三维可视化与虚拟仿真

三维可视化与虚拟仿真

姓名：任伟杰

班级：测绘111班

学号：5

任课老师：陈杰

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时间：2014-06-13

内容摘要

三维动画是指使用电脑软件制作出的立体虚拟影像，又称3D动画，是近年来随着计算机技术的迅猛发展而产生的一项新兴技术。在3D技术日趋成熟的今天，3D动画已广泛应用于日常生活中的各行各业，如建筑，室内设计，影视动画，游戏动画等。而因应这一技术而诞生的一款功能强大的3D制作软件，它就是3Ds max，随着该软件版本的不断更新升级，在软件内部算法和功能上与低版本比较有了明显的提高，使它成为了一个巨大的三维动画创作平台。

由于3DsMAX的出现，这几年做三维和学三维的人日益增多，三维动画的制作已不再是大电影厂和专业影视制作公司的垄断的专利，三维平台的趋势已由高端过渡到低端。本文将通过对3D动画短片的制作过程的详细的介绍，其中主要介绍在3Dsmax中街道动画的制作，从而了解基本的动画制作知识，掌握运用3ds max进行动画创作的技巧。

目录

一对于三维动画设计的认知 (4)

（一）什么是三维动画 (4)

（二）三维动画发展史 (4)

（三）使3D Max 制作三维动画的优势 (5)

二三维动画的具体制作方法 (7)

（一）前期准备 (7)

（二）片段的制作 (8)

（三）后期制作 (10)

（四）三维动画短片实例制作分析 (10)

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三三维动画的发展前景 ..................................................... 错误！未定义书签。四总结.............................................................................. 错误！未定义书签。五致谢. (17)

一对于三维动画设计的认知

（一）什么是三维动画

三维动画是指通过使用电脑软件制作出的立体虚拟影像，又称之为3D动画，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一项新技术。它是摄影艺术、布景设计，及舞台灯光的合理布置等等的各种艺术与技术的集合体。与此同时三维动画的设计制作需要更多的艺术功底和创造力。一个好的三维动画，它除了要求制作者要有较好的空间感与艺术感外，还有就是必须能够很好的运用各种三维动画的制作软件。因此三维动画的设计与制作是一个涉及范围很广的技术，也可以说它就是一件艺术和技术紧密相结合的工作。所以在以前就只有专业的三维动画制作者才能够制作的出来。

（二）三维动画发展史

综观三维动画的发展历程，从1995年的初始阶段到2004年开始的全盛时期三维平台的趋势由高端过渡到低端，不再需要几十万的工作站，一般家庭电脑就可以做出专业的三维作品，三维动画制作的收费也日趋合理，想当年20000块/秒

的天价（广告级标版）到现在500元/秒都有人做，三维建筑、室内效果图也下降了很多，想靠做三维发大财已成为虚拟的幻境。国内电影业不景气，外国大片的冲击，如何有效率地提高国人的创作、制作水平和规范制作准则是摆在我们同行面前的不容轻视的课题。

三维动画作为电脑美术的一个分支，是建立在动画艺术和电脑软硬件技术发展基础上而形成的一种相对的独立新型的艺术形式。早期主要应用于军事领域。直到70年代后期，随着PC机的出现，计算机图形学才逐步拓展到诸如平面设计、服装设计、建筑装潢等领域。80年代，随着电脑软硬件的进一步发展，计算机图形处理技术的应用得到了空前的发展，电脑美术作为一个独立学科真正开走上了迅猛发展之路。

然而自1995年由迪斯尼发行的《玩具总动员》上映，这部纯三维制作的动画片取得了巨大的成功。三维动画迅速取代传统动画成为最卖座的动画片种。迪斯尼公司在其后发行的《玩具总动员2》、《恐龙》、《怪物公司》、《虫虫特工队》都取得了巨大成功。另外,梦工厂发行的《蚁哥雄兵》《怪物史瑞克》等三维动画片，也获得了巨大的商业成功。三维动画在电影中的运用更是神乎其技！《蜘蛛侠》、《泰坦尼克号》、《终结者》、《魔界》......可以说电影已经不能离开三维动画的参与了！

