基于3Dmax的三維模型構建

顧天宇

摘要：本文以實際項目為參考，通過3Dmax軟件的合理應用，進行三維模型建模，完成相關場景建設，實現VR月球基地三維動畫設計。主要基于場景輪廓模擬與定位器應用實現數據采集;隨后展開線面建模和數字化建模，完成模型架構場景建設;通過紋理設計使模型達到預期材質的效果;經過多點設置等技術，完成動態場景設計;最終，通過模型渲染優化整體效果，完成三維模型構建。最終設計效果達到預期目標，充分展示了VR月球基地形態樣貌。綜上，本文主要針對三維模型構建中的設計要點以及問題處理展開論述，以期為后續同行開展該類項目提供實踐參考。

關鍵詞：3Dmax軟件 三維動畫 建模技術 三維模型構建

1 項目概況

近年來，中國為載人登月不斷加大投入，相關的準備工作也在如火如荼地開展中，人們對于了解月球的渴望也越發強烈。在此以構建VR月球基地三維動畫為實際案例，開展3Dmax的三維模型分析。

本宣傳片的制作通過VR技術真實地來模擬未來人類在月球生存狀況，主要從人類的吃、穿、住、行、能源、通信、科學實驗等諸多方面來進行表現。在項目的實施中，因為該場景的要求較高，需要從策劃、腳本、場景等多方面展開規劃，并將重點放在細節構建。

2 基于3Dmax的建模流程

2.1數據采集與導入

根據實際的需求，建立在目前已有的圖書、網絡等資料的基礎上，進行場景規劃。在此階段，確定好整個場景的基本布置之后，就可以根據場景輪廓來設定模擬數據，形成參數化的模型。在模型的創建中，通過定位器設定，精確地標定數據采集的點位，隨后通過定位器與傳感器在特定點位的設定實現數據的采集，而后將采集的數據傳輸至采集卡，經處理器計算優化后呈現出現基本輪廓。合理的點位標定設置是模型構建的基礎，只有數據精準才能保證建模結果不失真。

在建模軟件進行建模操作時，首要的是確立基準面，即基準坐標系，只有確立了基準的三維坐標才能進行定位，進而才能建立數字化建模。在工程實踐中，模型的建立包括事物點線面建模和數字化建模兩種，兩種各有利弊，本項目中進行了兩種技術的綜合應用。點線面建模較為直觀，操作者可直接進行點的定位，隨后在構建出線與面的基礎上進行拉伸、旋轉、掃描等建立結構體，缺點是模型構建不夠精確，難以保證特征點位置的精準度。數字化建模則主要根據空間的特征點坐標來建立模型的，特征點建模具有良好的定位性，點坐標的精確度也能保證物體的細節呈現。通過點線布局確立在數據的導入中是由點到線，再由線到面來構建的，進而在基礎的二維線框設計上，得到后續的單體模型架構。以下圖1是飛船內部線框架構示意圖。

2.2模型建立

模型架構場景上主要包括有：宇宙飛船內部、溫室蔬菜基地、充氣住艙等場景，還要設計出人類在月球生活中的單體模型。該單體模型將人和環境實現合理規劃的同時，還要表現出人在該環境中運動的路徑。由于單體模型大多是異形模型，異形模型是通過多曲面與復雜曲線來構建的，所以在線條構造上不可以使用軟件中的Rectangle，Line和andExtrude功能來進行框架構造，在復雜線段構造上也不可以通過樣點曲線來實現，在該項目中，采用的是軟件中的UnwrapUVW功能，來實現poly搭建的素模uv化的處理。通過輸入點數據來建立矢量模型，矢量模型建立的好處在于不會受模型放大而出現失真。在完成結構框架的基礎上，需要對結構進行渲染，這里主要采用ps貼圖的方式來進行，為節約時間，選擇在模型正面貼圖完成后，再進行反向貼圖處理，這樣有利于模型細節表現，對于不必要的場景降低了模型制作的復雜度，而加快場景渲染的建設速度，提高效率。

2.3紋理設計

紋理設計是在定好色調的基礎上而展開的，在3Dmax的應用中，紋理的設計是根據場景的需求而展開的，各個場景的紋理設計要考慮場景的材質，在對于各場景紋理設計展示上，主要是調用軟件材料庫中的多元來表現的。

在條紋設計上，月球上的巖石是代表性的表現物。在場景中，需要對場景進行條紋設計的內容有：月壤;斜長巖，該種巖石富含鉀、稀土和磷等;月海玄武巖。月壤是月球的土壤，也是月球場景渲染的基礎，材質為一定厚度的土狀混合物，且月壤的鋪排分布厚度不均勻。月壤的材質中，除了土之外，還包括微小的巖石顆粒，顆粒是由二氧化硅和一些含有色金屬的化合物構成，所以在材質渲染上應該結合顆粒的質感來進行。處理考慮材質，還應該結合月球的環境狀態，主要是太陽風的影響。為了更加逼真的展示場景特征，參閱資料可知月球土壤會長期處在風化狀態，所以土質就需要細致渲染。巖石呈現斜長狀并表現出較堅硬的質地，但玄武巖因本身特性，則要表現出氣孔多，不光滑的特征。

