三维室内场景漫游动画的设计研究

曾龙凯，曾建一

(湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005)

漫游动画是随着计算机软硬件技术的发展而产生的一门新兴技术，简单的来说就是运用三维动画相关软件在计算机中建立一个虚拟的世界，动画设计人员在这个虚拟的世界中，按照要表现的对象的形状，尺寸建立模型和场景，再根据具体要求设定场景特效，虚拟摄影机的运动和其他相关参数，最后按要求指定材质，再根据一天不同的时段进行灯光的虚拟制作，最后通过多媒体创建工具对动画进行结构的调整，并加入文字，图片解说等补充.［1］三维室内场景漫游动画通常利用计算机软件来表现设计师的意图，让观众体验建筑的空间感受.建筑动画一般根据建筑设计图纸在专业的计算机上制作出虚拟的建筑环境，有地理位置、建筑物外观、建筑物内部装修、园林景观、配套设施、人物、动物、自然现象如风、雨、雷鸣、日出日落、阴晴月缺等等都是动态地存在于建筑环境中，可以以任意角度浏览.现房地产业的竞争越来越激烈，购房者日益成熟，他们需要更直观、更快捷、更全面的了解楼盘本身的信息，传统的楼书、条幅、等无法完全满足他们的需求.漫游动画采用动画虚拟数码技术结合电影的表现手法，根据建筑、室内等规划设计图纸，将室内结构、生活配套等未来建成的生活场景进行提前演绎展示，让人们轻松而清晰地了解未来家园的品质生活.漫游动画的镜头无限自由，可全面逼真地演绎整体的未来形象，可以拍到实拍都无法表现的镜头，把设计大师的思想，完美无误的演绎，让人们感受未来家园的美丽和真实.

1 3DS MAX 简介及三维室内场景漫游的关键技术

3DS MAX 是由Autodesk 公司旗下的Discreet公司推出的三维动画制作软件，它是当今世界上最流行的三维建模、动画制作渲染软件之一，被广泛应用于制作角色

动画、室内外效果图、游戏开发、建筑动画、影视动画、虚拟现实等领域，3DS MAX 以其优异的性能、卓越的开放性为我们开发各类三维数字产品提供了可能.

(1)绘制平面图形

直接在3dsmax 中顶视图绘制，或者在cad 中绘制平面图然后导入3dsmax 中

(2)建立房屋结构模型

利用平面图形建立三维立体的房屋结构

(3)建立室内的装饰

比如电视强，吊顶天花，窗户等

(4)建立室内需要的家具

电器，灯的模型

(5)为模型添加材质

利用材质编辑器的各项技术制作出满意，逼真的材质

(6)模拟光照

利用各种各样的灯来模拟真实的光照，比如模拟阳光

(7)利用v-ray 低参数渲染调试模型

材质，光照 细节的精细调整

(8)模拟镜头运动

创建一台摄影机，利用推，拉，摇，移，跟，升降的摄影手法拍摄

(9)渲染出图像

观看整体画面效果结合v-ray 调制适当的参数

(10)后期合成

整合片段加入字幕特效等

(11)输出

最后将分镜头的动画按顺序加入，加入转场，剪辑后输入所需格式.

3 三维室内场景漫游的实现

室内漫游是室内设计师表达创意构思，并通过3D 制作软件，将创意构思进行形象化再现的形式.它通过对物体的造型、结构、色彩、质感等诸多因素的忠实表现，真实地再现设计师的创意，从而沟通设计师与观者之间视觉语言的联系，使人们更清楚地了解设计的各项性能、构造、材料、结合方法等之间的关系.［2］

3.1 三维场景建模

1)建模前的分析.为了使模型更精确，统一单位为毫米，严格按照真实比例来创建，尽量不要让怎个场景离栅格的中心太远，不然容易出现错误.主要运用的建模方法

(1)多边形建模.特点是:几何图形和几何体的拼接创建空间效果;缺点是:生成的模型生硬、无用面较多会影响渲染和显示刷新.(2)面片建模.(3)VC 曲线建模.多边形编辑建模方法是目前最受关注、最为强大也是制作难度最大的建模方法.几乎可以制作所有的三维模型物体，被广泛用于工业产品、汽车、人物、家具及三维游戏场景的编辑制作中.多边形编辑建模的方法主要包括顶点编辑、片面编辑、网格编辑等.属于多边形编辑建模中的层级划分，每一种调节编辑的范围及模式都有特定的应用方法，各项层级的作用均不相同，它属于精确调整物体造型的建模手法.

