3D建模在三維動畫宣傳片中的應用研究

【摘 要】近年來信息科技技術與信息技術不斷發展，信息技術形式得到了不斷創新，3D建模這一技術在各行各業中都得到了廣泛的使用，這一技術通過軟件將不同的幾何體剔紅從而完成動畫細節與形狀的進一步加工，提高畫面質量。文章主要以某項目為例，探討了3D建模技術在三維動畫宣傳片中的應用，分析了3DS MAX? 建模軟件使用的關鍵技術以及骨架綁定技術，為從業者提供一定參考。

【關鍵詞】三維建模;三維動畫;3DS MAX;OpenGL;建模技術

中圖分類號： TP391.41;J954 文獻標識碼： A 文章編號： 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

計算機硬件與軟件性能不斷提升，外加計算機圖形圖像技術的不斷進步，使得三維動畫得到了越來越廣泛地應用，這一技術從3D游戲走向城市道路橋梁規劃、文物古跡復原、建筑表現、電影等多個行業，在虛擬動畫、演示動畫以及過程模擬動畫中發揮著越來越重要的作用。當前3D建模過程中，使用最多的軟件是3DS MAX ，這一軟件的渲染能力、建模能力都極為強大，但是其缺陷在于交互能力不足，采用OpenGL的交互控制技術則恰好滿足了這一缺陷，二者之間具有相輔相成的作用[1-2]。

1 項目概況

2017年3月，晨龍飛機（荊門）有限公司委托我司制作安琪飛機的三維動畫宣傳片，宣傳片時長三分鐘，主要用于表達飛機的全生命周期管理方式，主要體現了客戶定義、自動下料、制造零件、裝配部件、總裝對接、整機噴涂以及客戶服務七個方便的服務。我司既往未接受過該類似項目，因此缺乏相關經驗，以往積累的樹木、房子等素材無法調用，一切都需要從零開始。

項目最大難點在于搭建模型，需要根據客戶提供的有限的資料尋找出可用的資料采用3DsMAX搭建出飛機零件制造、裝配部件等工作車間，建造出不同車間生產設備的模型，建造出不同機型的模型，特別是生產車間的機械手臂是項目的難點之最，其資料最少、數量最多、難度最大。

2 3DS MAX建模軟件和骨架綁定技術

2.1 3DS MAX建模軟件

2.1.1 三維動畫角色的設計與制作

制作三維動畫的過程中，首先需要完成建模。三維動畫角色的制作與設計是3D建模工作中最為重要的部分，幕后制作的過程中，我們不使用動作捕捉技術，而是采用了手繪的方法設計出任務的草圖，之后對人物的草圖進行分析研究，選取最為合適的建模方法，之后開始建模。人形角色的建模過程中，先采用細分建模法進行建模，也就是先使用最為常見的幾何體將模型的大致外形描繪出來，之后采用對網格或者多邊形進行編輯的方法來細化模型的細節部分，待細節處理完畢之后再開始渲染。這一過程中，需要注意的是創作者需要具有較高的藝術水平來完成三維動畫角色的制作與設計，否將3D角色創造完畢之后不具有形象、生動的感覺，無法打動人們的內心。采用3D建模創造出來的角色的外觀十分精細，在動態物理引擎的支持下以及環境粒子效果的支持下，角色與環境互動、角色的表情與動作等都十分逼真，進而充分打動觀眾的心靈，給他們帶來新穎、震撼的感覺。

