例談Rhino與3DsMax在建模方式上的區(qū)別

林瓊昭

摘? ?要：現(xiàn)如今，“3D建模”技術的應用已經(jīng)十分廣泛，而Rhino和3Ds Max則是3D建模領域最常見的兩款軟件。這兩款軟件有著共通性，也有各自的特殊性。而其中最重要的特殊性便是Polygons建模和NURBS建模的本質區(qū)別。通過軟件分析實例操作演示可以看出，雖然兩種軟件都可以達到相似的建模效果，但建模過程有著各自的特點與區(qū)別。讀者應根據(jù)自己的學習及工作需要選擇合適的軟件，更好地提升工作效率和競爭力。

關鍵詞：3D建模;Polygons建模;NURBS建模;實例解析

引言

“3D建?！奔夹g是當今發(fā)展迅速、應用廣泛的一門技術?！?D建模”顧名思義，就是通過三維制作軟件通過虛擬三維空間構建出具有三維數(shù)據(jù)的模型[ 1 ]。如今，3D技術的應用已經(jīng)在生活中隨處可見。電影中那些現(xiàn)實中不存在的特效場面，游戲中逼真的虛擬人物和虛擬場景，建筑設計中常見的效果圖，工業(yè)設計中的各類零部件圖紙，地理信息系統(tǒng)中的三維地形圖，這些都要通過3D建模技術來實現(xiàn)。3D建模技術已經(jīng)被廣泛運用于影視、游戲、建筑、工業(yè)、軍事、地理和醫(yī)學等各行各業(yè)中。

隨著3D建模技術的發(fā)展，相關的軟件也日漸豐富。現(xiàn)如今流行的3D軟件包括3Ds Max、Maya、C4D、ZBrush、Rhino等等。它們建模的方式不同，操作特點不同，適用的范圍也不同。本文著重選取了兩款典型的三維軟件：3Ds Max和Rhino，比較它們各自的特點和應用的領域，并通過實際案例的操作來呈現(xiàn)它們的不同之處。

1? 軟件介紹

1.1? 3Ds Max

3Ds Max是美國Autodesk公司旗下的一款知名的三維建模、渲染和動畫制作軟件。它的歷史十分久遠，可以追溯到1990年在DOS系統(tǒng)上推出的3D Studio軟件，至今已經(jīng)歷了近30年的發(fā)展，可以稱得上是最老牌的三維軟件[ 2 ]。3Ds Max最大的特點是它的功能極其豐富，包含了數(shù)十種甚至上百種的建模、渲染和動畫命令，加上諸多為其量身打造的第三方插件，使得3Ds Max的應用范圍覆蓋了廣告、影視、游戲、三維動畫、工業(yè)設計和建筑設計等領域。

在建模方面，3Ds Max分為基礎建模和高級建模兩類。除了各種基本幾何體和圖形的建模之外，高級建模也分為3種：網(wǎng)格多邊形（Polygons）建模，面片建模和NURBS建模。其中Polygons建模是3Ds Max中最傳統(tǒng)，最經(jīng)典，也是最常用的建模方式。Polygons建模簡單來說，就是將一個對象轉化為可編輯的多邊形對象，多邊形對象只保留基本的點線面幾何關系，通過各種命令調整點線面關系來實現(xiàn)對物體的編輯。從理論上來說，只要是有一定體積的物體，無論其形態(tài)多自由、多復雜，都可以轉化為近似的多邊形對象，只是隨著物體自身的復雜程度和對物體的擬合程度增加，多變形的對象的面數(shù)也會相應地增加。

Polygons建模方式，可以說類似現(xiàn)實中的“捏泥塑”。通過鼠標、鍵盤的操作不斷調整多邊形對象的點、線、面關系，使其越來越接近我們想要的造型，這與雕塑家用手和工具把模坯塑造成最后想要的樣子，本質上是相同的。只不過，軟件將一些“雕塑家”們常用的手法編成了各種命令來簡化建模的過程。Polygons建模中常見的切分（Chamsfer），倒角（Extrude Edges），車削（Turning），擠壓（Squeenze），放樣（Soft）等命令，同樣來自現(xiàn)實中手工加工或機械加工的術語[ 3 ]。正因Polygons建模這種非常表觀的操作方式，它具有易理解、易上手、易掌握、適合初學者的特點。同樣的，Polygons建模的適用性也更強，因為現(xiàn)實中的任何物體，都能用多邊形的方式近似模擬出來，只是建模的難易度和效率有所區(qū)別。

