第4章 三維建模工具

清華大學(xué)出版社虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用

Contents:1概述2基本界面3基本流程綜合實(shí)例5基本操作43DSMAX三維建模在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，營(yíng)造的虛擬環(huán)境是它的核心內(nèi)容，虛擬環(huán)境的建立首先要做建模，然后在其基礎(chǔ)上在進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制、立體顯示，形成一個(gè)虛擬的世界。建模軟件概述1目前廣泛使用的三維建模工具軟件有3dsMax、XSI和Maya等，這些軟件通?？梢杂脕?lái)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行建模，每種建模工具軟件都有各自的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。44.1.13dsMax3dsMax是由Autodesk公司旗下的Discreet公司開發(fā)推出的三維造型與動(dòng)畫制作軟件。3dsMax軟件率先將以前僅能在圖形工作站上運(yùn)行的三維造型與動(dòng)畫制作軟件移植到微機(jī)電腦硬件平臺(tái)上。3dsMax是集建模、材質(zhì)、燈光、渲染、動(dòng)畫、輸出等于一體的全方位3D制作軟件，可以為創(chuàng)作者提供多方面的選擇，滿足不同的需要。

目前廣泛應(yīng)用于電影特技、電視廣告、游戲、工業(yè)造型、建筑藝術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助教育、科學(xué)計(jì)算可視化、軍事、建筑設(shè)計(jì)、飛行模擬等各個(gè)領(lǐng)域。54.1.2XSIXSI原名Softimage3D，是Softimage公司的一款三維動(dòng)畫制作軟件，其強(qiáng)項(xiàng)雖然在于動(dòng)畫控制技術(shù)，但其自由建模能力很強(qiáng)，擁有世界上最快速的細(xì)分優(yōu)化建模功能以及直覺(jué)的創(chuàng)造工具讓3D建模感覺(jué)就像在做真實(shí)的模型雕塑一般。4.1.3MayaMaya是美國(guó)Autodesk公司出品的世界頂級(jí)的三維動(dòng)畫軟件，并以建模功能強(qiáng)大著稱。Maya的操作界面及流程與3dsMax比較類似。雖然在此之前已經(jīng)出現(xiàn)了很多三維制作軟件，但Maya憑借其強(qiáng)大的功能、友好的用戶界面和豐富的視覺(jué)效果，一經(jīng)推出就引起了動(dòng)畫和影視界的廣泛關(guān)注，成為頂級(jí)的三維動(dòng)畫制作軟件。3DSMAX2目前，3dsMax在國(guó)內(nèi)外擁有眾多的用戶，在使用效率占據(jù)著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)在科學(xué)工程上的應(yīng)用，快速實(shí)時(shí)、交互性強(qiáng)、操作方便的3dsMax軟件具有廣闊的發(fā)展前景。關(guān)于3dsMax3dsMax是3dsStudioMax的簡(jiǎn)稱，是Autodesk公司推出的一款非常優(yōu)秀三維實(shí)體造型及動(dòng)畫制作軟件。3dsMax是一款應(yīng)用于PC平臺(tái)的元老級(jí)三維動(dòng)畫軟件，由Autodesk公司出品。它具有優(yōu)良的多線程運(yùn)算能力，支持多處理器的并行運(yùn)算，豐富的建模和動(dòng)畫能力，出色的材質(zhì)編輯系統(tǒng)。在中國(guó)，3dsMax的使用人數(shù)大大超過(guò)其他三維軟件。3dsMax的成功在很大的程度上要?dú)w功于它的插件。全世界有許多專業(yè)技術(shù)公司在為它設(shè)計(jì)各種插件。3DSMAX概述在游戲制作、影視特效、

廣告動(dòng)畫、建筑業(yè)等方

面都廣泛應(yīng)用。3dsMax項(xiàng)目開發(fā)流程

渲染創(chuàng)建模型設(shè)計(jì)材質(zhì)燈光和攝影機(jī)動(dòng)畫石墨建模工具視頻教程菜單欄工具欄菜單欄視圖區(qū)命令面板時(shí)間軸狀態(tài)欄動(dòng)畫控制區(qū)視圖控制區(qū)3D導(dǎo)航控件3DSMAX2010中文版界面視圖區(qū)從上往下看從左往右看從前往后看默認(rèn)的攝像機(jī)視圖，立體感較強(qiáng)Top視圖Front視圖Left視圖Perspective視圖正交投影類型透視投影類型視圖控制區(qū)4.2.2對(duì)象3dsMax是一款面向?qū)ο蟮能浖?，所謂對(duì)象就是在3dsMax中所能選擇和操作的任何事物。在3dsMax中用戶創(chuàng)建的每一個(gè)事物都是對(duì)象，如幾何體、攝像機(jī)、光源、修改器、位圖、材質(zhì)貼圖等都是對(duì)象。場(chǎng)景也是對(duì)象，是與其他事物不同的對(duì)象，它包括了光源、攝影機(jī)、空間和輔助對(duì)象。在3dsMax中有可分為參數(shù)對(duì)象、非參數(shù)對(duì)象、復(fù)合對(duì)象和次對(duì)象等。（1）參數(shù)化對(duì)象

