3D建模在三维动画宣传片中的应用研究

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　　【摘 要】近年来信息科技技术与信息技术不断发展，信息技术形式得到了不断创新，3D建模这一技术在各行各业中都得到了广泛的使用，这一技术通过软件将不同的几何体剔红从而完成动画细节与形状的进一步加工，提高画面质量。文章主要以某项目为例，探讨了3D建模技术在三维动画宣传片中的应用，分析了3DS MAX  建模软件使用的关键技术以及骨架绑定技术，为从业者提供一定参考。
　　【关键词】三维建模;三维动画;3DS MAX;OpenGL;建模技术
　　中图分类号： TP391.41;J954 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）12-0216-002
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.104
　　【Abstract】In recent years， with the development of information technology and information technology， the form of information technology has been constantly innovated， and 3D modeling technology has been widely used in all walks of life. This technology completes the further processing of animation details and shapes through software， and improves the quality of the picture. Taking a project as an example， this paper discusses the application of 3D modeling technology in three-dimensional animation propaganda film， and analyses the key technologies and skeleton binding technology used in 3DS MAX modeling software， so as to provide some reference for practitioners.
　　【Key words】Three-dimensional modeling; Three-dimensional animation; 3DS MAX; OpenGL; Modeling technology
　　0 引言
　　计算机硬件与软件性能不断提升，外加计算机图形图像技术的不断进步，使得三维动画得到了越来越广泛地应用，这一技术从3D游戏走向城市道路桥梁规划、文物古迹复原、建筑表现、电影等多个行业，在虚拟动画、演示动画以及过程模拟动画中发挥着越来越重要的作用。当前3D建模过程中，使用最多的软件是3DS MAX ，这一软件的渲染能力、建模能力都极为强大，但是其缺陷在于交互能力不足，采用OpenGL的交互控制技术则恰好满足了这一缺陷，二者之间具有相辅相成的作用[1-2]。
　　1 项目概况
　　2017年3月，晨龙飞机（荆门）有限公司委托我司制作安琪飞机的三维动画宣传片，宣传片时长三分钟，主要用于表达飞机的全生命周期管理方式，主要体现了客户定义、自动下料、制造零件、装配部件、总装对接、整机喷涂以及客户服务七个方便的服务。我司既往未接受过该类似项目，因此缺乏相关经验，以往积累的树木、房子等素材无法调用，一切都需要从零开始。
　　项目最大难点在于搭建模型，需要根据客户提供的有限的资料寻找出可用的资料采用3DsMAX搭建出飞机零件制造、装配部件等工作车间，建造出不同车间生产设备的模型，建造出不同机型的模型，特别是生产车间的机械手臂是项目的难点之最，其资料最少、数量最多、难度最大。
　　2 3DS MAX建模软件和骨架绑定技术
　　2.1 3DS MAX建模软件
　　2.1.1 三维动画角色的设计与制作