3D物體中的物體共包括兩種，其一為規則的物體，其二為不規則的物體，3D軟件中對物體形態進行描述的過程中，主要是采用某種描述規則來描述進而展現其原有模樣。兼職之前，需要先將模型結構分析工作做好，建模工作過程中，需要充分想象圖畫，對幾何體的組成方式做出判斷，之后采用軟件工具大致擺設出幾何體的大致形狀，加工處理幾何體的細節部位，其實這種思路與繪畫之前先打稿勾畫出大致形狀是一樣的，加工處理完畢后才能升級畫面。建模初期，需要重視分析結構線條的走向，這一技術對三維建模而言十分重要，結合個人習慣完成對細節的描繪，能夠以最快的速度完成刻畫細節的工作，但是整合網格的過程中存在一定不便，有時候可能需要返工。這就要求處理某些陌生對象時，要仔細分析結構，制作過程中不斷歸納并分析，從而確保建模工作的科學性。一個成功的建模師必然具有良好的總結歸納能力與分析能力，同時熟練掌握建模技術也是必不可少的，繪畫的過程中需要對對象進行認真觀察，同住準確判斷，從而將建模過程變化簡單的過程，體現出藝術的價值，建模師也得以專心工作，從而為建模質量提供保障[3]。

2.1.2 三維動畫廣告

3D建模已經走向各行各業，這一技術正在各行各業發揮著越來越大的作用，這一技術在商業廣告中發揮著更為顯著的優勢。三維動畫的優勢是顯而易見的，使用這一技術制作商業廣告，能將原本較為復雜的概念、原理以及產品結構等采用三維動畫的方式清晰、直觀地展現給消費者觀看，這種廣告形式更加通俗易懂，因此大眾更加認可這一新型廣告。例如，晨龍飛機的這次宣傳片主要體現飛機的全生命周期管理方式，但飛機制造需要一個長時間的周期和空間的制約性等特點，導致無法完整詳細的直接展示給消費者，所以宣傳片就通過客戶定義、自動下料、制造零件、裝配部件、總裝對接、整機噴涂以及客戶服務七個方便的服務讓消費者可以更清楚直接的了解到產品的優勢和用途等，從而達到推銷的目的。從這一案例中我們可以指導，采用三維動畫這一形式制作商業廣告的優勢在于能夠從形式與內容方面為消費者帶來最為真實的感受，也能更真實、更直觀地為消費者呈現出產品的相關信息，消費者更容易接受此類廣告進而達成宣傳、促銷的目的[4]。

2.1.3 三維場景建模的搭建

三維動畫的制作過程中，三維動畫場景的搭建是重中之重，場景設計的含義是三維動畫中，除了角色造型之外的其它可以隨著時間的變化而變化的事物的造型設計。一個良好的場景設計能渲染并強化主題，有助于提高三維動畫的美感，也能將三維動畫的渲染效果渲染的更為飽滿。三維動畫的場景建模也是一項工作量非常大的工作，其工作量甚至可達到整個工作量的70%-80%。以采用虛擬技術建設“晨龍飛機”為例，開始建模之前，需要通過對飛機的CAD平面、立面和剖面等方式完成對飛機大致情況的了解，同時還要完成相關數據的獲取;之后，需要將整個飛機劃分為若干個不同的區域，把每個區域都單獨分解出來并進行逐個分析，完成對區域內主要模型與次要模型的劃分;最后制作每個區域的模型，完成區域組合，將相應材質與相應紋理貼在模型上，最終完成渲染成形[5]。三維動畫中的場景設計能完成非常多的工作，既可以將不存在于現實中的場景在三維動畫中展現出來，也可以將顯示中存在的場景構建為虛擬場景中的模型，通過這樣的3D建模技術制作出來的虛擬校園能夠充分滿足人們全景瀏覽、虛擬漫游以及可視化等諸多要求。

2.2 骨架綁定技術

項目的另一個難點在于渲染過程中，機械手臂動畫的渲染問題，以往我們都是使用常規方法，將機械臂綁定在Dummy上之后一點點地setkey移動或者旋轉，但是這一項目中的機械手臂功能要求高，其關節多（就像人體一樣，身體旋轉、移動、前俯后仰的過程中，其手臂也一定會隨著身體儀器運動，否則身體與手臂就分家，但是手動之后，手臂卻不會動），如果按照我們以往使用的方法進行處理，處理過程中一旦出現少set其中哪怕一個非常小的關節的key，那么這個機械手臂的運動就會出現錯誤。同時，采用常規方法處理費時費力，工作量極大，還容易出現錯誤，后續需要修改時修改難度也極大。

