顧天宇

摘要：本文以實際項目為參考，通過3Dmax軟件的合理應(yīng)用，進行三維模型建模，完成相關(guān)場景建設(shè)，實現(xiàn)VR月球基地三維動畫設(shè)計。主要基于場景輪廓模擬與定位器應(yīng)用實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集;隨后展開線面建模和數(shù)字化建模，完成模型架構(gòu)場景建設(shè);通過紋理設(shè)計使模型達到預(yù)期材質(zhì)的效果;經(jīng)過多點設(shè)置等技術(shù)，完成動態(tài)場景設(shè)計;最終，通過模型渲染優(yōu)化整體效果，完成三維模型構(gòu)建。最終設(shè)計效果達到預(yù)期目標(biāo)，充分展示了VR月球基地形態(tài)樣貌。綜上，本文主要針對三維模型構(gòu)建中的設(shè)計要點以及問題處理展開論述，以期為后續(xù)同行開展該類項目提供實踐參考。

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

1 項目概況

近年來，中國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展中，人們對于了解月球的渴望也越發(fā)強烈。在此以構(gòu)建VR月球基地三維動畫為實際案例，開展3Dmax的三維模型分析。

本宣傳片的制作通過VR技術(shù)真實地來模擬未來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)實驗等諸多方面來進行表現(xiàn)。在項目的實施中，因為該場景的要求較高，需要從策劃、腳本、場景等多方面展開規(guī)劃，并將重點放在細節(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)實際的需求，建立在目前已有的圖書、網(wǎng)絡(luò)等資料的基礎(chǔ)上，進行場景規(guī)劃。在此階段，確定好整個場景的基本布置之后，就可以根據(jù)場景輪廓來設(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，通過定位器設(shè)定，精確地標(biāo)定數(shù)據(jù)采集的點位，隨后通過定位器與傳感器在特定點位的設(shè)定實現(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)處理器計算優(yōu)化后呈現(xiàn)出現(xiàn)基本輪廓。合理的點位標(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。

在建模軟件進行建模操作時，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)才能進行定位，進而才能建立數(shù)字化建模。在工程實踐中，模型的建立包括事物點線面建模和數(shù)字化建模兩種，兩種各有利弊，本項目中進行了兩種技術(shù)的綜合應(yīng)用。點線面建模較為直觀，操作者可直接進行點的定位，隨后在構(gòu)建出線與面的基礎(chǔ)上進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等建立結(jié)構(gòu)體，缺點是模型構(gòu)建不夠精確，難以保證特征點位置的精準(zhǔn)度。數(shù)字化建模則主要根據(jù)空間的特征點坐標(biāo)來建立模型的，特征點建模具有良好的定位性，點坐標(biāo)的精確度也能保證物體的細節(jié)呈現(xiàn)。通過點線布局確立在數(shù)據(jù)的導(dǎo)入中是由點到線，再由線到面來構(gòu)建的，進而在基礎(chǔ)的二維線框設(shè)計上，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、充氣住艙等場景，還要設(shè)計出人類在月球生活中的單體模型。該單體模型將人和環(huán)境實現(xiàn)合理規(guī)劃的同時，還要表現(xiàn)出人在該環(huán)境中運動的路徑。由于單體模型大多是異形模型，異形模型是通過多曲面與復(fù)雜曲線來構(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功能來進行框架構(gòu)造，在復(fù)雜線段構(gòu)造上也不可以通過樣點曲線來實現(xiàn)，在該項目中，采用的是軟件中的UnwrapUVW功能，來實現(xiàn)poly搭建的素模uv化的處理。通過輸入點數(shù)據(jù)來建立矢量模型，矢量模型建立的好處在于不會受模型放大而出現(xiàn)失真。在完成結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)上，需要對結(jié)構(gòu)進行渲染，這里主要采用ps貼圖的方式來進行，為節(jié)約時間，選擇在模型正面貼圖完成后，再進行反向貼圖處理，這樣有利于模型細節(jié)表現(xiàn)，對于不必要的場景降低了模型制作的復(fù)雜度，而加快場景渲染的建設(shè)速度，提高效率。