2)对建筑物的建模.导入或创建好平面图型，设置右键点击捕捉工具打开对话框，点选顶点捕捉.选取创建线段利用捕捉工具捕捉平面图上的转折点.打开修改面板，在修改面板菜单栏下选择挤出命令设置房屋高度.继续在修改面板菜单栏下点选法线命令，将其翻转法线.这样即得出房屋内部的显示.选中房屋，在视图中点击右键在菜单中选择可编辑多边形，在修改面板中选择侧面线，点击环形命令.利用连接工具加入两条线用于做窗户的上下高度，同理选择上下的线做出窗户的宽度和门的长宽.然后在修改面板中选面工具，选取窗户的面，让其与墙壁分离，退出子物体层级，选择分离出来的面，挤出厚度.选中面向室内的面加入向内轮廓命令，然后向内挤出.分离出面，把分离出的面增加厚度当作玻璃.门的制作与窗户同理，门的金属门扶手利用门的正面加入轮廓利用移动和缩放工具调节好位置与大小，分离出门.选中分离出来的面添加细化命令一次，选中细化出的点使用倒角拉出大概比例，接着选中倒角出来的点再倒角一次，选中倒角出来的圆形面，然后挤出两段，接着按着参考图上的扶手挤出面，移除多余的点，添加需要的点增加细节，按照形体需求调节点的位置.

3)装饰的建模.(1)建天花.打开捕捉顶点，创建线沿着顶点捕捉，建立出合适大小的天花大小，然后在天花中心创建圆形线，使用捕捉将其与天花形状在前视图高度对齐，再在顶视图绘制3 个矩形线断，也将其对齐于天花外形.将天花外形改成可编辑养条线，点击附加选取圆形与3 个矩形线条.退出子物体层级，在修改面板里选择挤出命令，挤出一定厚度.为了让天花有层次感，增加一层边缘.首先建立一个辅助的矩形高度只有天花一半，用捕捉工具把辅助矩形与天花在前视图的高度对齐，将天花转化为可编辑多边形，右键点击物体，选择快速切片利用捕捉工具在辅助线上断切片，然后框选中天花上切出的面使用挤压工具向外挤压出面.(2)装饰墙壁.在左视图创建一个矩形利用捕捉工具让其适配于墙体，然后在矩形里创建很多大小不等的圆形线条，将矩形转化为可编辑样条线，把圆形附加.在修改面板里选择挤出工具，挤出适当厚度.用捕捉命令对齐于后墙.在背景墙后面利用捕捉工具建立一个box 作为黄色背景底色墙.

4)对主要家具的建模.(1)茶几的建模.建立一个box 为桌面，按照真实的比例来建立，单位为厘米.将面板向下复制作为桌子的下台面.再创建4 个box 做为桌脚，使用对齐命令，对齐于桌面.将整个茶几成组，避免操作.(2)玻璃杯子的建模.在前视图中绘制一个样条线，改为可编辑样条线，利用加点工具增加需要的点，修改点的属性为贝兹点，调节曲度.达成玻璃杯的切面图，最后利用修改面板中的车削命令将其旋转，点选最大，和焊接内核，假如出现错误，给他一个法线命令，点选翻转法线.然后将其移动到合适位置.(3)书本的建模.首先做书壳创建一个矩形样条线，在样条线上添加节点，调节样条线为书本的截面图像，让后利用修改面板里的挤出命令挤出相应高度，把对应纸张的面删掉，然后选择修改面板里的“壳”工具建出厚度.纸张就利用捕捉建立box 在壳的里面.想要得到不同大小或者厚度的书可以利用缩放工具来修改.旋转方向对齐放在需要的位置.(4)液晶电视机的建模.先建立一个box，转化为可编辑多边形，选择正面的面，用轮廓工具向内给个轮廓，然后向内挤压，分离出面做为屏幕.建立电视的下半部分，也是创建一个box 利用连接工具添加4 条线移动好位置，利用挤出命令向内挤压出花纹.接着创建金属文字，利用文本工具在左视图创建几个字幕，然后利用修改面板里倒角工具挤出厚度和倒角.电视开关直接建个切角长方体就可以了.(5)沙发的建模.按实际尺寸建立一个倒角矩形，然后复制几个，利用缩放工具修改他们的大小，然后利用旋转工具将其旋转到正确方向，最后利用对齐工具将其对齐组合成沙发垫子.接着制作沙发金属脚，首先建立一个圆柱体，将其高度分段数改为4，接着选取分段最下面的面框选，不用忽略背面，利用修改面板里的挤出命令将其挤出到合适大小，复制并移动到合适位置，利用对齐命令将其对齐沙发垫，最后成组，移动到房屋的合适位子.