對此我們對機械臂的工作原理進行了深入的研究，結合既往關于綁定骨架（bone）的經驗，嘗試將機械手臂看作一個有著非常多關節的人，采用骨架綁定的方法，由一層層父級對子級進行控制，為不同的父級設置不同的功能，同時對某個父級setkey，這個父級的子級也隨之自動設置，這樣的分級setkey處理方法省時省力，后續改動時也只需要將對應父級進行改動，即可實現對子級的改動。

2.3 模型描述與OpenGL控制

2.3.1 通過數據結構描述模型

采用3DS MAX將模型以3DS的格式導出，實際上具體的設計過程中可能使用了其它類型的三維圖形軟件，也可以將其格式儲存為BGJ、WRB等格式，OpenGL均支持此類格式。3DS MAX軟件中制作三維圖形，將其以3DS的格式保存下來之后導出。導出后的文件中包含有法線、紋理、材質以及面等內容。使用的3DS格式文件從具體構成上看來，主要包括相應的塊，每個塊的頭部均存在ID以表示其信息樣式以便于與其它塊相互區分，從而為尋找下一塊信息創造條件。

2.3.2 OpenGL對3DMAX物體數據的支持作用

OpenGL程序中，可以先轉入3DS格式文件并綜合運用其中的三個數據結構，分別為多邊形列表、頂點集以及相關三角形列表。多邊形列表中主要包括相關數據，材質包括漫反射顏色、紋理照射以及光照度等，材質與三角形之間的關系是對應的，三角形信息通過三元整數組來顯示，三角形的頂點就是數組的位置信息;頂點集是具體頂點與相應法向量之間的列表結合形式，對多邊形的頂點則采用采用下標方式來表現，形成的圖形樣式就是頂點數組。相關三角形列表的大小上與頂點集一致，結構上是鏈表形式，其指向為多邊形樣式，也就是各個頂點的數據信息。

2.3.3 OpenGL中的動畫控制

創建顯示列表glNewList時，OpenGL主要使用glBegin與glEnd函數，繪制每一個面時，都需要先完成材質的確定，還需要渲染紋理、繪制各個頂點等，最終取得理想的繪制效果。

3 結論

文章介紹了3DSMAX這一極為常用的3D建模軟件，同時介紹了3D建模技術OpenGL，以三維動畫角色的制作與設計、三維動畫商業廣告以及三維場景建模設計為例，分析了3D建模技術在制作三維動畫中的重要作用。將三維建模技術運用于三維動畫角色中的制作，能為三維動畫帶來極為逼真的效果;將三維建模技術運用于商業廣告中，能將原本枯燥無味的商業廣告帶來仿真性與生動性，商業廣告由此變得真實、直觀，容易被人們接受;設計場景的過程中，采用三維建模技術能為三維動畫帶來更大的美感。建模軟件的開發與應用仍然需要進一步的研究，這一軟件的發展趨勢是更高效率、更高質量地模型處理、更人性化的實時互動以及更簡便的操作方法，這仍然需要我們不斷發掘與探討。

【參考文獻】

[1]梁鈺龍.3D建模在三維動畫中的作用研究[J].數字通信世界，2018（10）：85+88.

[2]韓叢梅，李學孺，劉玲，等.哈尼族民居3D建模及虛擬漫游——以紅河州為例[J].電腦知識與技術，2018，14（12）：245-247.

[3]王昊旻，吳藝菲，王思昱.OpenGL下3D建模軟件快速開發可視化系統探討[J].電腦編程技巧與維護，2015（20）：12-13+36.

[4]俞曉妮.3D建模技術在三維影視動畫中的應用[J].電子技術與軟件工程，2016（02）：105.

[5]韓叢梅，李學孺，劉玲，牟超瓊，宗秀，楊從六，張楊.哈尼族民居3D建模及虛擬漫游——以紅河州為例[J].電腦知識與技術，2018，14（12）：245-247.作者簡介：夏二林（1987.11—），女，安徽廬江縣人，漢族，本科，助理工程師，研究方向為建筑CG動畫。