基于3DMax的人参生长态势的模拟

韩明阳

（吉林工程技术师范学院，吉林长春 130052）

1 3DMax的相关介绍

3DMax是由美国Autodesk公司出品的基于PC系统的三维动画制作和渲染软件。目前，3DMax广泛应用于动画、影视、产品设计、建筑设计、游戏设计等领域。它功能强大、操作灵活，配合VARY渲染器可以模拟出逼真的材质和光影效果。

2 国内外研究现状

上世纪六十年代末，美国生物学家Lindennmayer提出了L-系统理论，用于对植物生长态势的模拟。这是虚拟植物的开端，自此以后，经过漫长的发展，各种虚拟植物建模的方法，相继诞生。上世纪80年代，L-系统与计算机图形学结合了起来，实现了在计算机上模拟植物生长态势。目前，主流的建模方法主要有迭代函数系统、L-系统、粒子系统、随机过程方法以及基于图像的造型等方法。各种方法的出现，有效的对植物生长进行了模拟，记录了生长过程与数据，推动了农业的发展。植物生长的虚拟效果也由最初的简单生长模型，发展到了现在各部分结构更加全面完善的模拟。

3 研究目的及意义

在进行模型的建立之前，本研究进行了大量的前期准备工作，通过对长白山人参数据的研究和实验，得出了长白山人参生长因子之间的关系特征。为模型的顺利建立，提供了前期条件。依据实验数据，利用3dmax软件，进行长白山人参模型的建立，虚拟各部分结构。在模型建立完毕后，添加贴图、灯光，并进行关键帧的设置，渲染出人参生长的动画。

利用3DMAX，虚拟人参生长态势，可以提高工作效率，对数据的采集不再受环境、气候以及空间的影响，有效展示了长白山人参不同生长阶段的外形特征。通过对人参生长态势的模拟，可使人参生长过程清晰可见，实现图像的可视化。读者也进而对人参各部分结构以及生长过程有了清晰的了解。

4 研究过程中的重点

根据长白山人参的外部结构特点，模型的建立重点要突出主根肥厚、下部稍有分枝，根状茎较短、呈直立状，复叶呈掌状的细节特征。

4.1 模型的建立

（1）建模方法。3DMAX的建模方法多种多样，常用的方法有基础建模、复合建模、suface toods建模、多边形建模、面片建模、NURBS建模六大类。每种方法各有优势，很难单独运用一种单一的方式建模，正确又高效的建模方法是将这几种方式结合起来，根据实际情况，灵活运用。

（2）关键细节。在模型建立之初，基本体的选择上，应选择和人参外形相类似的基本体。除去根须，人参呈圆柱体，因此在3DMax内置的众多标准基本体中，选择Cylinder，进行基础模型的建立。根须是人参外部结构的一大特征，是建模的重点和关键部分。应在物体表面，使用Connect，进行边的连接，增加边数。进而选择相应的多边形层级，使用Extrude命令，挤出根须。在根须的形状调整上，可选择点层级，选择相应的点，运用移动、旋转和缩放工具，对模型进行细致的调节。

为了真实的模拟人参的外部形态，根据长白山人参的结构特征，模型需增加根须的数量。在这里选用的方法是选择样条线中的Line，进行线物体的创建。在形态的模拟上，应遵循人参根须细长、呈发散状的特点，进行根须部分模型的细化。通过对顶点的不断移动调整，使模型的外部结构进一步完善。其中样条线转换为实体的方法是采用Enable In Renderer以及Enable In Viewport工具实现的。如图1。

使用标准基本体创建的模型是棱角分明的，不具备平滑的过度效果，为使表面各部分光滑平整，过渡自然，应采用MeshSmooth（网格平滑）命令，MeshSmooth可通过计算，增加物体表面节点，使物体表面平滑，实现对模型柔化的效果。建模需要反复的调整修改，大多数模型的建立都不是一蹴而就的。很多时候，平滑后达不到想要的效果，在3DMax中，在不对命令塌陷的情况下，还可暂时关闭MeshSmooth命令，回到平滑之前，对物体进行细节调整，再开启MeshSmooth命令，查看细化后的效果。效果如图2。

图1

图2

4.2 材质与贴图

（1）任何物体都具有表面特征，如玻璃表面光滑，反射强烈；木头有纹理，并且表面凹凸不平。这一系列特征称为材质。贴图指的是在3DMax中给三维模型贴上二维的图片。贴图可以使模型快速的具有基本的颜色、纹理效果，就好比给模型穿上了一件衣服。材质与贴图的调整是三维模拟过程中至关重要的一个环节。可使物体具备真实的质感。