（2）非參數(shù)化對(duì)象（3）復(fù)合對(duì)象在創(chuàng)建面板中，可以結(jié)合兩個(gè)或多個(gè)對(duì)象而創(chuàng)建一個(gè)新的參數(shù)化對(duì)象，這種對(duì)象被稱作復(fù)合對(duì)象。復(fù)合對(duì)象也是參數(shù)化對(duì)象，它的參數(shù)包括結(jié)合和被結(jié)合對(duì)象的描述。3dsMax中可以隨時(shí)對(duì)復(fù)合對(duì)象中的子對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行修改和編輯。（4）次對(duì)象次對(duì)象是指可以被選擇和操作的物體的任何組成元素。例如構(gòu)成網(wǎng)格的眾多頂點(diǎn)中的一個(gè)頂點(diǎn)就是次對(duì)象。此外，利用“編輯網(wǎng)格”和“編輯多邊形”修改器，能夠訪問(wèn)組成對(duì)象的任何次對(duì)象，像對(duì)一個(gè)模型的頂點(diǎn)或面進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或刪除等。4.33dsMax基本操作

（1）使用創(chuàng)建命令面板創(chuàng)建命令面板是命令面板的第一個(gè)面板，

是它的圖標(biāo)。在創(chuàng)建面板中包括了所有可以創(chuàng)建的對(duì)象類型，使用下拉列表可以選擇對(duì)象子類別，如圖所示?？蓜?chuàng)建的對(duì)象共分為7種類型，每一種類型中還包括不同的對(duì)象子類型。通過(guò)創(chuàng)建命令面板“茶壺”按鈕在視圖中創(chuàng)建對(duì)象的效果圖。

4.3.2對(duì)象屬性所有的對(duì)象都有唯一的屬性。屬性包括諸如對(duì)象名、線框顏色、賦予的材質(zhì)和投射陰影能力等。對(duì)象的屬性大多可以在“對(duì)象屬性”對(duì)話框中顯示或設(shè)置。在3dsMax中選擇一個(gè)對(duì)象，并點(diǎn)擊右鍵，即可在四元組菜單中找到并打開“對(duì)象屬性”對(duì)話框。4.3.3變換對(duì)象使用3dsMax在場(chǎng)景中創(chuàng)建對(duì)象后，可以對(duì)創(chuàng)建的對(duì)象做出相應(yīng)的修改，如調(diào)整對(duì)象的大小、位置和角度，創(chuàng)建出對(duì)象的副本等。基本的變換命令是更改對(duì)象的位置、旋轉(zhuǎn)或縮放的最直接方式。這些命令位于默認(rèn)的主工具欄上。在默認(rèn)的四元菜單中也提供了這些命令。（1）移動(dòng)操作

（2）旋轉(zhuǎn)操作

（3）縮放操作

4.3.4對(duì)象的復(fù)制

（1）克隆對(duì)象（2）鏡像（3）陣列4.3.5常用輔助工具

（1）捕捉（2）對(duì)齊4.3幾何體的創(chuàng)建

4.3.1標(biāo)準(zhǔn)幾何體4.3.2擴(kuò)展幾何體體

4.3.3創(chuàng)建二維圖形

4.4修改和編輯模型

4.4.1三維幾何體的編輯修改器1.“修改”命令面板3.常用修改器的使用

(1)彎曲修改器(2)錐化修改器(3)扭曲修改器(4)噪波修改器4.4.2二維圖形的編輯和修改

1.將二維圖形轉(zhuǎn)化為可編輯樣條線2.“選擇”卷展欄3.“軟選擇”卷展欄5.常用二維修改器

（1）“擠出”修改器（2）“車削”修改器（3）“倒角”修改器（4）“倒角剖面”修改器

4.5高級(jí)建模

4.5.1網(wǎng)格建模

2.網(wǎng)格子對(duì)象網(wǎng)格建模的主要方法是對(duì)其子對(duì)象進(jìn)行編輯。在將對(duì)象轉(zhuǎn)換為可編輯網(wǎng)格對(duì)象以后，展開修改器堆棧，可以看到它的子對(duì)象包括頂點(diǎn)、邊、面、多邊形和元素幾個(gè)子對(duì)象層級(jí)，如圖所示。3.可編輯網(wǎng)格的參數(shù)設(shè)置（1）“選擇”卷展欄(2)“軟選擇”卷展欄（3）“編輯幾何體”卷展欄：