　　制作三维动画的过程中，首先需要完成建模。三维动画角色的制作与设计是3D建模工作中最为重要的部分，幕后制作的过程中，我们不使用动作捕捉技术，而是采用了手绘的方法设计出任务的草图，之后对人物的草图进行分析研究，选取最为合适的建模方法，之后开始建模。人形角色的建模过程中，先采用细分建模法进行建模，也就是先使用最为常见的几何体将模型的大致外形描绘出来，之后采用对网格或者多边形进行编辑的方法来细化模型的细节部分，待细节处理完毕之后再开始渲染。这一过程中，需要注意的是创作者需要具有较高的艺术水平来完成三维动画角色的制作与设计，否将3D角色创造完毕之后不具有形象、生动的感觉，无法打动人们的内心。采用3D建模创造出来的角色的外观十分精细，在动态物理引擎的支持下以及环境粒子效果的支持下，角色与环境互动、角色的表情与动作等都十分逼真，进而充分打动观众的心灵，给他们带来新颖、震撼的感觉。
　　3D物体中的物体共包括两种，其一为规则的物体，其二为不规则的物体，3D软件中对物体形态进行描述的过程中，主要是采用某种描述规则来描述进而展现其原有模样。兼职之前，需要先将模型结构分析工作做好，建模工作过程中，需要充分想象图画，对几何体的组成方式做出判断，之后采用软件工具大致摆设出几何体的大致形状，加工处理几何体的细节部位，其实这种思路与绘画之前先打稿勾画出大致形状是一样的，加工处理完毕后才能升级画面。建模初期，需要重视分析结构线条的走向，这一技术对三维建模而言十分重要，结合个人习惯完成对细节的描绘，能够以最快的速度完成刻画细节的工作，但是整合网格的过程中存在一定不便，有时候可能需要返工。这就要求处理某些陌生對象时，要仔细分析结构，制作过程中不断归纳并分析，从而确保建模工作的科学性。一个成功的建模师必然具有良好的总结归纳能力与分析能力，同时熟练掌握建模技术也是必不可少的，绘画的过程中需要对对象进行认真观察，同住准确判断，从而将建模过程变化简单的过程，体现出艺术的价值，建模师也得以专心工作，从而为建模质量提供保障[3]。 　　2.1.2 三维动画广告
　　3D建模已经走向各行各业，这一技术正在各行各业发挥着越来越大的作用，这一技术在商业广告中发挥着更为显著的优势。三维动画的优势是显而易见的，使用这一技术制作商业广告，能将原本较为复杂的概念、原理以及产品结构等采用三维动画的方式清晰、直观地展现给消费者观看，这种广告形式更加通俗易懂，因此大众更加认可这一新型广告。例如，晨龙飞机的这次宣传片主要体现飞机的全生命周期管理方式，但飞机制造需要一个长时间的周期和空间的制约性等特点，导致无法完整详细的直接展示给消费者，所以宣传片就通过客户定义、自动下料、制造零件、装配部件、总装对接、整机喷涂以及客户服务七个方便的服务让消费者可以更清楚直接的了解到产品的优势和用途等，从而达到推销的目的。从这一案例中我们可以指导，采用三维动画这一形式制作商业广告的优势在于能够从形式与内容方面为消费者带来最为真实的感受，也能更真实、更直观地为消费者呈现出产品的相关信息，消费者更容易接受此类广告进而达成宣传、促销的目的[4]。
　　2.1.3 三维场景建模的搭建
　　三维动画的制作过程中，三维动画场景的搭建是重中之重，场景设计的含义是三维动画中，除了角色造型之外的其它可以随着时间的变化而变化的事物的造型设计。一个良好的场景设计能渲染并强化主题，有助于提高三维动画的美感，也能将三维动画的渲染效果渲染的更为饱满。三维动画的场景建模也是一项工作量非常大的工作，其工作量甚至可达到整个工作量的70%-80%。以采用虚拟技术建设“晨龙飞机”为例，开始建模之前，需要通过对飞机的CAD平面、立面和剖面等方式完成对飞机大致情况的了解，同时还要完成相关数据的获取;之后，需要将整个飞机划分为若干个不同的区域，把每个区域都单独分解出来并进行逐个分析，完成对区域内主要模型与次要模型的划分;最后制作每个区域的模型，完成区域组合，将相应材质与相应纹理贴在模型上，最终完成渲染成形[5]。三维动画中的场景设计能完成非常多的工作，既可以将不存在于现实中的场景在三维动画中展现出来，也可以将显示中存在的场景构建为虚拟场景中的模型，通过这样的3D建模技术制作出来的虚拟校园能够充分满足人们全景浏览、虚拟漫游以及可视化等诸多要求。
　　2.2 骨架绑定技术
