基于3DMax的人參生長態勢的模擬

韓明陽

（吉林工程技術師范學院，吉林長春 130052）

1 3DMax的相關介紹

3DMax是由美國Autodesk公司出品的基于PC系統的三維動畫制作和渲染軟件。目前，3DMax廣泛應用于動畫、影視、產品設計、建筑設計、游戲設計等領域。它功能強大、操作靈活，配合VARY渲染器可以模擬出逼真的材質和光影效果。

2 國內外研究現狀

上世紀六十年代末，美國生物學家Lindennmayer提出了L-系統理論，用于對植物生長態勢的模擬。這是虛擬植物的開端，自此以后，經過漫長的發展，各種虛擬植物建模的方法，相繼誕生。上世紀80年代，L-系統與計算機圖形學結合了起來，實現了在計算機上模擬植物生長態勢。目前，主流的建模方法主要有迭代函數系統、L-系統、粒子系統、隨機過程方法以及基于圖像的造型等方法。各種方法的出現，有效的對植物生長進行了模擬，記錄了生長過程與數據，推動了農業的發展。植物生長的虛擬效果也由最初的簡單生長模型，發展到了現在各部分結構更加全面完善的模擬。

3 研究目的及意義

在進行模型的建立之前，本研究進行了大量的前期準備工作，通過對長白山人參數據的研究和實驗，得出了長白山人參生長因子之間的關系特征。為模型的順利建立，提供了前期條件。依據實驗數據，利用3dmax軟件，進行長白山人參模型的建立，虛擬各部分結構。在模型建立完畢后，添加貼圖、燈光，并進行關鍵幀的設置，渲染出人參生長的動畫。

利用3DMAX，虛擬人參生長態勢，可以提高工作效率，對數據的采集不再受環境、氣候以及空間的影響，有效展示了長白山人參不同生長階段的外形特征。通過對人參生長態勢的模擬，可使人參生長過程清晰可見，實現圖像的可視化。讀者也進而對人參各部分結構以及生長過程有了清晰的了解。

4 研究過程中的重點

根據長白山人參的外部結構特點，模型的建立重點要突出主根肥厚、下部稍有分枝，根狀莖較短、呈直立狀，復葉呈掌狀的細節特征。

4.1 模型的建立

（1）建模方法。3DMAX的建模方法多種多樣，常用的方法有基礎建模、復合建模、suface toods建模、多邊形建模、面片建模、NURBS建模六大類。每種方法各有優勢，很難單獨運用一種單一的方式建模，正確又高效的建模方法是將這幾種方式結合起來，根據實際情況，靈活運用。

（2）關鍵細節。在模型建立之初，基本體的選擇上，應選擇和人參外形相類似的基本體。除去根須，人參呈圓柱體，因此在3DMax內置的眾多標準基本體中，選擇Cylinder，進行基礎模型的建立。根須是人參外部結構的一大特征，是建模的重點和關鍵部分。應在物體表面，使用Connect，進行邊的連接，增加邊數。進而選擇相應的多邊形層級，使用Extrude命令，擠出根須。在根須的形狀調整上，可選擇點層級，選擇相應的點，運用移動、旋轉和縮放工具，對模型進行細致的調節。

為了真實的模擬人參的外部形態，根據長白山人參的結構特征，模型需增加根須的數量。在這里選用的方法是選擇樣條線中的Line，進行線物體的創建。在形態的模擬上，應遵循人參根須細長、呈發散狀的特點，進行根須部分模型的細化。通過對頂點的不斷移動調整，使模型的外部結構進一步完善。其中樣條線轉換為實體的方法是采用Enable In Renderer以及Enable In Viewport工具實現的。如圖1。

使用標準基本體創建的模型是棱角分明的，不具備平滑的過度效果，為使表面各部分光滑平整，過渡自然，應采用MeshSmooth（網格平滑）命令，MeshSmooth可通過計算，增加物體表面節點，使物體表面平滑，實現對模型柔化的效果。建模需要反復的調整修改，大多數模型的建立都不是一蹴而就的。很多時候，平滑后達不到想要的效果，在3DMax中，在不對命令塌陷的情況下，還可暫時關閉MeshSmooth命令，回到平滑之前，對物體進行細節調整，再開啟MeshSmooth命令，查看細化后的效果。效果如圖2。

圖1

圖2

4.2 材質與貼圖

（1）任何物體都具有表面特征，如玻璃表面光滑，反射強烈；木頭有紋理，并且表面凹凸不平。這一系列特征稱為材質。貼圖指的是在3DMax中給三維模型貼上二維的圖片。貼圖可以使模型快速的具有基本的顏色、紋理效果，就好比給模型穿上了一件衣服。材質與貼圖的調整是三維模擬過程中至關重要的一個環節。可使物體具備真實的質感。