2.3紋理設(shè)計

紋理設(shè)計是在定好色調(diào)的基礎(chǔ)上而展開的，在3Dmax的應(yīng)用中，紋理的設(shè)計是根據(jù)場景的需求而展開的，各個場景的紋理設(shè)計要考慮場景的材質(zhì)，在對于各場景紋理設(shè)計展示上，主要是調(diào)用軟件材料庫中的多元來表現(xiàn)的。

在條紋設(shè)計上，月球上的巖石是代表性的表現(xiàn)物。在場景中，需要對場景進行條紋設(shè)計的內(nèi)容有：月壤;斜長巖，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)感來進行。處理考慮材質(zhì)，還應(yīng)該結(jié)合月球的環(huán)境狀態(tài)，主要是太陽風(fēng)的影響。為了更加逼真的展示場景特征，參閱資料可知月球土壤會長期處在風(fēng)化狀態(tài)，所以土質(zhì)就需要細致渲染。巖石呈現(xiàn)斜長狀并表現(xiàn)出較堅硬的質(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。

針對月球巖石的紋理設(shè)計進行具體操作分析：首先調(diào)出3D max中的材質(zhì)球，參考文獻資料進行斜長巖和月海玄武巖顏色基色的調(diào)和。該項目利用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bump和材質(zhì)面板中的diaplacement處理，增加巖石表面的凹凸感細節(jié)表現(xiàn)。隨后，針對月壤質(zhì)感問題進行處理，采取符合月壤的貼圖來進行鋪排，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動畫設(shè)計

模型的建立不僅僅是靜止?fàn)顟B(tài)的，動態(tài)場景也是整個系統(tǒng)架構(gòu)中的核心內(nèi)容。在此動畫設(shè)計的核心就是要在原有的場景里面的物體的動作綁定動畫。為完全按照實際來模擬月球車等交通工具的運動動作，動作建模過程中需要根據(jù)實際的運動狀態(tài)進行軌跡設(shè)計。在整個動畫的設(shè)計中，因為模型是裝配體，所以在運動設(shè)定上要表現(xiàn)出裝配體的聯(lián)動性，這種聯(lián)動性設(shè)置需要多點設(shè)置;此外，在月球礦區(qū)有很多挖掘機的運動動作設(shè)計也需要依賴多點設(shè)置技術(shù)。故而，在月球車和運輸車等交通工具設(shè)計時，通過madcar來模擬車在地面上行駛的效果，在該插件中通過多點設(shè)置來表現(xiàn)運動狀態(tài)，月球車的形狀為六邊形的地盤結(jié)構(gòu)，所以在路徑規(guī)劃上更需要細節(jié)處理。根據(jù)月球的場景特點，多為山地地勢，在該項目中采用madcar插件制作交通工具運動動畫。交通工具是整個月球VR設(shè)計的核心，以下圖4就是以某交通工具內(nèi)部觀測的運輸工具工作場景圖示。

此處以月球車為例展開撰寫。月球車的移動需要符合在月球?qū)嶋H狀況下進行，在本項目的操作上是在月球車的各運動自由度上綁定bone，對于月球車各關(guān)鍵的運動性組件調(diào)用了madcar的ObjectType里面的系列化插件實現(xiàn)動作，在動畫制作方面除了動作的處理之外，還包括方向，運動軌跡狀態(tài)等諸多內(nèi)容。在各項自由度都進行定義之后，就可以通過電擊drvie按鍵來進行運動表現(xiàn)了，為表現(xiàn)運行動畫的精準(zhǔn)性，可以通過按鍵盤A（left）表示左轉(zhuǎn)，D（right）表示右轉(zhuǎn)，W（throttle）表示熄火，PUP（fwd/bwd）表示前進等按鍵來及時地對車輛的運行狀態(tài)進行方位調(diào)控，在速度與方位不斷變化下，通過動畫測試可演示動畫最后呈現(xiàn)出的運行效果。