（4）“曲面屬性”卷展欄：

4.5.2多邊形建模

1．轉(zhuǎn)換多邊形對(duì)象轉(zhuǎn)換多邊形對(duì)象的方法同上面介紹的轉(zhuǎn)為可編輯網(wǎng)格一樣，可以在對(duì)象上單擊右鍵，從彈出的快捷菜單中選擇“轉(zhuǎn)換到|轉(zhuǎn)換到可編輯多邊形”命令。或者在“修改器列表”中選擇“編輯多邊形”。2．多邊形的子對(duì)象多邊形建模包含五個(gè)子對(duì)象層級(jí)：頂點(diǎn)、邊、邊界、多邊形和元素，如圖4-122所示。因?yàn)槎噙呅谓Ｊ且远噙呅蝸?lái)定義基礎(chǔ)面的，所以在子對(duì)象中沒(méi)有了網(wǎng)格中的“面”子對(duì)象層，取而代之的是“邊界”子對(duì)象層。這些元素可以在不同的子對(duì)象層級(jí)中將對(duì)象進(jìn)行操縱和編輯。3.多邊形對(duì)象的參數(shù)設(shè)置多邊形對(duì)象的參數(shù)設(shè)置共包括“選擇”、“軟選擇”、“編輯幾何體”和“曲面屬性”卷展欄。4.5.3面片建模

1．創(chuàng)（1）面片柵格4.5.3NURBS建模

1.創(chuàng)建NURBS對(duì)象4.6材質(zhì)和貼圖

4.6.1材質(zhì)

1、材質(zhì)編輯器的使用2.常用的材質(zhì)類型（1）標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)是3dsMax2010中默認(rèn)且使用最多的材質(zhì)，它可以提供均勻的表面顏色效果，而且可以模擬發(fā)光和半透明等效果，常用來(lái)模擬玻璃、金屬、陶瓷、毛發(fā)等材料。（2）光線跟蹤材質(zhì)（3）復(fù)合材質(zhì)4.6.2貼圖

一、貼圖的類型3dsmax的貼圖有位圖和程序貼圖兩種。位圖是二維圖像，圖像由像素組成，像素少時(shí)圖像放大到一定程度后，圖像會(huì)變模糊；像素越多，圖像的品質(zhì)越高，但需要系統(tǒng)提供的內(nèi)存越大，因此渲染時(shí)需要的時(shí)間更長(zhǎng)。程序貼圖是利用簡(jiǎn)單或復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行運(yùn)算形成貼圖，其優(yōu)點(diǎn)是放大后不會(huì)降低分辨率，保持圖片的細(xì)節(jié)。二、貼圖的設(shè)置為材質(zhì)添加貼圖的方法有兩種：一種是單擊材質(zhì)編輯器“明暗器基本參數(shù)”卷展欄中漫反射、高光反射、自發(fā)光、透明度等參數(shù)右側(cè)的空白按鈕，利用打開的“材質(zhì)/貼圖瀏覽器”對(duì)話框添加貼圖（參見(jiàn)下面左圖）；另一種是單擊“貼圖”卷展欄中貼圖通道右側(cè)的“None”按鈕添加貼圖（參見(jiàn)下面右圖），二者是等效的。三、貼圖的常用參數(shù)

4.7燈光和攝影機(jī)燈光和攝影機(jī)是三維制作中的兩個(gè)重要組成部分，在表現(xiàn)場(chǎng)景、氣氛、動(dòng)作、構(gòu)圖等方面都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。場(chǎng)燈光的創(chuàng)建是實(shí)現(xiàn)模型良好視覺(jué)感的重要手段之一。在三維世界中，攝像機(jī)就像人的眼睛一樣，用來(lái)觀察場(chǎng)景中的對(duì)象，只有通過(guò)合適的觀察角度才能使場(chǎng)景看起來(lái)更加真實(shí)。