3.2 材质与贴图

1)水杯玻璃材质.打开材质编辑器(见图1)，把标准材质改为vray 的材质，将反射通道的颜色稍微掉的比较偏黑一点的灰色，然后在折射通道内把颜色改为纯白，最后把材质赋予玻璃杯.

图1 材质编辑器Fig.1 The material editor

2)木地板材质.打开材质编辑器，把标准材质改为vray 的材质，在漫反射通道内添加一张木地板纹理贴图，在反射里通道添加衰减，更改衰减的模式，把曲线图里的点改为贝兹点，调节曲线，通过观看材质球的效果来调节，回到上一层级在反射通道里的颜色稍稍调亮，将模糊反射调味0.85 左右，高光给低一点，以观察材质球效果为主.复制慢反射贴图到凹凸通道内，将凹凸通道数值改为40，来模拟真实效果.

3)白墙壁材质.打开材质编辑器，把标准材质改为vray 的材质，将慢反射颜色改为白色.

4)金属材质.打开材质编辑器，把标准材质改为vray 的材质，修改慢反射颜色为黑色，将反射通道改为纯白色，调节高光，为了模拟真实的金属效果需要给环境面板里的反射添加一个vrayHDRI 文件，将其拖动至材质球上，给其添加一张高动态贴图，为其模拟环境的反射.最后赋予材质给物体.

5)沙发皮革材质.打开材质编辑器，把标准材质改为vray 的材质，将慢反射颜色改为红色，将反射通道颜色改为灰色，添加大概0.75 的高光，和0.85 的慢反射，在凹凸通道里添加一张皮革材质的位图来模拟凹凸的皮革质感.

6)抱枕材质.打开材质编辑器，把标准材质改为vray 的材质，为其漫反射添加一张位图，模拟抱枕图案.在反射通道内添加衰减，调节衰减模式，修改曲线，将曲线的点修改为贝兹，调节曲线.在材质球内观察效果.为凹凸通道内添加一张褶皱的黑白贴图，调节数值为100.最后赋予材质给物体.

7)书本材质.面材质，打开材质编辑器，把标准材质改为多维子材质，把数量设置为3，进入封面模型，转化为可编辑多边形，将正面，侧面，背面分别给与材质编号1，2，3.首先编辑材质1，把材质改为vraymtl 材质，为其慢反射添加一张书封面的位图，回到上一层级，选择第2 个材质，改为vraymtl 将漫反射贴图添加一张书侧面贴图，回到上一层级，最后为第三个材质漫反射添加一张书背面贴图.书里页的纸张用一个3dmax 标准材质改其漫反射颜色为白色就完成.接着赋予模型材质.

8)陶瓷材质.打开材质编辑器，把标准材质改为vray 的材质，将反射通道颜色调成比较偏白的灰色，再把漫反射颜色改为白色.调节较高的高光.在BRDF 卷展栏中选择phong.将材质赋予物体.

9)电视屏幕材质.打开材质编辑器，把标准材质改为vraylightmtl 的材质，为其添加一个电视画面的位图，为了保持材质清晰与亮度防止色溢，需要给材质添加一个包裹材质，在包裹材质中调节亮度.最后赋予材质给屏幕.

10)背景墙材质.打开材质编辑器，把标准材质改为vray 的材质，在漫反射通道中为其添加一张背景位图，在反射通道内添加衰减，调节衰减的模式，在把曲线内的点改为贝兹，调节曲线.

3.3 模拟光照

模拟光照跟绘画有着异曲同工之妙，先整体再局部，先大概布局再仔细刻画.

(1)确立光源;(2)建立大体光照;(3)逐步深入塑造;(4)调整完成同时也要注意全局的色相和对比，把握住各个层次的关系.

