整理三維可視化與虛擬仿真

1、三維可視化與虛擬仿真姓名：任偉杰班級(jí)：測(cè)繪111班學(xué)號(hào)：201116059115任課老師：陳杰時(shí)間：2014-06-13內(nèi)容摘要三維動(dòng)畫是指使用電腦軟件制作出的立體虛擬影像，又稱3D動(dòng)畫，是近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展而產(chǎn)生的一項(xiàng)新興技術(shù)。在3D技術(shù)日趨成熟的今天，3D動(dòng)畫已廣泛應(yīng)用于日常生活中的各行各業(yè)，如建筑，室內(nèi)設(shè)計(jì)，影視動(dòng)畫，游戲動(dòng)畫等。而因應(yīng)這一技術(shù)而誕生的一款功能強(qiáng)大的3D制作軟件，它就是3Dsmax,隨著該軟件版本的不斷更新升級(jí)，在軟件內(nèi)部算法和功能上與低版本比較有了明顯的提高，使它成為了一個(gè)巨大的三維動(dòng)畫創(chuàng)作平臺(tái)。由于3DsMAX的出現(xiàn)，這幾年做三維和學(xué)三維的人日益增多，三維

2、動(dòng)畫的制作已不再是大電影廠和專業(yè)影視制作公司的壟斷的專利，三維平臺(tái)的趨勢(shì)已由高端過渡到低端。本文將通過對(duì)3D動(dòng)畫短片的制作過程的詳細(xì)的介紹，其中主要介紹在3Dsmax中街道動(dòng)畫的制作，從而了解基本的動(dòng)畫制作知識(shí)，掌握運(yùn)用3dsmax進(jìn)行動(dòng)畫創(chuàng)作的技巧。目錄一對(duì)于三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)的認(rèn)知4（一）什么是三維動(dòng)畫4（二）三維動(dòng)畫發(fā)展史4（三）使3DMax制作三維動(dòng)畫的優(yōu)勢(shì)5二三維動(dòng)畫的具體制作方法7（一）前期準(zhǔn)備7（二）片段的制作8（三）后期制作1.0.（四）三維動(dòng)畫短片實(shí)例制作分析1.0三三維動(dòng)畫的發(fā)展前景1.7四總結(jié).18.五致謝.1一對(duì)于三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)的認(rèn)知（一）什么是三維動(dòng)畫三維動(dòng)畫是指通過使用電腦

3、軟件制作出的立體虛擬影像，又稱之為3D動(dòng)畫，是近年來隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一項(xiàng)新技術(shù)。它是攝影藝術(shù)、布景設(shè)計(jì)，及舞臺(tái)燈光的合理布置等等的各種藝術(shù)與技術(shù)的集合體。與此同時(shí)三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)制作需要更多的藝術(shù)功底和創(chuàng)造力。一個(gè)好的三維動(dòng)畫，它除了要求制作者要有較好的空間感與藝術(shù)感外，還有就是必須能夠很好的運(yùn)用各種三維動(dòng)畫的制作軟件。因此三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)與制作是一個(gè)涉及范圍很廣的技術(shù)，也可以說它就是一件藝術(shù)和技術(shù)緊密相結(jié)合的工作。所以在以前就只有專業(yè)的三維動(dòng)畫制作者才能夠制作的出來。（二）三維動(dòng)畫發(fā)展史綜觀三維動(dòng)畫的發(fā)展歷程，從1995年的初始階段到2004年開始的全盛時(shí)期三維平臺(tái)的趨勢(shì)由高端

4、過渡到低端，不再需要幾十萬的工作站，一般家庭電腦就可以做出專業(yè)的三維作品，三維動(dòng)畫制作的收費(fèi)也日趨合理，想當(dāng)年20000塊/秒的天價(jià)（廣告級(jí)標(biāo)版）到現(xiàn)在500元/秒都有人做，三維建筑、室內(nèi)效果圖也下降了很多，想靠做三維發(fā)大財(cái)已成為虛擬的幻境。國內(nèi)電影業(yè)不景氣，外國大片的沖擊，如何有效率地提高國人的創(chuàng)作、制作水平和規(guī)范制作準(zhǔn)則是擺在我們同行面前的不容輕視的課題。三維動(dòng)畫作為電腦美術(shù)的一個(gè)分支，是建立在動(dòng)畫藝術(shù)和電腦軟硬件技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上而形成的一種相對(duì)的獨(dú)立新型的藝術(shù)形式。早期主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。直到70年代后期，隨著PC機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)才逐步拓展到諸如平面設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)、建筑裝潢等領(lǐng)域。8

