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：測繪111班學(xué)號：201116059115任課老師：陳杰時間：2014-06-13內(nèi)容摘要三維動畫是指使用電腦軟件制作出的立體虛擬影像，又稱3D動畫，是近年來隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展而產(chǎn)生的一項新興技術(shù)。在3D技術(shù)日趨成熟的今天，3D動畫已廣泛應(yīng)用于日常生活中的各行各業(yè)，如建筑，室內(nèi)設(shè)計，影視動畫，游戲動畫等。而因應(yīng)這一技術(shù)而誕生的一款功能強大的3D制作軟件，它就是3Dsmax,隨著該軟件版本的不斷更新升級，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，使它成為了一個巨大的三維動畫創(chuàng)作平臺。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，三維平臺的趨勢已由高端過渡到低端。本文將通過對3D動畫短片的制作過程的詳細的介紹，其中主要介紹在3Dsmax中街道動畫的制作，從而了解基本的動畫制作知識，掌握運用3dsmax進行動畫創(chuàng)作的技巧。目錄一對于三維動畫設(shè)計的認知4（一）什么是三維動畫4（二）三維動畫發(fā)展史4（三）使3DMax制作三維動畫的優(yōu)勢5二三維動畫的具體制作方法7（一）前期準備7（二）片段的制作8（三）后期制作1.0.（四）三維動畫短片實例制作分析1.0三三維動畫的發(fā)展前景1.7四總結(jié).18.五致謝.1一對于三維動畫設(shè)計的認知（一）什么是三維動畫三維動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動畫，是近年來隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一項新技術(shù)。它是攝影藝術(shù)、布景設(shè)計，及舞臺燈光的合理布置等等的各種藝術(shù)與技術(shù)的集合體。與此同時三維動畫的設(shè)計制作需要更多的藝術(shù)功底和創(chuàng)造力。一個好的三維動畫，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用各種三維動畫的制作軟件。因此三維動畫的設(shè)計與制作是一個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)的三維動畫制作者才能夠制作的出來。（二）三維動畫發(fā)展史綜觀三維動畫的發(fā)展歷程，從1995年的初始階段到2004年開始的全盛時期三維平臺的趨勢由高端

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，三維動畫制作的收費也日趨合理，想當年20000塊/秒的天價（廣告級標版）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)范制作準則是擺在我們同行面前的不容輕視的課題。三維動畫作為電腦美術(shù)的一個分支，是建立在動畫藝術(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的獨立新型的藝術(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機的出現(xiàn)，計算機圖形學(xué)才逐步拓展到諸如平面設(shè)計、服裝設(shè)計、建筑裝潢等領(lǐng)域。8

5、0年代，隨著電腦軟硬件的進一步發(fā)展，計算機圖形處理技術(shù)的應(yīng)用得到了空前的發(fā)展，電腦美術(shù)作為一個獨立學(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)行的玩具總動員上映，這部純?nèi)S制作的動畫片取得了巨大的成功。三維動畫迅速取代傳統(tǒng)動畫成為最賣座的動畫片種。迪斯尼公司在其后發(fā)行的玩具總動員2、恐龍、怪物公司、蟲蟲特工隊都取得了巨大成功。另外,夢工廠發(fā)行的蟻哥雄兵怪物史瑞克等三維動畫片，也獲得了巨大的商業(yè)成功。三維動畫在電影中的運用更是神乎其技！蜘蛛俠、泰坦尼克號、終結(jié)者、魔界.可以說電影已經(jīng)不能離開三維動畫的參與了?。ㄈ┦?DMax制作三維動畫的優(yōu)勢現(xiàn)今三維動畫的運用可以說無處不在，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大，以至我們不僅可以看到地方電視臺的欄目包裝及廣告中充滿電腦動畫特技，更有不少電腦愛好者在自己的個人電腦上玩起了動畫制作。由于3D動畫被廣泛應(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機的飛速發(fā)展和普及，三維動畫軟件也紛紛被移植到PC機上。在DOS時代，美國Autodesk公司的3DS三維動畫軟件幾乎壟斷了PC機三維動畫的市場。1994年Microsoft用1.3億美元收購Softimage公司，1995年推出基于N

7、T平臺的SOFTIMAGE3D3.0版本，激蕩了三維動畫領(lǐng)域。迫于壓力，為了維護3DS在三維動畫領(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平臺上出現(xiàn)。同年，Autodesk公司奮起迎擊，推出偏重于建筑設(shè)計的3DSMAXVIZ版本，該版本實際是在3DSMAX的基礎(chǔ)上進行一些增減，增加一些與建筑有關(guān)的模塊，刪去一些動畫功能。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？對于不同的軟件它的使用方向，是有不同的側(cè)重點的。就我們所知的最常用來制作三維動畫的兩款制作軟件Maya與3Dsmax來說，在影視三維動畫與角色動畫的制作中Maya的功能比3dsmax較為強大，但卻還是有很多人選擇使用3Dsmax來制作動畫而不是使用Maya。那是因為3Dsmax它除了能較好的制作影視方面的三維動畫外，還在其它領(lǐng)域的三維動畫制作中也有著一定的優(yōu)勢，如工業(yè)產(chǎn)品的演示動畫、游戲動畫、模擬動畫（植物的生長過程、化學(xué)反應(yīng)過程等）等方面的動畫都可以使用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動畫的愛好者們可以利用3DsMax來制作自己的動畫小短片。二三維動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畫呢？雖然制作3D動畫的方法有很多，但是基本的制作步驟都是一樣的。（一）前期準備在制作三維動畫之前我們要先明確動畫故事的主旨，這是非常重要的。一部優(yōu)秀的動畫不管它是2D動畫還是3D動畫，劇情都是它們的重要方面，可以說擁有了一