然而，Polygons建模也有很大的局限性。首先，Polygons建模無法做出真正的曲線效果。甚至做出一個真正的“球體”都是不可能的，因為Polygons建模中沒有“曲線”和“曲面”的概念，任何的線都是直線和線段，任何的面都是平面，而曲線和曲面，只能通過一定數(shù)量的線段和面片近似地表現(xiàn)。而今天隨著模型的精度要求越來越高，模型的線段數(shù)和面數(shù)也在成指數(shù)級地增長，一個成品模型可能包含數(shù)十萬、甚至數(shù)百萬的面，這導致Polygons建模變得越來越占用電腦內存資源。而想要對面數(shù)如此之多的模型進行編輯也變得非常困難。Polygons建模的另一個局限性在于，隨著工業(yè)技術的迅速發(fā)展，具有流暢曲線和幾何美感的工業(yè)產(chǎn)品造型逐漸占據(jù)了主流，而這樣的造型用Polygons建模難以做到的。前面也說過，Polygons建模的操作方式類似于“做手工”，想用它建出優(yōu)美的曲面，就像用手捏出流線型跑車一樣困難。即使最后做出了近似的曲面效果，也會充滿手工的粗糙感。因此，為了滿足工業(yè)產(chǎn)品的設計需求，人們開始尋找更好的建模技術替代Polygons建模。

1.2? Rhino

Rhino是美國Robert McNeel & Assoc公司開發(fā)的專業(yè)3D造型軟件。相比于3Ds Max這樣的老牌軟件，Rhino的歷史要短的多，體量也比占用幾個GB的3Ds Max小得多，只有幾十MB。較小的體量決定了Rhino的功能要少于前者。Rhino的功能以建模為主，同時也有簡單的動畫功能，不具備渲染功能。但是Rhino的建模功能卻是非常強大，且有著鮮明的特點。與3Ds Max不同的是，Rhino使用NURBS建模技術。NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines（非均勻有理B樣條曲線）的縮寫[ 4 ]。NURBS建模技術是近年來興起的一種三維建模技術，與Polygons建模不同，NURBS建模是通過曲線、曲面來定義和編輯對象的。正因如此，NURBS特別適合用于創(chuàng)建光滑且復雜的形體，尤其是具有強烈?guī)缀胃械耐負浣Y構，比如珠寶、跑車和工業(yè)零件等等。Rhino的NURBS建模功能十分全面，且操作簡單便捷。雖然3Ds Max也包含了NURBS建模，但因為其功能單一，操作不便，遠不如它的Polygons建模那般強大，因此早已被Rhino這樣的軟件所取代。

Rhino自身的NURBS建模技術有著獨特的優(yōu)勢。首先，NURBS技術允許建模者從一開始就能繪制各種形狀的曲線和曲面，用戶通過控制頂點、權因子或者節(jié)點的值從而嚴格控制曲線或曲面的形狀，這表示所有的曲線和曲面都是被精確定義的，而非用多邊形近似模擬的結果;其次，Rhino的NURBS建模工具十分豐富，功能強大，具有眾多強有力的幾何造型配套技術（如節(jié)點插入、細分、升階等），用戶只需要一些簡單的操作就能完成復雜的曲線或曲面編輯工作，建模過程變得更加快捷;除此之外，NURBS建模還有一大優(yōu)勢，就是在機械自動化和3D打印方面應用廣泛，世界領先的庫卡（KUKA）機械臂，只要通過Rhino平臺和相關插件就能完成產(chǎn)品加工的工作。這也是為什么在今天，Rhino這款軟件受到了制造業(yè)的廣泛青睞。

2? 建模實例

這一部分將通過實例操作來直觀展現(xiàn)3Ds? Max與Rhino在建模方式上的不同。選擇建模的對象是如圖所示的一個創(chuàng)意水壺（圖1）。該水壺的形態(tài)是富有動感和曲線美的幾何形。上文中說過，對于這種光滑的曲線結構，更適合用NURBS建模技術來完成，但實際上Polygons建模技術同樣能做出這樣的模型。