（三）使3D Max 制作三维动画的优势

现今三维动画的运用可以说无处不在，网页、建筑效果图、建筑浏览、影视片头、MTV、电视栏目、电影、科研、电脑游戏。在今天，电脑的功能愈来愈强大，以至我们不仅可以看到地方电视台的栏目包装及广告中充满电脑动画特技，

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更有不少电脑爱好者在自己的个人电脑上玩起了动画制作。由于3D动画被广泛应用在诸多领域中，因此制作软件也大量的涌现出来。

三维软件是利用电脑制作几何模型的软件。最先只能在专业图形工作站上使用，随着PC机的飞速发展和普及，三维动画软件也纷纷被移植到PC机上。在DOS时代，美国Autodesk公司的3DS三维动画软件几乎垄断了PC机三维动画的市场。

1994年Microsoft用1．3亿美元收购Softimage公司，1995年推出基于NT 平台的SOFTIMAGE3D3．0版本，激荡了三维动画领域。迫于压力，为了维护3DS在三维动画领域的霸主地位，1996年，Kinetix公司推出3DS的Windows NT版本3DSMAX1．0。这个版本在操作界面、组织结构和功能上都有质的飞跃，获得了巨大的成功。

1998年，Maya、Alias、Houdini相继在NT平台上出现。同年，Autodesk 公司奋起迎击，推出偏重于建筑设计的3DSMAXVIZ版本，该版本实际是在3DSMAX的基础上进行一些增减，增加一些与建筑有关的模块，删去一些动画功能。

随着三维软件应用的迅速普及，小型三维软件也如雨后春笋般涌现出来。

那么我们又该如何去选择制作软件呢？对于不同的软件它的使用方向，是有不同的侧重点的。就我们所知的最常用来制作三维动画的两款制作软件Maya与3Dsmax来说，在影视三维动画与角色动画的制作中Maya的功能比3ds max较为强大，但却还是有很多人选择使用3Dsmax来制作动画而不是使用Maya。那是

因为3Dsmax它除了能较好的制作影视方面的三维动画外，还在其它领域的三维动画制作中也有着一定的优势，如工业产品的演示动画、游戏动画、模拟动画（植物的生长过程、化学反应过程等）等方面的动画都可以使用3Dsmax来制作，而且其操作过程较Maya来的简单与便捷。再加上在2010年Autodesk公司新发布的3Dsmax2011在三维动画制作方面也有比较大的突破。新版3Dsmax2011充分发挥了硬件的性能，新的多线程渲染引擎充分利用多核CPU和GPU 的性能，以得到更快和更好的渲染速度和质量。这使得使用3Dsmax的用户将更加的多，学习资源也将更加的丰富，以至于很多热爱CG动画的爱好者们可以利用3Ds Max 来制作自己的动画小短片。

二三维动画的具体制作方法

在我们选择好了制作软件后，又该如何去制作三维动画呢？虽然制作3D动画的方法有很多，但是基本的制作步骤都是一样的。

（一）前期准备

在制作三维动画之前我们要先明确动画故事的主旨，这是非常重要的。一部优秀的动画不管它是2D动画还是3D动画，剧情都是它们的重要方面，可以说拥有了一个好的剧情就等于成功了一半。所以对于任何一个优秀的三维动画作品来说突出、鲜明的主题，就是吸引人的地方，其次就是人物与场景的精美程度了。因此我们在制作三维动画前要先详细地构思好动画的剧情、符合故事情节的人物造型与能够体现出人物特征的生动动作。

再来就是绘制分镜头草图了，绘制草图就是将构思进一步视觉化的重要一步。

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这体现了制作者的创作设想和艺术风格，分镜头草图是由图画加文字组成的，其表达的内容包括镜头的类别和运动、人物与场景的构图和光影、运动方式和时间、音乐与音效等。其中每个图画都代表着一个镜头，使用文字来说明镜头的长度、人物台词及动作等内容。

在人物设计初期，需要在纸上画出人物的大概形态，包括人物或动物的外型与动作设计、器物造型等设计，造型设计的要求比较严格，包括标准造型、转面图、结构图、比例图、道具服装分解图等，通过角色的典型动作设计(如几幅带有情绪的角色动作体现角色的性格和典型动作)，并且附以文字说明来实现。超越建筑多媒体提倡造型可适当夸张、要突出角色特征，运动合乎规律。若在制作的过程中无法想象出人物在运动过程中的状态时也需要进行纸上创作，然后再进行绘制。

