3D建模在三維動(dòng)畫(huà)宣傳片中的應(yīng)用研究

【摘 要】近年來(lái)信息科技技術(shù)與信息技術(shù)不斷發(fā)展，信息技術(shù)形式得到了不斷創(chuàng)新，3D建模這一技術(shù)在各行各業(yè)中都得到了廣泛的使用，這一技術(shù)通過(guò)軟件將不同的幾何體剔紅從而完成動(dòng)畫(huà)細(xì)節(jié)與形狀的進(jìn)一步加工，提高畫(huà)面質(zhì)量。文章主要以某項(xiàng)目為例，探討了3D建模技術(shù)在三維動(dòng)畫(huà)宣傳片中的應(yīng)用，分析了3DS MAX? 建模軟件使用的關(guān)鍵技術(shù)以及骨架綁定技術(shù)，為從業(yè)者提供一定參考。

【關(guān)鍵詞】三維建模;三維動(dòng)畫(huà);3DS MAX;OpenGL;建模技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP391.41;J954 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）12-0216-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.104

【Abstract】In recent years， with the development of information technology and information technology， the form of information technology has been constantly innovated， and 3D modeling technology has been widely used in all walks of life. This technology completes the further processing of animation details and shapes through software， and improves the quality of the picture. Taking a project as an example， this paper discusses the application of 3D modeling technology in three-dimensional animation propaganda film， and analyses the key technologies and skeleton binding technology used in 3DS MAX modeling software， so as to provide some reference for practitioners.

【Key words】Three-dimensional modeling; Three-dimensional animation; 3DS MAX; OpenGL; Modeling technology

0 引言

計(jì)算機(jī)硬件與軟件性能不斷提升，外加計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得三維動(dòng)畫(huà)得到了越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，這一技術(shù)從3D游戲走向城市道路橋梁規(guī)劃、文物古跡復(fù)原、建筑表現(xiàn)、電影等多個(gè)行業(yè)，在虛擬動(dòng)畫(huà)、演示動(dòng)畫(huà)以及過(guò)程模擬動(dòng)畫(huà)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。當(dāng)前3D建模過(guò)程中，使用最多的軟件是3DS MAX ，這一軟件的渲染能力、建模能力都極為強(qiáng)大，但是其缺陷在于交互能力不足，采用OpenGL的交互控制技術(shù)則恰好滿(mǎn)足了這一缺陷，二者之間具有相輔相成的作用[1-2]。

1 項(xiàng)目概況

2017年3月，晨龍飛機(jī)（荊門(mén)）有限公司委托我司制作安琪飛機(jī)的三維動(dòng)畫(huà)宣傳片，宣傳片時(shí)長(zhǎng)三分鐘，主要用于表達(dá)飛機(jī)的全生命周期管理方式，主要體現(xiàn)了客戶(hù)定義、自動(dòng)下料、制造零件、裝配部件、總裝對(duì)接、整機(jī)噴涂以及客戶(hù)服務(wù)七個(gè)方便的服務(wù)。我司既往未接受過(guò)該類(lèi)似項(xiàng)目，因此缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，以往積累的樹(shù)木、房子等素材無(wú)法調(diào)用，一切都需要從零開(kāi)始。

項(xiàng)目最大難點(diǎn)在于搭建模型，需要根據(jù)客戶(hù)提供的有限的資料尋找出可用的資料采用3DsMAX搭建出飛機(jī)零件制造、裝配部件等工作車(chē)間，建造出不同車(chē)間生產(chǎn)設(shè)備的模型，建造出不同機(jī)型的模型，特別是生產(chǎn)車(chē)間的機(jī)械手臂是項(xiàng)目的難點(diǎn)之最，其資料最少、數(shù)量最多、難度最大。

2 3DS MAX建模軟件和骨架綁定技術(shù)