（2）长白山人参表面呈淡黄色，光泽度低。在色彩的选择上要遵循物体实际特点，高光不可过亮，可在Specular Level和Glossiness中进行高光级别和光泽度的调节。

（3）人参表面还有一个明显的特征是表皮呈凹凸不平状。在3DMAX中，表现这一特征应当运用Maps中的Bump贴图。Bump贴图是专门用于呈现凹凸材质的命令。Bump贴图是运用计算机对二维图片灰度的计算，模拟出凸起或凹陷的效果。针对人参表面的纹理特征，可在Maps卷展览下将Diffuse Colorde上的贴图运用复制的方式拖拽到Bump贴图上。这里要注意的是Bump贴图的数值不宜过高，数值过高则会使人参的表面凹凸过于强烈，导致效果不自然。

（4）单独依靠对材质编辑器中颜色、高光、凹凸等属性的调节是不足以达到效果的。材质表面的纹理需要单独用绘图软件进行处理。在本文中运用的是Adobe公司出品的PhotoShop软件。用画笔工具，降低透明度与流量，选择略深与人参表面的黄棕色，进行纹理的绘制，最终完成。效果如图3。

图3

4.3 灯光的设置

在3DMax环境中，灯光不仅能到照明的作用，同时也使物体表面有了黑白灰的过度关系，选择合适的灯光类型，合理地摆放灯光位置可使三维模型具有逼真的光影效果。

在本文中，选用的灯光是天光和泛光灯。天光是一种向四面八方发散的光源，没有固定的目标点，常用于模拟自然光。天光可以起到照亮场景的作用。泛光灯，效果类似灯泡，也可到补光的作用。在这里，创建了两盏泛光灯，一个作为主光源，一个用于补光。通过对灯光强度、颜色、照射位置、阴影等属性的调整，使人参的模拟更为完善。

4.4 动画的制作

在3DMax中，可通过添加并调节关键帧来制作生长模拟动画。在本文中，使用的是Slice（切片）工具，Slice工具，可制作出从无到有的生长效果。在制作的过程中，关键在于关键帧的位置。开启自动关键点，在调节Slice位置的同时，移动时间滑块，从而记录下各个关键帧。如果播放时，速度过快，应加大关键帧之间的距离，调整至合适的位置。

4.5 渲染输出

渲染输出是三维模拟最终关键的一步。本文使用的是Vray渲染器，VRay渲染器广泛的应用于主流的三维软件中，它具有渲染速度快，渲染品质高的特点。目前，VRay渲染器是业内使用率最高的渲染引擎。

输出采用的是HDTV高清比例，输出格式为TGA。TGA是一种被广泛应用的数字化图像文件格式。它的特点在于支持压缩，采用避免失真的压缩算法，于图像内，经过运算，生成Alpha通道，也就是带透明通道的图片，方便进行后期处理。

5 三维建模在增强现实中的关键技术

（1）增强现实（Augmented Reality，简称AR），是虚拟现实中的一个种类。AR技术是一种较新的技术，它可以将真实世界与虚拟世界融为一体，目前已广泛应用于教育、医疗、广告、游戏等领域。其原理是将真实世界中难以完成体验的事物，利用计算机技术，进行三维虚拟，再将虚拟好的信息与现实世界叠加起来，从而带给人们同时体验现实和虚拟世界的精彩感官体验。

（2）AR技术的最终目标是将虚拟世界与真实世界完美融合叠加在一起，并可在现实世界中对虚拟物体进行操控。虚拟世界是由三维模型构成的，三维建模是增强现实技术中的一个重要技术手段，它是组成虚拟世界信息的关键所在。为了让AR体验更具有真实感，在三维建模的过程中，不能只考虑虚拟物体，而是应当将虚拟世界与真实世界相统一，即保持空间统一、真实性统一、光感与光照方向统一、色彩与色温统一。只有同时满足这几点，才能保证AR体验的真实性。

6 结论

本文在前期研究分析的基础上，结合长白山人参的结构特点，利用3DMax技术，建立了人参的三维模型，并进行人参生长态势的虚拟，记录了人参的生长过程。清晰有效的展示了长白山人参的外部特征，实现了人参生长的计算机图像可视化。向读者提供了虚拟植物的模拟工具，对农业研究起到了积极作用。