创建灯光:(1)确立环境光.打开环境面板，因为是模拟白天的效果，将其颜色调整为淡淡的蓝色，大小暂时设置为1.0.(2)设置阳光.在侧视图从上至下添加一盏目标平行光，用于模拟阳光，在各个视图调整其角度到合适位置，修改光照颜色为淡黄色，打开阴影选项，将阴影类型改为vray 阴影，然后调整聚光范围将照射物体包含在聚光范围内，最后大体调节能量数值的大小.(3)照入屋内的天光.用捕捉工具在侧视图中对着窗户建立一盏vray 面灯，将其颜色改为淡蓝色，勾选隐藏灯选项.关联复制一盏向屋子内移动，靠近窗户.能量的数值大小调整到合适为止.(4)筒灯.选择灯光创建面板中的光度学灯光，给其添加一个筒灯的光度学文件，将其颜色改为暖色的黄，与室外的环境光形成对比，关联复制到筒灯的位置，如果筒灯对墙壁照射太过度的话可是适当将光源向内移动.(5)圆形暗藏灯.由于没有圆形灯的创建工具，所以只能用发光物体来替代，首先建立一个圆环适配于暗藏灯的位置上，然后选择材质编辑器给其一个vray 的发光材质，再为其添加一个包裹材质，在包裹材质内调节发光的大小，进入vray 发光材质调节其颜色为暖黄色.最后选择物体点击右键，在属性栏中点击不现实物体.(6)方型暗藏灯.建立4 个朝上的vray 面灯，分别对应好各自的位置，颜色改为暖黄色.

3.4 摄影机的建立

首先了解像深，超焦距，焦距，景深的概念.像深是景深前界和景深后界分别共轭的两个成像平面之间的距离.像深与景深相对应，像深越大，景深也就越大;超焦距:当镜头聚焦在无限远时，位于无限远的景物结成清晰的影像，同时在有限距离某一点上的物体也能达到清晰的标准，近于这一点的物体就模糊起来，那么，这个物体到镜头之间的距离就是超焦距;焦距是指透镜中心到其焦点的距离;景深是指影像相对清晰的范围.景深的长短取决于镜头焦距、相机与拍摄对象的距离、所用的光圈三个因素.

建立摄影机:在创建面板中选择摄影机，建立一个目标摄影机，调整到你设计的画面位置，从摄影机视图中观察.一般室内用的焦距为24，和28，太大或太小都会对画面产生变形.

图2 整体灯光Fig.2 Overall lighting

3.5 创建摄像机的漫游动画

首先，在透视图中观察，室内的整体效果.研究表现的主题，抓住重点，在纸上设计分镜头，利用摄影的推 拉摇 移跟 升降的手法，一共要拍摄4 段动画，大概25～30 s.选择摄影机将动画面板中的帧数调节改为自由，设置为20 帧/s，然后指定每一段动画的时间或帧数.接着打开关键帧设置在摄影机移动的线路上添加关键帧，在摄影机视图上播放，仔细观察画面的比例结构，慢慢调节到最适当的状态.

3.6 渲染输出动画

精细整体调整过画面的灯光，材质，摄影机后便可以开始渲染输出，打开渲染面板(见图3)里的vray 的各个面板，打开GI 开关，将抗锯齿选项改为准猛地卡罗，一次反弹使用默认，2 次反弹利用灯光缓存，在1 次反弹中将等级调整为高，选择动画模式.2 次反弹中细分调制1 100.选用穿越模式.最终材质和灯光的细分需要加大到16 左右，用于减少杂点与增强细节，看个人机器配置决定细分大小.由于最终出的图像分辨率较高，出图时间较慢.为了提高效率，我们先渲染一张比较小的光子图，因为光子图小了对最终图像的效果影响并不大，在vray渲染面板中关闭最终图像.利用小分辨率跑光子图.光子图跑完了将其保存，然后在1 次和2 次反弹中调用光子图文件.调到出图的分辨率，将最终图像开关打开开始渲染.最终渲染出4 段动画.

图3 v-ray 渲染面板Fig.3 V-ray rendering panel

3.7 合成编辑

打开premiere pro，首先建立一个项目文件，在项目窗口中导入4 段，和一首与整体画面风格比较搭配的音乐，将4 断动画在视屏轨道按照理想的顺序排列组合，在监视器中观察效果，接着建立字幕片头，然后给每个段子接入转场特效，最后将声音导入音轨，配合画面，将多余的用剃刀工具切除删 掉.然后倒出影片为avi 格式.(见图4)

图4 后期合成Fig.4 Late synthesis

4 结语

随着信息技术的飞速发展与媒体革命速度的加快，漫游动画已作为一种新兴的艺术形式成为数字媒体广告制作的一支新生力量，同时，它所具有的数字技术、动态化、虚拟镜头、互动等优势也日渐凸显.三维漫游动画技术凭借着其精确性、真实性，使得它成为模拟真实物体的最佳选择，目前已被广泛应用于建筑、医学、教育、军事、娱乐等诸多领域.

［1］胡小强.虚拟现实技术基础与应用［M］.北京:北京邮电大学出版社，2009.

［2］子午数码影视动画.三维动画大师［M］.北京:海洋出版社，2006.