　　项目的另一个难点在于渲染过程中，机械手臂动画的渲染问题，以往我们都是使用常规方法，将机械臂绑定在Dummy上之后一点点地setkey移动或者旋转，但是这一项目中的机械手臂功能要求高，其关节多（就像人体一样，身体旋转、移动、前俯后仰的过程中，其手臂也一定会随着身体仪器运动，否则身体与手臂就分家，但是手动之后，手臂却不会动），如果按照我们以往使用的方法进行处理，处理过程中一旦出现少set其中哪怕一个非常小的关节的key，那么这个机械手臂的运动就会出现错误。同时，采用常规方法处理费时费力，工作量极大，还容易出现错误，后续需要修改时修改难度也极大。
　　对此我们对机械臂的工作原理进行了深入的研究，结合既往关于绑定骨架（bone）的经验，尝试将机械手臂看作一个有着非常多关节的人，采用骨架绑定的方法，由一层层父级对子级进行控制，为不同的父级设置不同的功能，同时对某个父级setkey，这个父级的子级也随之自动设置，这样的分级setkey处理方法省时省力，后续改动时也只需要将对应父级进行改动，即可实现对子级的改动。
　　2.3 模型描述与OpenGL控制
　　2.3.1 通过数据结构描述模型
　　采用3DS MAX将模型以3DS的格式导出，实际上具体的设计过程中可能使用了其它类型的三维图形软件，也可以将其格式储存为BGJ、WRB等格式，OpenGL均支持此类格式。3DS MAX软件中制作三维图形，将其以3DS的格式保存下来之后导出。导出后的文件中包含有法线、纹理、材质以及面等内容。使用的3DS格式文件从具体构成上看来，主要包括相应的块，每个块的头部均存在ID以表示其信息样式以便于與其它块相互区分，从而为寻找下一块信息创造条件。
　　2.3.2 OpenGL对3DMAX物体数据的支持作用
　　OpenGL程序中，可以先转入3DS格式文件并综合运用其中的三个数据结构，分别为多边形列表、顶点集以及相关三角形列表。多边形列表中主要包括相关数据，材质包括漫反射颜色、纹理照射以及光照度等，材质与三角形之间的关系是对应的，三角形信息通过三元整数组来显示，三角形的顶点就是数组的位置信息;顶点集是具体顶点与相应法向量之间的列表结合形式，对多边形的顶点则采用采用下标方式来表现，形成的图形样式就是顶点数组。相关三角形列表的大小上与顶点集一致，结构上是链表形式，其指向为多边形样式，也就是各个顶点的数据信息。
　　2.3.3 OpenGL中的动画控制
　　创建显示列表glNewList时，OpenGL主要使用glBegin与glEnd函数，绘制每一个面时，都需要先完成材质的确定，还需要渲染纹理、绘制各个顶点等，最终取得理想的绘制效果。
　　3 结论
　　文章介绍了3DSMAX这一极为常用的3D建模软件，同时介绍了3D建模技术OpenGL，以三维动画角色的制作与设计、三维动画商业广告以及三维场景建模设计为例，分析了3D建模技术在制作三维动画中的重要作用。将三维建模技术运用于三维动画角色中的制作，能为三维动画带来极为逼真的效果;将三维建模技术运用于商业广告中，能将原本枯燥无味的商业广告带来仿真性与生动性，商业广告由此变得真实、直观，容易被人们接受;设计场景的过程中，采用三维建模技术能为三维动画带来更大的美感。建模软件的开发与应用仍然需要进一步的研究，这一软件的发展趋势是更高效率、更高质量地模型处理、更人性化的实时互动以及更简便的操作方法，这仍然需要我们不断发掘与探讨。
　　【参考文献】
　　[1]梁钰龙.3D建模在三维动画中的作用研究[J].数字通信世界，2018（10）：85+88.
　　[2]韩丛梅，李学孺，刘玲，等.哈尼族民居3D建模及虚拟漫游——以红河州为例[J].电脑知识与技术，2018，14（12）：245-247.
　　[3]王昊旻，吴艺菲，王思昱.OpenGL下3D建模软件快速开发可视化系统探讨[J].电脑编程技巧与维护，2015（20）：12-13+36.
　　[4]俞晓妮.3D建模技术在三维影视动画中的应用[J].电子技术与软件工程，2016（02）：105.
　　[5]韩丛梅，李学孺，刘玲，牟超琼，宗秀，杨从六，张杨.哈尼族民居3D建模及虚拟漫游——以红河州为例[J].电脑知识与技术，2018，14（12）：245-247.作者简介：夏二林（1987.11—），女，安徽庐江县人，汉族，本科，助理工程师，研究方向为建筑CG动画。
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