其中场景是整个动画片中景物和环境的来源，在比较严谨的场景设计中要绘制的包括平面图、结构分解图、色彩气氛图等，通常用一幅图来表达。

（二）片段的制作

在准备工作都完成之后，接下来就是创建模型了。建模，是制作者根据前期的造型设计，通过三维建模软件在计算机中绘制出角色模型。这是三维动画中很繁重的一项工作，需要出场的角色和在场景中会出现的物体都要建模。建模的灵魂是创意，核心是构思，源泉是美术素养。但是开始建模时，应该注意要在表现出必要细节的前提下尽量地减少场景的复杂度，这样才不会因为占用太多的系统资源，而导致程序的崩溃。

接着就是对材质贴图与灯光进行设置了。材质即材料的质地，就是给模型赋予生动的表面特性，具体体现在物体的颜色、透明度、反光度、反光强度、自发光及粗糙程度等特性上。贴图是指把二维图片通过软件的计算贴到三维模型上，形成表面细节和结构。对具体的图片要贴到特定的位置，三维软件使用了贴图坐标的概念。一般有平面、柱体和球体等贴图方式，分别对应于不同的需求，使模型的材质与贴图要与现实生活中的对象属性相一致。

灯光的设置，目的是最大限度地模拟自然界的光线类型和人工光线类型。在三维软件中的灯光一般有泛光灯(如太阳、蜡烛等四面发射光线的光源)和方向灯(如探照灯、电筒等有照明方向的光源)。灯光起着照明场景、投射阴影及增添氛围的作用。通常采用三光源设置法：一个主灯，一个补灯和一个背灯。主灯是基本光源，其亮度最高，主灯决定光线的方向，角色的阴影主要由主灯产生，通常放在正面的3/4处即角色正面左边或右面45度处。补灯的作用是柔和主灯产生的阴影，特别是面部区域，常放置在靠近摄影机的位置。背灯的作用是加强主体角色及显现其轮廓，使主体角色从背景中突显出来，背景灯通常放置在背面的3/4处。

材质贴图和灯光与渲染的好坏是紧密相连的，由于每种软件的技术与硬件配置需求不同，因此我们应该视乎自己计算机的软、硬件配置来对模型进行材质编辑。

再之后就是对动画进行调节了，动画的调节相对来说要难一些，我们要根据分镜头草图与动作设计，运用已设计的造型在三维动画制作软件中制作出一个个动画片段。动作与画面的变化通过关键帧来实现，设定动画的主要画面为关键帧，关键帧之间的过渡由计算机来完成。三维软件大都将动画信息以动画曲线来表示。

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动画曲线的横轴是时间(帧)，竖轴是动画值，可以从动画曲线上看出动画设置的快慢急缓、上下跳跃。如3DSMax的动画曲线编辑器。三维动画的动是一门技术，其中人物说话的口型变化、喜怒哀乐的表情、走路动作等，都要符合自然规律，制作要尽可能细腻、逼真，因此动画师要专门研究各种事物的运动规律。如果需要，可参考声音的变化来制作动画，如根据讲话的声音制作讲话的口型变化，使动作与声音协调。对于人的动作变化，系统提供了骨骼工具，通过蒙皮技术，将模型与骨骼绑定，易产生合乎人的运动规律的动作。

（三）后期制作

最后就是特效的制作与动画的渲染了，进行动画的输出时，主要在渲染质量和渲染时间两者间平衡好。在3D动画中大部分的特技效果都是渲染之后再在合成软件中进行合成的，这样既节省时间和成本，又可以得到比较好的效果。

然而我们常常在制作动画之前都很容易会忽略了对动画剧情的构建，都是一开始就直接进行角色或场景的建模，但就如上面所说的在制作任何一个动画之前都要对动画的剧情、人物进行详细的构思，这样子制作时才会事半功倍，否则就会事倍功半。因此我们在每次制作动画之前都应该认真的进行动画剧情的构想，之后再进行角色与场景的建模。

