá)到了預(yù)期的效果，形象生動(dòng)得表現(xiàn)出了以VR月球基地三維動(dòng)畫(huà)為例的實(shí)況場(chǎng)景，建模效果逼真且具科幻感，有效地吸引力參觀者的駐足觀看與鑒賞。在此建模過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)實(shí)圖景景象，清晰明了的表現(xiàn)出月球探測(cè)的神秘性與可視性，達(dá)到了寓教于樂(lè)的科學(xué)教育目的。建模效果的完美呈現(xiàn)，也為后續(xù)人們深入的探測(cè)分析月球，提供了形象的想象基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與航天工程的不斷推進(jìn)，人們對(duì)于探月的渴望也在不斷提升，建模仿真成為了解日常難以接觸的事物的有效手段之一。在此通過(guò)3Dmax軟件的有效應(yīng)用，通過(guò)技術(shù)建模、模型優(yōu)化、問(wèn)題處理三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)月球基地探索三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)，最終呈現(xiàn)出了良好效果。期望本文的撰寫(xiě)，可以為類似項(xiàng)目提供參考。

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