5、0年代，隨著電腦軟硬件的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的應(yīng)用得到了空前的發(fā)展，電腦美術(shù)作為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科真正開走上了迅猛發(fā)展之路。然而自1995年由迪斯尼發(fā)行的玩具總動(dòng)員上映，這部純?nèi)S制作的動(dòng)畫片取得了巨大的成功。三維動(dòng)畫迅速取代傳統(tǒng)動(dòng)畫成為最賣座的動(dòng)畫片種。迪斯尼公司在其后發(fā)行的玩具總動(dòng)員2、恐龍、怪物公司、蟲蟲特工隊(duì)都取得了巨大成功。另外,夢(mèng)工廠發(fā)行的蟻哥雄兵怪物史瑞克等三維動(dòng)畫片，也獲得了巨大的商業(yè)成功。三維動(dòng)畫在電影中的運(yùn)用更是神乎其技！蜘蛛俠、泰坦尼克號(hào)、終結(jié)者、魔界.可以說電影已經(jīng)不能離開三維動(dòng)畫的參與了?。ㄈ┦?DMax制作三維動(dòng)畫的優(yōu)勢(shì)現(xiàn)今三維動(dòng)畫的運(yùn)用可以說無處不在，網(wǎng)頁、

6、建筑效果圖、建筑瀏覽、影視片頭、MTV、電視欄目、電影、科研、電腦游戲。在今天，電腦的功能愈來愈強(qiáng)大，以至我們不僅可以看到地方電視臺(tái)的欄目包裝及廣告中充滿電腦動(dòng)畫特技，更有不少電腦愛好者在自己的個(gè)人電腦上玩起了動(dòng)畫制作。由于3D動(dòng)畫被廣泛應(yīng)用在諸多領(lǐng)域中，因此制作軟件也大量的涌現(xiàn)出來。三維軟件是利用電腦制作幾何模型的軟件。最先只能在專業(yè)圖形工作站上使用，隨著PC機(jī)的飛速發(fā)展和普及，三維動(dòng)畫軟件也紛紛被移植到PC機(jī)上。在DOS時(shí)代，美國Autodesk公司的3DS三維動(dòng)畫軟件幾乎壟斷了PC機(jī)三維動(dòng)畫的市場。1994年Microsoft用1.3億美元收購Softimage公司，1995年推出基于N

7、T平臺(tái)的SOFTIMAGE3D3.0版本，激蕩了三維動(dòng)畫領(lǐng)域。迫于壓力，為了維護(hù)3DS在三維動(dòng)畫領(lǐng)域的霸主地位，1996年，Kinetix公司推出3DS的WindowsNT版本3DSMAX1.0。這個(gè)版本在操作界面、組織結(jié)構(gòu)和功能上都有質(zhì)的飛躍，獲得了巨大的成功。1998年，Maya、Alias、Houdini相繼在NT平臺(tái)上出現(xiàn)。同年，Autodesk公司奮起迎擊，推出偏重于建筑設(shè)計(jì)的3DSMAXVIZ版本，該版本實(shí)際是在3DSMAX的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些增減，增加一些與建筑有關(guān)的模塊，刪去一些動(dòng)畫功能。隨著三維軟件應(yīng)用的迅速普及，小型三維軟件也如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。那么我們又該如何去選擇制作軟件

8、呢？對(duì)于不同的軟件它的使用方向，是有不同的側(cè)重點(diǎn)的。就我們所知的最常用來制作三維動(dòng)畫的兩款制作軟件Maya與3Dsmax來說，在影視三維動(dòng)畫與角色動(dòng)畫的制作中Maya的功能比3dsmax較為強(qiáng)大，但卻還是有很多人選擇使用3Dsmax來制作動(dòng)畫而不是使用Maya。那是因?yàn)?Dsmax它除了能較好的制作影視方面的三維動(dòng)畫外，還在其它領(lǐng)域的三維動(dòng)畫制作中也有著一定的優(yōu)勢(shì)，如工業(yè)產(chǎn)品的演示動(dòng)畫、游戲動(dòng)畫、模擬動(dòng)畫（植物的生長過程、化學(xué)反應(yīng)過程等）等方面的動(dòng)畫都可以使用3Dsmax來制作，精品文檔而且其操作過程較Maya來的簡單與便捷。再加上在2010年Autodesk公司新發(fā)布的3Dsmax2011在

