基于3ds Max的三维动画角色建模技术的研究与应用

彭国华

(陕西科技大学设计与艺术学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

随着计算机图形图像技术和计算机软硬件性能的飞速发展，三维动画的应用领域已经从3D游戏逐渐走向了电影、建筑表现、文物古迹复原、城市道路桥梁规划产品演示动画、虚拟动画(如虚拟演播室、虚拟舞台)、过程模拟动画(如生产线生产过程、交通煤矿事故过程)等等，可见三维动画技术已悄无声息地延伸到了生活中的各行各业.因此，三维动画技术在日常生活中正发挥着越来越重要的作用.如何制作三维动画？建模是第一步，也是最重要的部分.建模(Modeling)在3D 中的位置无疑是重要的，动画角色模型是材质的载体，是灯光和渲染的对象，更是3D世界的主人，任何三维特效都是建立在正确模型的基础之上的[1].因此，如何科学地运用3D的建模工具，高效、准确、合理地完成三维动画角色建模已经成为三维动画角色设计者的重要话题.

市场上流行与使用的三维软件很多，每一种软件在建立不同几何模型时所用的方法也各不相同，如：Lightware的建模方式叫作MetaNURBS，它通过类似NURBS的线外点控制结构，但它的基本原理还是基于多边形的，在使用光滑显示之后，仍然可以看到每个网格单元的均匀步长数量，因此Lightware是制作高质量生物模型的首选.Maya and Rhino是采用NURBS建模方法最知名的商业软件，NURBS是Non-Uniform Rational B-Spline的缩写，它是一种以数学方程式来定义曲线的方式，由曲线组成曲面，再由曲面组成立体模型，曲线有控制点可以控制曲线曲率、方向、长短，属于目前两大流行建模方式之一.另一种是多边形建模.3ds Max是一个专业的三维动画渲染和建模软件包，主要被游戏开发人员、视觉特效设计师和视觉艺术家所使用.3ds Max是目前包含建模方式最多的大型软件，而多边形建模工具可以说是最具有特征的建模方式，它的基本原理是将三维空间中的点(称为顶点)由线段连接在一起形成多边形网格[2].目前三维动画模型绝大多数是以纹理多边形模型建立的，主要是因为它们更加灵活，而且计算机的渲染速度更快.因此，本论文关于三维动画角色的研究选择3ds Max软件作为建模技术研究和应用的基础，希望找到一种科学、合理、有效、统一的方法来创建各种不同的三维动画角色模型.

1 三维动画角色建模技术的理论研究

1.1 建模思路

建模是三维动画制作流程中一切场景和动画的基础.如果没有模型，就像拍电影没有演员和道具一样，因此建模在整个三维动画制作中具有非常重要的作用.3ds Max具有强大的建模功能，而且具有多种建模工具与方法，不同的建模方法适应于不同的模型结构特点、不同的贴图类型和动画要求[3]，所以在开始建模之前，首先要对最终的模型效果进行分析与研究，给出一个清晰的建模思路，以便后期的动画或场景能够顺利地进行，避免返工.

建模总体思路为：首先分析物体的结构和动势，然后选择恰当的建模方法，最后确定各部分网格的拓扑结构.根据这种建模思想，动画角色建模流程如图1所示.

图1 动画角色建模流程

1.2 动画角色建模的具体过程

1.2.1 动画角色设计

建模之前，动画设计师为了设计一个好的角色必须画大量的草案，这是建模的第一步也是关键的一步.也就是说，建模开始于草图.动画师通常根据设计草案在他们的头脑中塑造动画形象，然后使这些形象思维转化为在图纸二维空间中表现的三维立体图形.在这个阶段，动画设计师需要绘制大量的图纸，包括前视图、左视图、右视图、后视图等作为建模参考，这项工作对于建立一个与角色原创者最初想法完全吻合的角色模型是非常必要的.

1.2.2 分析结构特征

在完成动画角色设计之后即可获得一个明确的角色造型，这是建模的关键和基础，为此首先必须分析角色的结构特征，以便寻找一种有效的建模方法.

三维动画中的物体基本上可以分为两种：规则物体和不规则物体.在3D软件中，物体的形态可以通过某种形态规则加以描述，在外观上有明显特征并能够精确再现的物体属于规则物体，比如建筑、车船、家用电器等等，这些物体在规格上有明确的指标，因此可以批量生产，在3D中称之为克隆复制.不规则物体在细节上甚至大形上都具有任意性，山峦地貌、植物动物以及天象的变化，没有绝对一样的可能，因此在作为三维对象制作时通过人为的修改使其犹如自然天成是不可能的[4].