4.7.1燈光基礎(chǔ)知識(shí)（一）布光原則1.燈光宜精不宜多。過(guò)多的燈光會(huì)使場(chǎng)景中的對(duì)象看上去過(guò)于平板，減少空間的層次，且不利于燈光的管理。同時(shí)，在場(chǎng)景中要注意“留黑”，這樣會(huì)使燈光的設(shè)置有調(diào)節(jié)的余地，并產(chǎn)生微妙的光影變化。2．燈光要體現(xiàn)場(chǎng)景的明暗分布，要有層次。在場(chǎng)景中要根據(jù)需要選用不同種類的燈光，根據(jù)需要決定燈光的投影及陰影的濃度等。3.布光時(shí)應(yīng)遵循有主題到局部、由簡(jiǎn)到繁的過(guò)程。對(duì)于燈光效果的形成，應(yīng)該先調(diào)整角度定下主格調(diào)，再調(diào)節(jié)燈光的衰減等特性來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感，最后再調(diào)整燈光的顏色做細(xì)致調(diào)整。(二)布光方法在3dMax中常用的布光方法有兩種。1.三點(diǎn)布光法三點(diǎn)布光法又稱三角形照明法，就是利用3個(gè)光源對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行照明，這3個(gè)光源分別被稱為主光源、輔助光源和背光源。2.燈光陣列法燈光陣列法是根據(jù)場(chǎng)景空間范圍使用不同數(shù)量的泛光燈，來(lái)模擬環(huán)境光和對(duì)象反彈光，泛光燈之間一般保持等距，且都會(huì)開啟陰影設(shè)置。其目的是模擬現(xiàn)實(shí)的全局照明，當(dāng)改變場(chǎng)景的觀察角度，場(chǎng)景中的燈光依然能夠正確表現(xiàn)該角度上的場(chǎng)景效果。4.7.2燈光類型

這里主要介紹標(biāo)準(zhǔn)燈光，標(biāo)準(zhǔn)燈光包括聚光燈、平行光、泛光燈和天光，主要用于模擬家用、辦公、舞臺(tái)、電影和工作中使用的設(shè)備燈光以及太陽(yáng)光。4.7.4攝影機(jī)簡(jiǎn)介

3dsMax為用戶提供了兩種類型的攝影機(jī)：目標(biāo)攝影機(jī)和自由攝影機(jī)。如圖所示。

4.83dsMax模型和OpenGL技術(shù)4.8.1OpenGL技術(shù)簡(jiǎn)介

OpenGL是一種強(qiáng)大的三維圖形開發(fā)工具，是圖形硬件的軟件接口，它由大約250個(gè)命令組成，用戶通過(guò)這些命令指定創(chuàng)建交互式2D或3D程序所需的幾何對(duì)象和操作。從本質(zhì)上說(shuō)，它是一個(gè)3D圖形和模型庫(kù)，獨(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境，具有高度的可移植性，并且具有非?？斓乃俣?。OpenGL嚴(yán)格按照計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理設(shè)計(jì)而成，符合光學(xué)和視覺(jué)原理，可以創(chuàng)建極其逼真的3D圖像，許多三維演示系統(tǒng)都用OpenGL作為三維圖象生成和控制的編程接口。OpenGL能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以客戶/服務(wù)器模式工作，是專業(yè)的圖形處理、科學(xué)計(jì)算等高端應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫(kù)。OpenGL的核心圖形函數(shù)功能強(qiáng)大，使用靈活方便，并能夠支持粒子系統(tǒng)，對(duì)模擬水、火、雪等自然景物提供了真實(shí)有效的方法。其在Windows編程環(huán)境可以方便地對(duì)所構(gòu)模型的人機(jī)交互進(jìn)行控制。由于其開放性和高度重用性，現(xiàn)在已經(jīng)成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。4.8.23dsMax模型在OpenGL中的使用在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中采用OpenGL技術(shù)與3dsMax軟件建模的方式來(lái)構(gòu)建虛擬三維空間的方法。首先需要在3dsMax軟件中完成模型建立完成后，可以用3DExploration，Wcvt2pov等軟件把3ds模型轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的OpenGL的C\C++格式文件，也可以由程序直接載入3ds模型。用軟件轉(zhuǎn)換格式的方法能夠保留模型的顏色、紋理等信息。但也有局限性，即在轉(zhuǎn)換模型時(shí)需要軟件的支持和人工交互轉(zhuǎn)換，且每次也只能轉(zhuǎn)換一個(gè)模型。因此，效率并不高。而使用3dsMax軟件生成的3ds文件，不僅大大縮短建模時(shí)間而且提高建模效率，但需利用OpenGL編寫相關(guān)程序才能讀取3ds文件，把3ds文件轉(zhuǎn)換成OpenGL可以識(shí)別的文件，以便于實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的控制及后續(xù)操作。這部分內(nèi)容將在最后一章具體開發(fā)中詳細(xì)介紹。