9、三維動(dòng)畫制作方面也有比較大的突破。新版3Dsmax2011充分發(fā)揮了硬件的性能，新的多線程渲染引擎充分利用多核CPU和GPU的性能，以得到更快和更好的渲染速度和質(zhì)量。這使得使用3Dsmax的用戶將更加的多，學(xué)習(xí)資源也將更加的豐富，以至于很多熱愛CG動(dòng)畫的愛好者們可以利用3DsMax來制作自己的動(dòng)畫小短片。二三維動(dòng)畫的具體制作方法在我們選擇好了制作軟件后，又該如何去制作三維動(dòng)畫呢？雖然制作3D動(dòng)畫的方法有很多，但是基本的制作步驟都是一樣的。（一）前期準(zhǔn)備在制作三維動(dòng)畫之前我們要先明確動(dòng)畫故事的主旨，這是非常重要的。一部優(yōu)秀的動(dòng)畫不管它是2D動(dòng)畫還是3D動(dòng)畫，劇情都是它們的重要方面，可以說擁有了一

10、個(gè)好的劇情就等于成功了一半。所以對(duì)于任何一個(gè)優(yōu)秀的三維動(dòng)畫作品來說突出、鮮明的主題，就是吸引人的地方，其次就是人物與場景的精美程度了。因此我們?cè)谥谱魅S動(dòng)畫前要先詳細(xì)地構(gòu)思好動(dòng)畫的劇情、符合故事情節(jié)的人物造型與能夠體現(xiàn)出人物特征的生動(dòng)動(dòng)作。再來就是繪制分鏡頭草圖了，繪制草圖就是將構(gòu)思進(jìn)一步視覺化的重要一步。這體現(xiàn)了制作者的創(chuàng)作設(shè)想和藝術(shù)風(fēng)格，分鏡頭草圖是由圖畫加文字組成的，其表達(dá)的內(nèi)容包括鏡頭的類別和運(yùn)動(dòng)、人物與場景的構(gòu)圖和光影、運(yùn)動(dòng)方式和時(shí)間、音樂與音效等。其中每個(gè)圖畫都代表著一個(gè)鏡頭，使用文字來說明鏡頭的長度、人物臺(tái)詞及動(dòng)作等內(nèi)容。在人物設(shè)計(jì)初期，需要在紙上畫出人物的大概形態(tài)，包括人物或動(dòng)

11、物的外型與動(dòng)作設(shè)計(jì)、器物造型等設(shè)計(jì)，造型設(shè)計(jì)的要求比較嚴(yán)格，包括標(biāo)準(zhǔn)造型、轉(zhuǎn)面圖、結(jié)構(gòu)圖、比例圖、道具服裝分解圖等，通過角色的典型動(dòng)作設(shè)計(jì)（如幾幅帶有情緒的角色動(dòng)作體現(xiàn)角色的性格和典型動(dòng)作），并且附以文字說明來實(shí)現(xiàn)。超越建筑多媒體提倡造型可適當(dāng)夸張、要突出角色特征，運(yùn)動(dòng)合乎規(guī)律。若在制作的過程中無法想象出人物在運(yùn)動(dòng)過程中的狀態(tài)時(shí)也需要進(jìn)行紙上創(chuàng)作，然后再進(jìn)行繪制。其中場景是整個(gè)動(dòng)畫片中景物和環(huán)境的來源，在比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膱鼍霸O(shè)計(jì)中要繪制的包括平面圖、結(jié)構(gòu)分解圖、色彩氣氛?qǐng)D等，通常用一幅圖來表達(dá)。（二）片段的制作在準(zhǔn)備工作都完成之后，接下來就是創(chuàng)建模型了。建模，是制作者根據(jù)前期的造型設(shè)計(jì)，通過三維建模