3 模型優(yōu)化

模型優(yōu)化包含的具體方向相對較多，目的是使整個模型更為逼真。在模型的優(yōu)化過程中，需要對原有模型進行更多元的細節(jié)調(diào)整，主要涉及倒圓角，細節(jié)修改等等，模型修改的重要特點之一就是要對整個架構(gòu)模型中不可見面的處理與修正，避免整個模型在表現(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)，在此狀況下進行合理優(yōu)化是整個模型架構(gòu)建設(shè)完成的重要基礎(chǔ)。在Scale優(yōu)化的過程中也可結(jié)合模型的不可見面進行巧妙地優(yōu)化，通過角度的選擇可規(guī)避不可見面設(shè)置的不充分，這樣可在很大程度上減少模型不可見面優(yōu)化，所以設(shè)定好Scale值必要是可根據(jù)色彩定位來標(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)合模型細節(jié)依據(jù)裝配關(guān)系來確定，突顯場景特征，使場景模擬更為真實。

4 問題處理

4.1坐標(biāo)問題

導(dǎo)入基礎(chǔ)點坐標(biāo)時，需要將常規(guī)三維空間坐標(biāo)進行歸零處理，這樣在后續(xù)的增加坐標(biāo)點過程中可方便點的計算與作圖，同時在模型架構(gòu)上，會有大量坐標(biāo)點位，若相關(guān)點發(fā)生錯位，在整體連接空間模型上，坐標(biāo)模型均會發(fā)生錯位，不同模型的約束狀況不同，使得后期渲染和裝配也會較大差別。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，可有序的將各點關(guān)鍵點有效地導(dǎo)入到3Dmax，提前處理好該模型的真實坐標(biāo)標(biāo)記，方便后期在模型修改時，可以將坐標(biāo)更改回基本坐標(biāo)值。

4.2閃面問題

閃面問題也是模型構(gòu)建中的常見問題，閃面的出現(xiàn)將對整個畫面的品質(zhì)造成很大影響。該問題的根源在于不同的面會相處在同一個位置，故而使整個結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出兩個相同的面片重合的情景。通過刪除消除雙面重合的問題，進而來阻止閃面出現(xiàn)。

4.3貼圖問題

貼圖問題的核心是在于所貼圖形的紋理表現(xiàn)。紋理通常是通過手工處理的方式來實現(xiàn)的，即通過Photoshop處理相關(guān)圖形，而后將其統(tǒng)籌調(diào)配到對應(yīng)的場景，但是未必就能與所建的模型完全符合，會出現(xiàn)紋理拉伸的情況。一般根據(jù)3Dmax中的UVW來移動貼圖的位置及所展開的數(shù)量，直到與實際的模型一樣為止。

5 建模效果

通過基于3Dmax進行三維模型構(gòu)建，有效地實現(xiàn)了對宣傳片中所用到的場景加以表現(xiàn)，達到了預(yù)期的效果，形象生動得表現(xiàn)出了以VR月球基地三維動畫為例的實況場景，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。在此建模過程中，根據(jù)現(xiàn)實圖景景象，清晰明了的表現(xiàn)出月球探測的神秘性與可視性，達到了寓教于樂的科學(xué)教育目的。建模效果的完美呈現(xiàn)，也為后續(xù)人們深入的探測分析月球，提供了形象的想象基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

隨著社會經(jīng)濟與航天工程的不斷推進，人們對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3Dmax軟件的有效應(yīng)用，通過技術(shù)建模、模型優(yōu)化、問題處理三個階段實現(xiàn)月球基地探索三維動畫設(shè)計，最終呈現(xiàn)出了良好效果。期望本文的撰寫，可以為類似項目提供參考。

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