2.1 3DS MAX建模軟件

2.1.1 三維動(dòng)畫(huà)角色的設(shè)計(jì)與制作

制作三維動(dòng)畫(huà)的過(guò)程中，首先需要完成建模。三維動(dòng)畫(huà)角色的制作與設(shè)計(jì)是3D建模工作中最為重要的部分，幕后制作的過(guò)程中，我們不使用動(dòng)作捕捉技術(shù)，而是采用了手繪的方法設(shè)計(jì)出任務(wù)的草圖，之后對(duì)人物的草圖進(jìn)行分析研究，選取最為合適的建模方法，之后開(kāi)始建模。人形角色的建模過(guò)程中，先采用細(xì)分建模法進(jìn)行建模，也就是先使用最為常見(jiàn)的幾何體將模型的大致外形描繪出來(lái)，之后采用對(duì)網(wǎng)格或者多邊形進(jìn)行編輯的方法來(lái)細(xì)化模型的細(xì)節(jié)部分，待細(xì)節(jié)處理完畢之后再開(kāi)始渲染。這一過(guò)程中，需要注意的是創(chuàng)作者需要具有較高的藝術(shù)水平來(lái)完成三維動(dòng)畫(huà)角色的制作與設(shè)計(jì)，否將3D角色創(chuàng)造完畢之后不具有形象、生動(dòng)的感覺(jué)，無(wú)法打動(dòng)人們的內(nèi)心。采用3D建模創(chuàng)造出來(lái)的角色的外觀(guān)十分精細(xì)，在動(dòng)態(tài)物理引擎的支持下以及環(huán)境粒子效果的支持下，角色與環(huán)境互動(dòng)、角色的表情與動(dòng)作等都十分逼真，進(jìn)而充分打動(dòng)觀(guān)眾的心靈，給他們帶來(lái)新穎、震撼的感覺(jué)。

3D物體中的物體共包括兩種，其一為規(guī)則的物體，其二為不規(guī)則的物體，3D軟件中對(duì)物體形態(tài)進(jìn)行描述的過(guò)程中，主要是采用某種描述規(guī)則來(lái)描述進(jìn)而展現(xiàn)其原有模樣。兼職之前，需要先將模型結(jié)構(gòu)分析工作做好，建模工作過(guò)程中，需要充分想象圖畫(huà)，對(duì)幾何體的組成方式做出判斷，之后采用軟件工具大致擺設(shè)出幾何體的大致形狀，加工處理幾何體的細(xì)節(jié)部位，其實(shí)這種思路與繪畫(huà)之前先打稿勾畫(huà)出大致形狀是一樣的，加工處理完畢后才能升級(jí)畫(huà)面。建模初期，需要重視分析結(jié)構(gòu)線(xiàn)條的走向，這一技術(shù)對(duì)三維建模而言十分重要，結(jié)合個(gè)人習(xí)慣完成對(duì)細(xì)節(jié)的描繪，能夠以最快的速度完成刻畫(huà)細(xì)節(jié)的工作，但是整合網(wǎng)格的過(guò)程中存在一定不便，有時(shí)候可能需要返工。這就要求處理某些陌生對(duì)象時(shí)，要仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)，制作過(guò)程中不斷歸納并分析，從而確保建模工作的科學(xué)性。一個(gè)成功的建模師必然具有良好的總結(jié)歸納能力與分析能力，同時(shí)熟練掌握建模技術(shù)也是必不可少的，繪畫(huà)的過(guò)程中需要對(duì)對(duì)象進(jìn)行認(rèn)真觀(guān)察，同住準(zhǔn)確判斷，從而將建模過(guò)程變化簡(jiǎn)單的過(guò)程，體現(xiàn)出藝術(shù)的價(jià)值，建模師也得以專(zhuān)心工作，從而為建模質(zhì)量提供保障[3]。

2.1.2 三維動(dòng)畫(huà)廣告

3D建模已經(jīng)走向各行各業(yè)，這一技術(shù)正在各行各業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，這一技術(shù)在商業(yè)廣告中發(fā)揮著更為顯著的優(yōu)勢(shì)。三維動(dòng)畫(huà)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，使用這一技術(shù)制作商業(yè)廣告，能將原本較為復(fù)雜的概念、原理以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等采用三維動(dòng)畫(huà)的方式清晰、直觀(guān)地展現(xiàn)給消費(fèi)者觀(guān)看，這種廣告形式更加通俗易懂，因此大眾更加認(rèn)可這一新型廣告。例如，晨龍飛機(jī)的這次宣傳片主要體現(xiàn)飛機(jī)的全生命周期管理方式，但飛機(jī)制造需要一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的周期和空間的制約性等特點(diǎn)，導(dǎo)致無(wú)法完整詳細(xì)的直接展示給消費(fèi)者，所以宣傳片就通過(guò)客戶(hù)定義、自動(dòng)下料、制造零件、裝配部件、總裝對(duì)接、整機(jī)噴涂以及客戶(hù)服務(wù)七個(gè)方便的服務(wù)讓消費(fèi)者可以更清楚直接的了解到產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)和用途等，從而達(dá)到推銷(xiāo)的目的。從這一案例中我們可以指導(dǎo)，采用三維動(dòng)畫(huà)這一形式制作商業(yè)廣告的優(yōu)勢(shì)在于能夠從形式與內(nèi)容方面為消費(fèi)者帶來(lái)最為真實(shí)的感受，也能更真實(shí)、更直觀(guān)地為消費(fèi)者呈現(xiàn)出產(chǎn)品的相關(guān)信息，消費(fèi)者更容易接受此類(lèi)廣告進(jìn)而達(dá)成宣傳、促銷(xiāo)的目的[4]。