針對月球巖石的紋理設計進行具體操作分析：首先調出3D max中的材質球，參考文獻資料進行斜長巖和月海玄武巖顏色基色的調和。該項目利用falloff和黑白圖控制的方式確定玄武巖上孔洞位置和數量分布，隨后再經過bump和材質面板中的diaplacement處理，增加巖石表面的凹凸感細節表現。隨后，針對月壤質感問題進行處理，采取符合月壤的貼圖來進行鋪排，在貼圖要與模型結合中提前加上vraydisplace修改器，而后在修改器里面貼入前面月壤貼圖的黑白圖，經過上述處置，在參數和貼圖的調整混合后，就可以得到預期的月球材質。

2.4動畫設計

模型的建立不僅僅是靜止狀態的，動態場景也是整個系統架構中的核心內容。在此動畫設計的核心就是要在原有的場景里面的物體的動作綁定動畫。為完全按照實際來模擬月球車等交通工具的運動動作，動作建模過程中需要根據實際的運動狀態進行軌跡設計。在整個動畫的設計中，因為模型是裝配體，所以在運動設定上要表現出裝配體的聯動性，這種聯動性設置需要多點設置;此外，在月球礦區有很多挖掘機的運動動作設計也需要依賴多點設置技術。故而，在月球車和運輸車等交通工具設計時，通過madcar來模擬車在地面上行駛的效果，在該插件中通過多點設置來表現運動狀態，月球車的形狀為六邊形的地盤結構，所以在路徑規劃上更需要細節處理。根據月球的場景特點，多為山地地勢，在該項目中采用madcar插件制作交通工具運動動畫。交通工具是整個月球VR設計的核心，以下圖4就是以某交通工具內部觀測的運輸工具工作場景圖示。

此處以月球車為例展開撰寫。月球車的移動需要符合在月球實際狀況下進行，在本項目的操作上是在月球車的各運動自由度上綁定bone，對于月球車各關鍵的運動性組件調用了madcar的ObjectType里面的系列化插件實現動作，在動畫制作方面除了動作的處理之外，還包括方向，運動軌跡狀態等諸多內容。在各項自由度都進行定義之后，就可以通過電擊drvie按鍵來進行運動表現了，為表現運行動畫的精準性，可以通過按鍵盤A（left）表示左轉，D（right）表示右轉，W（throttle）表示熄火，PUP（fwd/bwd）表示前進等按鍵來及時地對車輛的運行狀態進行方位調控，在速度與方位不斷變化下，通過動畫測試可演示動畫最后呈現出的運行效果。

3 模型優化

模型優化包含的具體方向相對較多，目的是使整個模型更為逼真。在模型的優化過程中，需要對原有模型進行更多元的細節調整，主要涉及倒圓角，細節修改等等，模型修改的重要特點之一就是要對整個架構模型中不可見面的處理與修正，避免整個模型在表現上出現漏洞。

模型優化中還應該調整好Scale值，調整好Scale值是為觀眾提供最佳視角的基礎，在此狀況下進行合理優化是整個模型架構建設完成的重要基礎。在Scale優化的過程中也可結合模型的不可見面進行巧妙地優化，通過角度的選擇可規避不可見面設置的不充分，這樣可在很大程度上減少模型不可見面優化，所以設定好Scale值必要是可根據色彩定位來標定設置。

而在模型的渲染階段，需結合多層次色彩應用，不同色差的結合模型細節依據裝配關系來確定，突顯場景特征，使場景模擬更為真實。

4 問題處理

4.1坐標問題

導入基礎點坐標時，需要將常規三維空間坐標進行歸零處理，這樣在后續的增加坐標點過程中可方便點的計算與作圖，同時在模型架構上，會有大量坐標點位，若相關點發生錯位，在整體連接空間模型上，坐標模型均會發生錯位，不同模型的約束狀況不同，使得后期渲染和裝配也會較大差別。故而，提前規劃好相應的基礎坐標，使得后續在各分段模型定位上，可有序的將各點關鍵點有效地導入到3Dmax，提前處理好該模型的真實坐標標記，方便后期在模型修改時，可以將坐標更改回基本坐標值。

4.2閃面問題

閃面問題也是模型構建中的常見問題，閃面的出現將對整個畫面的品質造成很大影響。該問題的根源在于不同的面會相處在同一個位置，故而使整個結構呈現出兩個相同的面片重合的情景。通過刪除消除雙面重合的問題，進而來阻止閃面出現。

4.3貼圖問題

貼圖問題的核心是在于所貼圖形的紋理表現。紋理通常是通過手工處理的方式來實現的，即通過Photoshop處理相關圖形，而后將其統籌調配到對應的場景，但是未必就能與所建的模型完全符合，會出現紋理拉伸的情況。一般根據3Dmax中的UVW來移動貼圖的位置及所展開的數量，直到與實際的模型一樣為止。

5 建模效果

通過基于3Dmax進行三維模型構建，有效地實現了對宣傳片中所用到的場景加以表現，達到了預期的效果，形象生動得表現出了以VR月球基地三維動畫為例的實況場景，建模效果逼真且具科幻感，有效地吸引力參觀者的駐足觀看與鑒賞。在此建模過程中，根據現實圖景景象，清晰明了的表現出月球探測的神秘性與可視性，達到了寓教于樂的科學教育目的。建模效果的完美呈現，也為后續人們深入的探測分析月球，提供了形象的想象基礎。

6 結論

隨著社會經濟與航天工程的不斷推進，人們對于探月的渴望也在不斷提升，建模仿真成為了解日常難以接觸的事物的有效手段之一。在此通過3Dmax軟件的有效應用，通過技術建模、模型優化、問題處理三個階段實現月球基地探索三維動畫設計，最終呈現出了良好效果。期望本文的撰寫，可以為類似項目提供參考。

參考文獻

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