12、軟件在計(jì)算機(jī)中繪制出角色模型。這是三維動(dòng)畫中很繁重的一項(xiàng)工作，需要出場的角色和在場景中會(huì)出現(xiàn)的物體都要建模。建模的靈魂是創(chuàng)意，核心是構(gòu)思，源泉是美術(shù)素養(yǎng)。但是開始建模時(shí)，應(yīng)該注意要在表現(xiàn)出必要細(xì)節(jié)的前提下盡量地減少場景的復(fù)雜度，這樣才不會(huì)因?yàn)檎加锰嗟南到y(tǒng)資源，而導(dǎo)致程序的崩潰。接著就是對(duì)材質(zhì)貼圖與燈光進(jìn)行設(shè)置了。材質(zhì)即材料的質(zhì)地，就是給模型賦予生動(dòng)的表面特性，具體體現(xiàn)在物體的顏色、透明度、反光度、反光強(qiáng)度、自發(fā)光及粗糙程度等特性上。貼圖是指把二維圖片通過軟件的計(jì)算貼到三維模型上，形成表面細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)。對(duì)具體的圖片要貼到特定的位置，三維軟件使用了貼圖坐標(biāo)的概念。一般有平面、柱體和球體等貼圖方式，

13、分別對(duì)應(yīng)于不同的需求，使模型的材質(zhì)與貼圖要與現(xiàn)實(shí)生活中的對(duì)象屬性相一致。燈光的設(shè)置，目的是最大限度地模擬自然界的光線類型和人工光線類型。在三維軟件中的燈光一般有泛光燈（如太陽、蠟燭等四面發(fā)射光線的光源）和方向燈（如探照燈、電筒等有照明方向的光源）。燈光起著照明場景、投射陰影及增添氛圍的作用。通常采用三光源設(shè)置法：一個(gè)主燈，一個(gè)補(bǔ)燈和一個(gè)背燈。主燈是基本光源，具亮度最高，主燈決定光線的方向，角色的陰影主要由主燈產(chǎn)生，通常放在正面的3/4處即角色正面左邊或右面45度處。補(bǔ)燈的作用是柔和主燈產(chǎn)生的陰影，特別是面部區(qū)域，常放置在靠近攝影機(jī)的位置。背燈的作用是加強(qiáng)主體角色及顯現(xiàn)其輪廓，使主體角色從背景中

14、突顯出來，背景燈通常放置在背面的3/4處,材質(zhì)貼圖和燈光與渲染的好壞是緊密相連的，由于每種軟件的技術(shù)與硬件配置需求不同，因此我們應(yīng)該視乎自己計(jì)算機(jī)的軟、硬件配置來對(duì)模型進(jìn)行材質(zhì)編輯。再之后就是對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行調(diào)節(jié)了，動(dòng)畫的調(diào)節(jié)相對(duì)來說要難一些，我們要根據(jù)分鏡頭草圖與動(dòng)作設(shè)計(jì)，運(yùn)用已設(shè)計(jì)的造型在三維動(dòng)畫制作軟件中制作出一個(gè)個(gè)動(dòng)畫片段。動(dòng)作與畫面的變化通過關(guān)鍵幀來實(shí)現(xiàn)，設(shè)定動(dòng)畫的主要畫面為關(guān)鍵幀，關(guān)鍵幀之間的過渡由計(jì)算機(jī)來完成。三維軟件大都將動(dòng)畫信息以動(dòng)畫曲線來表示。動(dòng)畫曲線的橫軸是時(shí)間（幀），豎軸是動(dòng)畫值，可以從動(dòng)畫曲線上看出動(dòng)畫設(shè)置的快慢急緩、上下跳躍。如3DSMax的動(dòng)畫曲線編輯器。三維動(dòng)畫的動(dòng)是

15、一門技術(shù)，其中人物說話的口型變化、喜怒哀樂的表情、走路動(dòng)作等，都要符合自然規(guī)律，制作要盡可能細(xì)膩、逼真，因此動(dòng)畫師要專門研究各種事物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如果需要，可參考聲音的變化來制作動(dòng)畫，如根據(jù)講話的聲音制作講話的口型變化，使動(dòng)作與聲音協(xié)調(diào)。對(duì)于人的動(dòng)作變化，系統(tǒng)提供了骨骼工具，通過蒙皮技術(shù)，將模型與骨骼綁定，易產(chǎn)生合乎人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的動(dòng)作。（三）后期制作最后就是特效的制作與動(dòng)畫的渲染了，進(jìn)行動(dòng)畫的輸出時(shí)，主要在渲染質(zhì)量和渲染時(shí)間兩者間平衡好。在3D動(dòng)畫中大部分的特技效果都是渲染之后再在合成軟件中進(jìn)行合成的，這樣既節(jié)省時(shí)間和成本，又可以得到比較好的效果。然而我們常常在制作動(dòng)畫之前都很容易會(huì)忽略了對(duì)動(dòng)畫