2.1.3 三維場(chǎng)景建模的搭建

三維動(dòng)畫(huà)的制作過(guò)程中，三維動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景的搭建是重中之重，場(chǎng)景設(shè)計(jì)的含義是三維動(dòng)畫(huà)中，除了角色造型之外的其它可以隨著時(shí)間的變化而變化的事物的造型設(shè)計(jì)。一個(gè)良好的場(chǎng)景設(shè)計(jì)能渲染并強(qiáng)化主題，有助于提高三維動(dòng)畫(huà)的美感，也能將三維動(dòng)畫(huà)的渲染效果渲染的更為飽滿(mǎn)。三維動(dòng)畫(huà)的場(chǎng)景建模也是一項(xiàng)工作量非常大的工作，其工作量甚至可達(dá)到整個(gè)工作量的70%-80%。以采用虛擬技術(shù)建設(shè)“晨龍飛機(jī)”為例，開(kāi)始建模之前，需要通過(guò)對(duì)飛機(jī)的CAD平面、立面和剖面等方式完成對(duì)飛機(jī)大致情況的了解，同時(shí)還要完成相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取;之后，需要將整個(gè)飛機(jī)劃分為若干個(gè)不同的區(qū)域，把每個(gè)區(qū)域都單獨(dú)分解出來(lái)并進(jìn)行逐個(gè)分析，完成對(duì)區(qū)域內(nèi)主要模型與次要模型的劃分;最后制作每個(gè)區(qū)域的模型，完成區(qū)域組合，將相應(yīng)材質(zhì)與相應(yīng)紋理貼在模型上，最終完成渲染成形[5]。三維動(dòng)畫(huà)中的場(chǎng)景設(shè)計(jì)能完成非常多的工作，既可以將不存在于現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景在三維動(dòng)畫(huà)中展現(xiàn)出來(lái)，也可以將顯示中存在的場(chǎng)景構(gòu)建為虛擬場(chǎng)景中的模型，通過(guò)這樣的3D建模技術(shù)制作出來(lái)的虛擬校園能夠充分滿(mǎn)足人們?nèi)盀g覽、虛擬漫游以及可視化等諸多要求。

2.2 骨架綁定技術(shù)

項(xiàng)目的另一個(gè)難點(diǎn)在于渲染過(guò)程中，機(jī)械手臂動(dòng)畫(huà)的渲染問(wèn)題，以往我們都是使用常規(guī)方法，將機(jī)械臂綁定在Dummy上之后一點(diǎn)點(diǎn)地setkey移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)，但是這一項(xiàng)目中的機(jī)械手臂功能要求高，其關(guān)節(jié)多（就像人體一樣，身體旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、前俯后仰的過(guò)程中，其手臂也一定會(huì)隨著身體儀器運(yùn)動(dòng)，否則身體與手臂就分家，但是手動(dòng)之后，手臂卻不會(huì)動(dòng)），如果按照我們以往使用的方法進(jìn)行處理，處理過(guò)程中一旦出現(xiàn)少set其中哪怕一個(gè)非常小的關(guān)節(jié)的key，那么這個(gè)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。同時(shí)，采用常規(guī)方法處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作量極大，還容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，后續(xù)需要修改時(shí)修改難度也極大。