10、個好的劇情就等于成功了一半。所以對于任何一個優(yōu)秀的三維動畫作品來說突出、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。因此我們在制作三維動畫前要先詳細地構(gòu)思好動畫的劇情、符合故事情節(jié)的人物造型與能夠體現(xiàn)出人物特征的生動動作。再來就是繪制分鏡頭草圖了，繪制草圖就是將構(gòu)思進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)風格，分鏡頭草圖是由圖畫加文字組成的，其表達的內(nèi)容包括鏡頭的類別和運動、人物與場景的構(gòu)圖和光影、運動方式和時間、音樂與音效等。其中每個圖畫都代表著一個鏡頭，使用文字來說明鏡頭的長度、人物臺詞及動作等內(nèi)容。在人物設(shè)計初期，需要在紙上畫出人物的大概形態(tài)，包括人物或動

11、物的外型與動作設(shè)計、器物造型等設(shè)計，造型設(shè)計的要求比較嚴格，包括標準造型、轉(zhuǎn)面圖、結(jié)構(gòu)圖、比例圖、道具服裝分解圖等，通過角色的典型動作設(shè)計（如幾幅帶有情緒的角色動作體現(xiàn)角色的性格和典型動作），并且附以文字說明來實現(xiàn)。超越建筑多媒體提倡造型可適當夸張、要突出角色特征，運動合乎規(guī)律。若在制作的過程中無法想象出人物在運動過程中的狀態(tài)時也需要進行紙上創(chuàng)作，然后再進行繪制。其中場景是整個動畫片中景物和環(huán)境的來源，在比較嚴謹?shù)膱鼍霸O(shè)計中要繪制的包括平面圖、結(jié)構(gòu)分解圖、色彩氣氛圖等，通常用一幅圖來表達。（二）片段的制作在準備工作都完成之后，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，通過三維建模

12、軟件在計算機中繪制出角色模型。這是三維動畫中很繁重的一項工作，需要出場的角色和在場景中會出現(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，應(yīng)該注意要在表現(xiàn)出必要細節(jié)的前提下盡量地減少場景的復(fù)雜度，這樣才不會因為占用太多的系統(tǒng)資源，而導(dǎo)致程序的崩潰。接著就是對材質(zhì)貼圖與燈光進行設(shè)置了。材質(zhì)即材料的質(zhì)地，就是給模型賦予生動的表面特性，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算貼到三維模型上，形成表面細節(jié)和結(jié)構(gòu)。對具體的圖片要貼到特定的位置，三維軟件使用了貼圖坐標的概念。一般有平面、柱體和球體等貼圖方式，

13、分別對應(yīng)于不同的需求，使模型的材質(zhì)與貼圖要與現(xiàn)實生活中的對象屬性相一致。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：一個主燈，一個補燈和一個背燈。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的位置。背燈的作用是加強主體角色及顯現(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)該視乎自己計算機的軟、硬件配置來對模型進行材質(zhì)編輯。再之后就是對動畫進行調(diào)節(jié)了，動畫的調(diào)節(jié)相對來說要難一些，我們要根據(jù)分鏡頭草圖與動作設(shè)計，運用已設(shè)計的造型在三維動畫制作軟件中制作出一個個動畫片段。動作與畫面的變化通過關(guān)鍵幀來實現(xiàn)，設(shè)定動畫的主要畫面為關(guān)鍵幀，關(guān)鍵幀之間的過渡由計算機來完成。三維軟件大都將動畫信息以動畫曲線來表示。動畫曲線的橫軸是時間（幀），豎軸是動畫值，可以從動畫曲線上看出動畫設(shè)置的快慢急緩、上下跳躍。如3DSMax的動畫曲線編輯器。三維動畫的動是

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

16、劇情的構(gòu)建，都是一開始就直接進行角色或場景的建模，但就如上面所說的在制作任何一個動畫之前都要對動畫的劇情、人物進行詳細的構(gòu)思，這樣子制作時才會事半功倍，否則就會事倍功半。因此我們在每次制作動畫之前都應(yīng)該認真的進行動畫劇情的構(gòu)想，之后再進行角色與場景的建模。（四）三維動畫短片實例制作分析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nurbs的支持并不完美，在制作復(fù)雜模型時從操作方式上不能很好地體現(xiàn)出nurbs的優(yōu)點，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？由于建筑的對稱性，所以在建模時都是使用對稱法做的

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)激光雷達經(jīng)過航拍得到科學(xué)城正射影像和激光點云經(jīng)過pos得到如圖1(2)經(jīng)過先前激光點云制作成盤在導(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中進行貼圖就形成了和現(xiàn)實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，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、街道動畫制作(1)(2)攝像機是街道動畫是很重

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