3D建模游戏开发.pdf

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1、 1 目录 摘要 3 3D Studio MAX 简介 4 3D MAX 建模的具体实施 6 3D MAX构建模型主要工作 7 3D MAX模型的构造方法 9 建模过程中的几个关键问题、技术的解决方案 12 3D MAX建模的虚拟现实技术在各领域的发展 14 渲染 15 总结 16 2 摘要：所谓三维设计就是利用电脑设计与创作，一产生真实的立体场景与动画。对 3DMAX 的接触才知道 3DMAX 是一个广泛应用于游戏开发、后期制造、影视特效及专业视觉设计领域的一款功能强大的三维设计软件，它是集专业建模、动画、渲染一体的三维解决方案。特别是 3DMAX 以其强大的功能卓越的表现力被广大电脑设计人

2、所亲睐，成为当今较热门的设计软件。关键词：3D 建模 游戏开发 3 3D Studio MAX 简介 3D MAX 是 Autodesk 公司下的一款 3 维动画软件，已经有十多年的历史了，在 3 维动画软件中这是一款非常成功的产品系列，也是具有跨时代的意义，在 3 维的高级建模中主要有 4 中，多变形建模、面片建模、网格建模、NURBS 建模，先画一个 3 维模型，选择高级建模 4 个中的一个，多边形建模主要通过点、边、面多边形，改变 3 维物体的形状，网格建模，面片建模都基本类似，在次级层中编辑改变的 3 维物体的形状大小曲面等来实现特定的效果。3D MAX 技术广泛应用于广告、影视、工业

3、设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的 3DMAX 被广泛地应用于电视及娱乐业中，比如片头动画和视频游戏的制作，深深扎根于玩家心中的劳拉角色形象就是 3DMAX 的杰作。在影视特效方面也有一定的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中，3DMAX 的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对 3DMAX 的掌握程度也有不同的要求，建筑方面的应用相对来说要局限性大一些，它只要求单帧的渲染效果和环境效果，只涉及到比较简单的动画；片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大，特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些；影视特效方面的应用则

4、把3DMAX的功能发挥到了极至。3D MAX 因其随时可以使用的基于模板的角色搭建系统、强大的建模和纹理制作工具包以及通过集成的 mental ray 软件提供的无限自由网络渲染而享誉世界。3D Studio MAX 提供的造型工具包括基本造型工具和高级造型工具。基本造型工具提供立方体，球体，半球体，圆柱体、圆管、圆环，椎体和多边形。高级造型工具可制作出山、水、波纹、波浪、颗粒及非规则形体，如：人体、植物等。三维形体可进行扭曲，弯曲，缩放，摇摆，角度变形，雕刻和锥孔等，3D Studio MAX提供丰富的材质和质感，并可对整个实体或部分实体进行颜色、明暗、色裹、反射，凹凸和透明度等进行编辑，可

5、通过设定物体、相机、光源和路径来制作动画。物体可进行变位、旋转、缩放、伸压等变形，光源可为环境光、泛光灯、聚光灯，并可设置任意多个相机的位置，方向和角度，也可进行灵活调整，具有动画实时预演功 4 能，以便及时观察物体效果。此外，3D Studio MAX 还支持很多特殊效果，如：淡入淡出，模糊，光晕，星光闪烁，雾雨，声等，利用这些特技处理，可产生超乎现实生产的变幻莫测的神奇效果。可以说 3DS MAX 是这次毕业设计中最理想的建模软件，它方便易学，建模效果优良，能够满足设计需要。所以本人将采用 3D MAX软件制做自动元件的各种元件的模型。本文主要介绍自动元件的建模部分。他不同于传统的建模方法