（2）長白山人參表面呈淡黃色，光澤度低。在色彩的選擇上要遵循物體實際特點，高光不可過亮，可在Specular Level和Glossiness中進行高光級別和光澤度的調節。

（3）人參表面還有一個明顯的特征是表皮呈凹凸不平狀。在3DMAX中，表現這一特征應當運用Maps中的Bump貼圖。Bump貼圖是專門用于呈現凹凸材質的命令。Bump貼圖是運用計算機對二維圖片灰度的計算，模擬出凸起或凹陷的效果。針對人參表面的紋理特征，可在Maps卷展覽下將Diffuse Colorde上的貼圖運用復制的方式拖拽到Bump貼圖上。這里要注意的是Bump貼圖的數值不宜過高，數值過高則會使人參的表面凹凸過于強烈，導致效果不自然。

（4）單獨依靠對材質編輯器中顏色、高光、凹凸等屬性的調節是不足以達到效果的。材質表面的紋理需要單獨用繪圖軟件進行處理。在本文中運用的是Adobe公司出品的PhotoShop軟件。用畫筆工具，降低透明度與流量，選擇略深與人參表面的黃棕色，進行紋理的繪制，最終完成。效果如圖3。

圖3

4.3 燈光的設置

在3DMax環境中，燈光不僅能到照明的作用，同時也使物體表面有了黑白灰的過度關系，選擇合適的燈光類型，合理地擺放燈光位置可使三維模型具有逼真的光影效果。

在本文中，選用的燈光是天光和泛光燈。天光是一種向四面八方發散的光源，沒有固定的目標點，常用于模擬自然光。天光可以起到照亮場景的作用。泛光燈，效果類似燈泡，也可到補光的作用。在這里，創建了兩盞泛光燈，一個作為主光源，一個用于補光。通過對燈光強度、顏色、照射位置、陰影等屬性的調整，使人參的模擬更為完善。

4.4 動畫的制作

在3DMax中，可通過添加并調節關鍵幀來制作生長模擬動畫。在本文中，使用的是Slice（切片）工具，Slice工具，可制作出從無到有的生長效果。在制作的過程中，關鍵在于關鍵幀的位置。開啟自動關鍵點，在調節Slice位置的同時，移動時間滑塊，從而記錄下各個關鍵幀。如果播放時，速度過快，應加大關鍵幀之間的距離，調整至合適的位置。

4.5 渲染輸出

渲染輸出是三維模擬最終關鍵的一步。本文使用的是Vray渲染器，VRay渲染器廣泛的應用于主流的三維軟件中，它具有渲染速度快，渲染品質高的特點。目前，VRay渲染器是業內使用率最高的渲染引擎。

輸出采用的是HDTV高清比例，輸出格式為TGA。TGA是一種被廣泛應用的數字化圖像文件格式。它的特點在于支持壓縮，采用避免失真的壓縮算法，于圖像內，經過運算，生成Alpha通道，也就是帶透明通道的圖片，方便進行后期處理。

5 三維建模在增強現實中的關鍵技術

（1）增強現實（Augmented Reality，簡稱AR），是虛擬現實中的一個種類。AR技術是一種較新的技術，它可以將真實世界與虛擬世界融為一體，目前已廣泛應用于教育、醫療、廣告、游戲等領域。其原理是將真實世界中難以完成體驗的事物，利用計算機技術，進行三維虛擬，再將虛擬好的信息與現實世界疊加起來，從而帶給人們同時體驗現實和虛擬世界的精彩感官體驗。

（2）AR技術的最終目標是將虛擬世界與真實世界完美融合疊加在一起，并可在現實世界中對虛擬物體進行操控。虛擬世界是由三維模型構成的，三維建模是增強現實技術中的一個重要技術手段，它是組成虛擬世界信息的關鍵所在。為了讓AR體驗更具有真實感，在三維建模的過程中，不能只考慮虛擬物體，而是應當將虛擬世界與真實世界相統一，即保持空間統一、真實性統一、光感與光照方向統一、色彩與色溫統一。只有同時滿足這幾點，才能保證AR體驗的真實性。

6 結論

本文在前期研究分析的基礎上，結合長白山人參的結構特點，利用3DMax技術，建立了人參的三維模型，并進行人參生長態勢的虛擬，記錄了人參的生長過程。清晰有效的展示了長白山人參的外部特征，實現了人參生長的計算機圖像可視化。向讀者提供了虛擬植物的模擬工具，對農業研究起到了積極作用。