對(duì)此我們對(duì)機(jī)械臂的工作原理進(jìn)行了深入的研究，結(jié)合既往關(guān)于綁定骨架（bone）的經(jīng)驗(yàn)，嘗試將機(jī)械手臂看作一個(gè)有著非常多關(guān)節(jié)的人，采用骨架綁定的方法，由一層層父級(jí)對(duì)子級(jí)進(jìn)行控制，為不同的父級(jí)設(shè)置不同的功能，同時(shí)對(duì)某個(gè)父級(jí)setkey，這個(gè)父級(jí)的子級(jí)也隨之自動(dòng)設(shè)置，這樣的分級(jí)setkey處理方法省時(shí)省力，后續(xù)改動(dòng)時(shí)也只需要將對(duì)應(yīng)父級(jí)進(jìn)行改動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)子級(jí)的改動(dòng)。

2.3 模型描述與OpenGL控制

2.3.1 通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述模型

采用3DS MAX將模型以3DS的格式導(dǎo)出，實(shí)際上具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中可能使用了其它類(lèi)型的三維圖形軟件，也可以將其格式儲(chǔ)存為BGJ、WRB等格式，OpenGL均支持此類(lèi)格式。3DS MAX軟件中制作三維圖形，將其以3DS的格式保存下來(lái)之后導(dǎo)出。導(dǎo)出后的文件中包含有法線(xiàn)、紋理、材質(zhì)以及面等內(nèi)容。使用的3DS格式文件從具體構(gòu)成上看來(lái)，主要包括相應(yīng)的塊，每個(gè)塊的頭部均存在ID以表示其信息樣式以便于與其它塊相互區(qū)分，從而為尋找下一塊信息創(chuàng)造條件。

2.3.2 OpenGL對(duì)3DMAX物體數(shù)據(jù)的支持作用

OpenGL程序中，可以先轉(zhuǎn)入3DS格式文件并綜合運(yùn)用其中的三個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別為多邊形列表、頂點(diǎn)集以及相關(guān)三角形列表。多邊形列表中主要包括相關(guān)數(shù)據(jù)，材質(zhì)包括漫反射顏色、紋理照射以及光照度等，材質(zhì)與三角形之間的關(guān)系是對(duì)應(yīng)的，三角形信息通過(guò)三元整數(shù)組來(lái)顯示，三角形的頂點(diǎn)就是數(shù)組的位置信息;頂點(diǎn)集是具體頂點(diǎn)與相應(yīng)法向量之間的列表結(jié)合形式，對(duì)多邊形的頂點(diǎn)則采用采用下標(biāo)方式來(lái)表現(xiàn)，形成的圖形樣式就是頂點(diǎn)數(shù)組。相關(guān)三角形列表的大小上與頂點(diǎn)集一致，結(jié)構(gòu)上是鏈表形式，其指向?yàn)槎噙呅螛邮?，也就是各個(gè)頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。

2.3.3 OpenGL中的動(dòng)畫(huà)控制

創(chuàng)建顯示列表glNewList時(shí)，OpenGL主要使用glBegin與glEnd函數(shù)，繪制每一個(gè)面時(shí)，都需要先完成材質(zhì)的確定，還需要渲染紋理、繪制各個(gè)頂點(diǎn)等，最終取得理想的繪制效果。

3 結(jié)論

文章介紹了3DSMAX這一極為常用的3D建模軟件，同時(shí)介紹了3D建模技術(shù)OpenGL，以三維動(dòng)畫(huà)角色的制作與設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫(huà)商業(yè)廣告以及三維場(chǎng)景建模設(shè)計(jì)為例，分析了3D建模技術(shù)在制作三維動(dòng)畫(huà)中的重要作用。將三維建模技術(shù)運(yùn)用于三維動(dòng)畫(huà)角色中的制作，能為三維動(dòng)畫(huà)帶來(lái)極為逼真的效果;將三維建模技術(shù)運(yùn)用于商業(yè)廣告中，能將原本枯燥無(wú)味的商業(yè)廣告帶來(lái)仿真性與生動(dòng)性，商業(yè)廣告由此變得真實(shí)、直觀(guān)，容易被人們接受;設(shè)計(jì)場(chǎng)景的過(guò)程中，采用三維建模技術(shù)能為三維動(dòng)畫(huà)帶來(lái)更大的美感。建模軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用仍然需要進(jìn)一步的研究，這一軟件的發(fā)展趨勢(shì)是更高效率、更高質(zhì)量地模型處理、更人性化的實(shí)時(shí)互動(dòng)以及更簡(jiǎn)便的操作方法，這仍然需要我們不斷發(fā)掘與探討。

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