6、，它首先在 3D MAX 制图软件中绘制自动元件的模型，这样做既易于建模，而且模型生动，逼真。更为重要的是在虚拟现实中导人，操作方便。要想将整个设计过程说得清楚，有条理，就必须知道设计的目的，内容，实现手段。本次设计的目的是为了响应国家教育系统改革的号召，建设网络教学系统，完善教学形式。开发自动元件远程教学系统，为了配合系统研制，更形象的再现自动控制元件结构，工作原理和工作状况。运用三维软件建模，制作动画场景演示 5 3D MAX 建模的具体实施 1 数据收集 在数据收集过程中,应根据建设过程中对于建筑、环境等场景的要求不同,选择不同分辨率和精确度的数据和图片。2 获取布局图 提取的图纸资料包

7、括大比例尺航摄相片、地形图文件、建筑单体及规划的工程图纸文件。原始资料获得后,利用AutoCAD进行校正,将单个建筑物的轮廓线从摄取照片中提取，作为古镇模型的底图资料并且按照一定的比例把图片做成地形贴图,方便后面模型的建立。整理单个集合体的各种建筑尺寸备用。3 贴图资料 在虚拟现实系统中为了增加模型的逼真效果，通常把取自实际环境的数码照片作为纹理,另外部分图片要进行处理，让常用的图像处理软件比如Photoshop能够处理RGB或RGBA格式的文件,设定纹理图片的大小，要作为纹理的图片长度和宽度像素值均要设为2 的整数次幂，如256*128，否则模型在实时漫游中纹理可能发生扭曲变形。透明贴图用图

8、像处理软件处理透明贴图后得到。也可从其它资源获取现场拍摄不到的建筑或景观的纹理贴图内容包括建筑物、道路、水面、树木、草地、小品设施等。6 3D MAX构建模型主要工作 3D MAX 建模软件的使用非常广泛，具有可操作性强、功能强大、模型精细逼真、质感强等特点，缺点就是数据量大。利用 3D MAX 构建模型主要工作有：1 划分场景单元 在模型构建中，通常需要对真实场景进行划分，分成相对独立的几个单元。根据所涉及的实景场景，划分主要建筑物和其他次要建筑物，另外树木等小品也可以单独做考虑。2 主要建筑物建模 四个主要建筑物作为场景的核心景点，模型质量要求较高，要有一定的逼真度。因此往往需要使用3DS

9、 MAX软件的Extrude、Mirror、Bevel、Loft、Edit Spline等等命令。比如在大宗祠的建模中，宗祠的横梁、柱基等等就较多的使用了Extrude、Edit Spline命令。另外，为了减少模型的面片和数据量，在保证模型一定精细度的情况下要尽量减少这些命令的Segment、Sides或Steps值，同时，尽可能的使用纹理映射提高模型逼真度。3 次要建筑物建模 次要建筑物模型质量要求不高，可以使用简单几何体和纹理映射来完成。4 注意事项 要想在 3D MAX 中建立模型，并将 3D MAX 模型转换为仿真驱动的OpenFlight 模型并且能够使用，在 Max 中建模时我们

10、必须注意以下几点：（1）在作图之前首先要确定所用的单位是毫米，最好能将可撤销步数调到 500步。（2）避免不兼容的情况。在本方法中，需要先使用3DSMAX建立模型再导入到MultiGenCreator中进行处理，但是3D MAX做为一个功能强大的建模软件，有些指令在MultiGenCreator是无法得到识别和支持的，比如复杂的纹理合成、reference参数等等。为了保证前面建立模型在后面得到较好读取，应该避免使用这些指令，或者在模型导入到MultiGenCreator后使用类似的指令。7 （3）尽量使用简单方式。建立的模型要尽量采用比较简易的Box、Shape等来表现，不要使用NURBS、

11、polygon、patch建模方式建模。建议在3dmax中多采用Shape加其它命令的方式来建立模型。（4）在保证模型质量的情况下尽量减少精细度。比如在使用Shape中的Line建立模型时要尽量将Interpolation选项中的Steps值设置到最小的程度，一般设到13即可满足要求，Steps值过高会极大的增加转换后的模型面片数。8 3D MAX模型的构造方法 VR 系统要求实时动态逼真地模拟环境,考虑到硬件的限制和虚拟现实系统的实时性的要求,VR 系统的建模与以造型为主的动画建模方法有着显著的不同,VR的建模大都采用模型分割、纹理映射等技术。3DSMAX 建模软件的使用非常广泛，具有可操作