2.1? 3Ds Max操作過程

（1）在前視圖中創(chuàng)建一平面，長寬與參考圖尺寸相當，并將參考圖作為材質賦予該平面。

（2）在壺頸位置創(chuàng)建一個圓柱體，參照圖片調整其直徑和高度（圖2）。

（3）選中圓柱體，右鍵選擇“轉換為—轉換為可編輯多邊形”。

（4）選中圓柱體底部的面，使用“擠出”命令擠出新的面，并用縮放工具和移動工具調整其大小和位置，使其和背景圖吻合。

（5）使用相同方法不斷擠出圓柱體，最終得到如圖3所示的多邊形。

（6）選擇壺體頂部的面，使用擠出命令，并用旋轉工具調整，作為壺口（圖4）。

（7）選中壺嘴部分的線段，使用“連接”命令進行細分。

（8）選中右側修改列表中的“軟選擇”，調整該部分的頂點，使其形成壺嘴的形狀（圖5）。

（9）接下來制作壺柄部分，選擇圖中的面，使用擠出命令，并參照背景圖調整擠出后的頂點（圖6）。

（10）用此方法繼續(xù)擠出和調整，直到形成壺柄的大體形狀（圖7）。

（11）用“移除”命令刪去多余線段，最后得到如圖7的多邊形。

（12）選中上邊緣的線段，使用切角命令，切角值為15。

（13）在右側修改列表中找到“細分曲面”欄，選擇“使用NURMS細分”，將下方的迭代次數(shù)改為2，最終的建模效果如圖所示（圖8）。

2.2? Rhino操作過程

（1）在工具欄中選擇“工作視窗配置—背景圖—放置背景圖”，導入水壺的前視圖。

（2）用“控制點曲線”描出壺身的輪廓。

（3）在壺口位置畫一個圓。并用“切割（Split）”命令切去一半，再用“鏡像（Mirror）”命令補全。

（4）用類似方法依次畫出其余曲線（圖9）。

（5）使用“雙軌掃掠”命令，依次選擇壺身和壺口的曲線，建出壺身的曲面（圖10）。

（6）在壺身的曲面上畫出如下曲線，并用“切割”命令切出壺嘴部分的曲面（圖11、12）。

（7）使用“縮回已修建曲面”命令，選擇部分控制點，用“二軸縮放”命令拉出壺嘴形狀（圖13）。

（8）制作壺柄部分，選擇如圖的曲線，并進行“放樣”，放樣選項如圖所示（圖14、15）。

（9）接下來制作壺柄與壺身的連接部分，在壺柄交接位置拉出兩條直線，并用“混接曲線”命令畫出交接曲線。將多余部分剪切刪去。

（10）選擇曲線，用“雙軌掃掠”命令建出曲面。

（11）使用“銜接曲面”命令，將連接部位與壺身的曲面相接，使其過渡更加自然。

（12）使用“鏡像”命令復制其余部分，使水壺模型完整。

（13）至此，水壺的大致形體就建模完成了，模型效果如圖16所示。

3? 結論

通過之前的建模過程可以看出，兩款軟件的建模方式有著本質上的差別。Rhino的建模是從曲線到曲面的過程。我們先用曲線工具勾勒出壺口、壺身、壺柄的基本形，然后用Rhino自身強大的曲面生成命令，如“放樣”“雙軌掃掠”等構建曲面，最后用“銜接曲面”“鏡像”等命令優(yōu)化曲面，生成完整的物體，這是典型的NURBS建模過程。而3Ds Max的建模則是從一個標準的幾何體（圓柱體）開始，將其轉化成可編輯多邊形后，用“擠出”“變形”“切割”等命令逐步將其塑造成我們建模對象的近似物體，最后，用3Ds Max自帶的NURMS細分，將其轉化為光滑的曲面結構，這是Polygon建模最常用的手法。

通過兩種建模方式最后都能得到我們想要的模型效果，但比較而言，Rhino的建模過程更加簡潔、清晰、直觀，而3Ds Max的建模過程則更加復雜繁瑣。這是因為NURBS建模更適合水壺這樣的規(guī)則曲面結構，但對于一些形狀不規(guī)則的物體，如生物體、地形、布料等等，Polygon建模則更有用武之地。在今后的學習及工作過程中，我們也要善于根據(jù)自己的需要，選擇合適的軟件，才能更好地提升工作效率和競爭力。

參考文獻：

[1]何成.虛擬現(xiàn)實場景中三維建模的關鍵技術研究[J].科技視界，2018（35）：244-245.

[2]鄭付聯(lián).3D MAX建模技術及其優(yōu)化的研究[J].大眾科技，2010（2）：43-44.

[3]杜鶴民，張淑梅.基于Polygon的雕塑法計算機輔助造型設計方法[J].計算機技術與發(fā)展，2015，25（10）：205-208，213.

[4]張廷霞. Rhino3D軟件的NURBS建模在日用陶瓷造型設計中的應用[D].景德鎮(zhèn)：景德鎮(zhèn)陶瓷學院，2010.