这样分类有什么实际意义呢？因为二者在动画模型的制作上差异很大.规则的物体可以按照标准制作，不同的人完全可以做出相同的结果，制作水平的差异则在于作者制作时间的长短.不规则的物体没有唯一的标准，如何做到生动自然倚赖于作者对三维物体的理解，同时依赖于制作者的经验和悟性[5]，所以这个类型的模型制作特别考验人的能力.就拿生物建模中最典型的人物建模来说，最基本的要求是具有解剖学知识，不能在肌肉和骨骼上犯基本原则性的错误，此外还要有美学基础，在人物形态上要比例合适，各部分要有整体感.这些要求本身又是不能量化的，因为它不是规则的物体，所以学习起来就更加困难了.植物比起我们熟悉的人类更为陌生，其规律看似有迹可寻，实则充满混沌.制作这类题材，还要进行大量的观察研究，这已经不是简单的3D范畴的工作了.

1.2.3 确定建模方法

从上述的分析中可见，三维角色动画的主要建模方法可以归纳为两种类型：堆砌建模法和细分建模法，这两种方法具有相反的建模过程.堆砌建模法是从细节到整体创建角色的方法，而细分建模法首先创建一个物体的整体形状，然后进行细节的雕刻.

堆砌建模通常用来建造非曲面物体，如建筑模型、机械或机器零件、机器人等，它的建模流程是将复杂的物体进行拆分，拆分为一些基础的零部件，再用基础的成型命令将这些小零件制作出来，最后将它们堆砌在一起.它要求动画设计者对模型的大小比例关系、空间位置有很好的把握.

细分建模也就是编辑多边形建模或编辑网格，建模流程为用基本几何体先完成物体的大形，然后通过编辑多边形或编辑网格工具对模型细节进行细分，这种建模方式和素描的绘制或雕塑的建造过程非常类似，一般我们使用细分建模完成三维人物、卡通角色或曲面物体主体的建模.然而相对堆积建模法来说，细分建模法在建模工具的技术、曲面模型的理解方面都对使用者提出了更高的要求.

堆砌建模法的主要工具包括：挤出、车削、倒角、FFD变形工具等.细分建模法的主要工具包括：编辑网格、编辑多边形、对称、网格平滑等.

1.2.4 制作模型

分析模型结构，并选择适当的建模方法是制作一个良好而有效模型的前提.在这一个阶段，根据前面的分析结果，我们应该选择不同的建模方法来分别完成具有不同特征的每一个模型的各个组成部分的建模.

2 实验及讨论

根据前面提出的建模技术理论，使用3ds Max软件通过两个不同类型的动画角色的建模实验进行验证.

图2 星际争霸游戏中人族气矿模型的建模过程

第一个实验是关于星际争霸游戏中的人族气矿模型，建模过程如图2所示.图2(a)是人族气矿模型的最终完成效果.根据前面提出的建模流程，我们首先分析模型的结构特征，这个模型属于规则物体，因此我们选择堆砌建模法进行建模.图2(b)，(c)，(d)和(e)是模型的分解过程，分析结果是模型的每一个部分都是最简单的几何形体，因此我们可以很容易地完成.图2(f)显示了各个部分堆砌之后的结果.这个实验证明了堆砌建模法简化了一个复杂对象的建模过程，并且它对于规则物体是一种可行、简化的建模方法.

第二个实验是卡通角色——小女孩模型，其建模过程如图3所示.图3(a)是卡通角色的设计草图，它是建模的基础.对草图分析研究之后，我们发现这个模型不是由简单几何形体构成，因此我们不能选择堆砌建模法，而应使用细分建模法来完成模型.图3(b)和(c)显示了小女孩身体部分的整体结构和细分的过程.小女孩头部的演变过程如图3(d)所示.图3(e)和(f)分别使用相同的方法建立胳膊和腿的模型运用平滑命令之后的最终模型显示在图3(g)中，小女孩模型的最后渲染效果如图3(h)所示.

这个实验表明细分建模法可以像雕塑一样建立任何不规则物体，但是它需要建模者具有较高的艺术水平.

图3 卡通角色的建模过程

3 结束语

建模技术研究的目的是获得一种三维动画制作可行、更高效的途径.本文提出了通过分析不同角色模型的结构特征来简化任意复杂物体，并且根据不同的模型结构选择不同的建模方法进行三维动画角色建模的总体思路.此外，作者将所有的三维物体分为两类，即规则物体和不规则物体，总结了这两种不同模型的建模方法，验证实验表明本文提出的建模技术理论是有效的.

[1] 陈大纲.神工鬼斧——3D模型的最优化建立[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2] 杜振光. 3DS MAX的造型艺术家[M].北京：北京希望电子出版社，2004.

[3] 彭国华. 基于3ds Max的动画角色建模技术的研究[D].西安：陕西科技大学，硕士学位论文，2007.

[4] 张 岩，高海侠.谈谈3ds Max多种建模方法的应用[J]. 科技创新导报，2008，(33)：26-27.

[5] 蒋燕萍，黄心渊，夏旺盛.3ds max建模方法分析[R].第一届全国几何设计与计算学术会议论文集，2002.