16、劇情的構(gòu)建，都是一開始就直接進(jìn)行角色或場景的建模，但就如上面所說的在制作任何一個(gè)動(dòng)畫之前都要對(duì)動(dòng)畫的劇情、人物進(jìn)行詳細(xì)的構(gòu)思，這樣子制作時(shí)才會(huì)事半功倍，否則就會(huì)事倍功半。因此我們?cè)诿看沃谱鲃?dòng)畫之前都應(yīng)該認(rèn)真的進(jìn)行動(dòng)畫劇情的構(gòu)想，之后再進(jìn)行角色與場景的建模。（四）三維動(dòng)畫短片實(shí)例制作分析1、建筑建模建筑模型的創(chuàng)建方法很多，包括多邊形建模與nurbs曲線建模，在3Dsmax中，由于對(duì)nurbs的支持并不完美，在制作復(fù)雜模型時(shí)從操作方式上不能很好地體現(xiàn)出nurbs的優(yōu)點(diǎn)，因此使用3Dsmax建造復(fù)雜模型是也多是使用多邊形建模。那建筑的模型是如何創(chuàng)建呢？由于建筑的對(duì)稱性，所以在建模時(shí)都是使用對(duì)稱法做的

17、。下面就讓我們來看看使用多邊形建模法是如何創(chuàng)建出建筑的。(1)科學(xué)城建模是根據(jù)全國最新技術(shù)激光雷達(dá)經(jīng)過航拍得到科學(xué)城正射影像和激光點(diǎn)云經(jīng)過pos得到如圖1(2)經(jīng)過先前激光點(diǎn)云制作成盤在導(dǎo)入cad中創(chuàng)建3維建筑模型如圖2圖3圖3(2)做好以上工作后吧cad模型導(dǎo)入到3dmax中進(jìn)行貼圖就形成了和現(xiàn)實(shí)很接近的虛擬建筑了如圖4所示：(3)雖然除了這種方法外，我們還能使用nurbs曲線來制作，但由于使用Nurbs曲線需要制作者有比較好物理數(shù)學(xué)知識(shí)，因此并不適合初學(xué)者使用。即使多邊形建模比較麻煩但由于它易于操作，就算是初學(xué)者也能很好的制作出建筑的模型。2、街道動(dòng)畫制作(1)(2)攝像機(jī)是街道動(dòng)畫是很重

18、要的環(huán)節(jié)是確定動(dòng)畫效果的關(guān)鍵，根據(jù)下面我們看看是怎樣為場景打攝像機(jī)的。2）在max場景中選好場景視角放入一部攝像機(jī)，在攝像機(jī)要經(jīng)過的虛擬地面畫線描點(diǎn)來創(chuàng)建攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑（注意：攝像機(jī)路徑一般是兩條）。如圖5圖52）max中動(dòng)畫有很多種創(chuàng)建方法，如路徑約束、軌跡動(dòng)畫等，下面我們就用路勁約束來制作動(dòng)畫，創(chuàng)建好路徑和攝像機(jī)，我們先打開如圖6所示的路勁約束來創(chuàng)建場景中的攝像機(jī)動(dòng)畫。如果發(fā)現(xiàn)攝像機(jī)抖動(dòng)，我們應(yīng)該查看攝像機(jī)視點(diǎn)動(dòng)畫速度和參數(shù)，具體參數(shù)是多少?zèng)]有明確的數(shù)字，只有一步一步的調(diào)試直到得到想要的效果。(3)(4)場景中動(dòng)畫制作如汽車動(dòng)畫制作1)同理我們?yōu)槠囍谱鲃?dòng)畫時(shí)應(yīng)該為它在場景中創(chuàng)建路徑。如圖7所示:2)3)當(dāng)汽車路徑創(chuàng)建好之后我們來創(chuàng)建汽車的路徑約束動(dòng)畫如圖8所示3、整體截圖如圖所不:三維動(dòng)畫的發(fā)展前景盡管中國動(dòng)畫業(yè)目前尚與世界水平有較大差距，但作為新世紀(jì)的朝陽產(chǎn)業(yè)，中國的本土動(dòng)畫制作從未放棄過努力，尤其在3D動(dòng)畫領(lǐng)域，佳作不斷，呈現(xiàn)了一派欣欣向榮的蓬勃發(fā)展景象。雖然國內(nèi)不少動(dòng)畫企業(yè)都已經(jīng)掌握了先進(jìn)的MOTIONCAPTURE機(jī)器（三維動(dòng)作