（四）三维动画短片实例制作分析

1、建筑建模

建筑模型的创建方法很多，包括多边形建模与nurbs曲线建模，在3Dsmax

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中，由于对nurbs 的支持并不完美，在制作复杂模型时从操作方式上不能很好地体现出nurbs 的优点，因此使用3Dsmax 建造复杂模型是也多是使用多边形建模。那建筑的模型是如何创建呢？由于建筑的对称性，所以在建模时都是使用对称法做的。下面就让我们来看看使用多边形建模法是如何创建出建筑的。

（1） 科学城建模是根据全国最新技术激光雷达经过航拍得到科学城正射影像

和激光点云经过pos 得到如图

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图1

（2） 经过先前激光点云制作成盘在导入cad 中创建3维建筑模型如图2图3。

图2

图3

（2）做好以上工作后吧cad模型导入到3dmax中进行贴图就形成了和现实很接

近的虚拟建筑了如图4所示：

图4

（3）虽然除了这种方法外，我们还能使用nurbs曲线来制作，但由于使用Nurbs 曲线需要制作者有比较好物理数学知识，因此并不适合初学者使用。即使多边形建模比较麻烦但由于它易于操作，就算是初学者也能很好的制作出建筑的模型。

2、街道动画制作

（1）摄像机是街道动画是很重要的环节是确定动画效果的关键，根据下面我们看看是怎样为场景打摄像机的。

1）在max场景中选好场景视角放入一部摄像机，在摄像机要经过的虚拟地

面画线描点来创建摄像机运动路径（注意：摄像机路径一般是两条）。如

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图5

图5

2）max中动画有很多种创建方法，如路径约束、轨迹动画等，下面我们就用路劲约束来制作动画，创建好路径和摄像机，我们先打开如图6所示的路劲约束来创建场景中的摄像机动画。如果发现摄像机抖动，我们应该查看摄像机视点动画速度和参数，具体参数是多少没有明确的数字，只有一步一步的调试直到得到想要的效果。

图6

（2）场景中动画制作如汽车动画制作

1）同理我们为汽车制作动画时应该为它在场景中创建路径。如图7所示：

图7

2）当汽车路径创建好之后我们来创建汽车的路径约束动画如图8所示

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图8 3、整体截图如图所示：

图6

三三维动画的发展前景

尽管中国动画业目前尚与世界水平有较大差距，但作为新世纪的朝阳产业，中国的本土动画制作从未放弃过努力，尤其在3D动画领域，佳作不断，呈现了一派欣欣向荣的蓬勃发展景象。虽然国内不少动画企业都已经掌握了先进的MOTIONCAPTURE机器（三维动作捕捉器），但是在如何让动作流利、细节生动、短期内大量制作方面都存在弊端，所以这也使得国内在3D动画方面几乎空白一片，而灵彩数码制作过国内最早播映的三维动画片《反斗天庭》，填补了这一空白。我们有理由相信，随着我们国家经济、文化、科技的不断发展，以及动画产业市场的不断成熟，并伴随着众多热爱动画的专业人士的不断努力，中国的动画业必将迎来另一个新的高峰。

四总结

通过上述3D动画的制作与分析，我们可以清楚的认识到三维动画技术的复杂性，可以说就连最优秀的3D设计师也不大可能精通三维动画的所有方面，所以热爱CG动画的爱好者们虽然可以利用3Dsmax来制作动画小短片，但想要制作出好的3D动画还是存在着一定的难度。

从上面的例子可以看出，往往一部好的三维动画，除了需要制作者有很好的软件操作能力、创新能力与优秀的空间感觉，更重要的是要有很强的团队合作意识。而随着我国计算机技术在三维动画制作方面的日益成熟，三维动画的制作会更加的简单，分工也会更加的明确细致。而通过丰富的想象力和创造力创作出来

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的动画片既是对文化的传承,也是对传统的发展和创造。

五致谢

在论文完成之际，无论是在论文的选题和资料的收集方面，还是在论文的构思与内容的整合方面，我都经过认真思考，审核完成的。最后感谢高老师对我的指导，在毕业设计中他给予了我细致的辅导和有意的修改意见。特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。