12、性强、功能强大、模型精细逼真、质感强等特点，目前 VR 中的虚拟场景的构造主要有以下途径：基于模型的方法和 IBR（基于图像的绘制）方法两种。这两种方法都可以在 3DS MAX 中加以实现和验证，下面具体展开加以说明。3D MAX的几何建模方法（1）多边形建模。多边形建模技术是最早采用的一种建模技术，它的思想很简单，就是用小平面来模拟曲面，从而制作出各种形状的三维物体，小平面可以是三角形、矩形或其他多边形但实际中多是三角形或矩形。使用多边形建模可以通过直接创建基本的几何体，再根据要求采用修改器调整物体形状或通过使用放样、曲面片造型、组合物体来制作虚拟现实作品。多边形建模的主要优点是简单、方便和

13、快速但它难于生成光滑的曲面，故而多边形建模技术适合于构造具有规则形状的物体，如大部分的人造物体，同时可根据虚拟现实系统的要求，仅仅通过调整所建立模型的参数就可以获得不同分辨率的模型，以适应虚拟场景实时显示的需要。（2）NURBS 建模。NURBS 是 Non-Uniform Rational B-Splines（非均匀有理 B样条曲线）的缩写，它纯粹是计算机图形学的一个数学概念。NURBS 建模技术是最近 4 年来三维动画最主要的建模方法之一，特别适合于创建光滑的、复杂的模型,而且在应用的广泛性和模型的细节逼真性方面具有其他技术无可比拟的优势。但由于 NURBS 建模必须使用曲面片作为其基本的

14、建模单元，所以它也有以下局限性：NURBS 曲面只有有限的几种拓扑结构，导致它很难制作拓扑结构很复杂的物体(例如带空洞的物体)；NURBS 曲面片的基本结构是网格状的,若模型比较复杂,会导致控制点急剧增加而难于控制;构造复杂模型时经常需要裁剪曲面,但大量裁剪容易导致计算错误;NURBS 技术很难构造“带有分枝的”物体。9 （3）细分曲面技术。细分曲面技术是 1998 年才引入的三维建模方法，它解决了 NURBS 技术在建立曲面时面临的困难，它使用任意多面体作为控制网格，然后自动根据控制网格来生成平滑的曲面。细分曲面技术的网格可以是任意形状，因而可以很容易地构造出各种拓扑结构，并始终保持整个曲面

15、的光滑性。细分曲面技术的另一个重要特点是“细分”，就是只在物体的局部增加细节，而不必增加整个物体的复杂程度，同时还能维持增加了细节的物体的光滑性。但由于细分曲面技术是一种刚出现不久的技术，3D Studio MAX R3 对它的支持还显得稚嫩，还不能完成一些十分复杂的模型创作。有了以上 3D MAX 几种建模方法的认识，就可以在为虚拟现实系统制作相应模型前,根据虚拟现实系统的要求选取合适的建模途径,多快好省地完成虚拟现实的作品的制作。在虚拟现实作品制作的时候应当遵循一个原则:在能够保证视觉效果的前提下，尽量采用比较简单的模型，而且若能够用参数化方法构建的对象尽量用参数化方法构建，同时，在模型创

16、作过程中，对模型进行分割，分别建模，以利于在虚拟现实系统中进行操作和考察。对于复杂对象的运动或原理演示,我们可以预先将对象的运动和说明做成动画存为 avi 文件,然后等待 VR 系统合适的触发事件,播放该 avi 文件即可。基于图像的绘制方法 传统图形绘制技术均是面向景物几何而设计的，因而绘制过程涉及到复杂的建模、消隐和光亮度计算。尽管通过可见性预计算技术及场景几何简化技术可大大减少需处理景物的面片数目，但对高度复杂的场景，现有的计算机硬件仍无法实时绘制简化后的场景几何。因而我们面临的一个重要问题是如何在具有普通计算能力的计算机上实现真实感图形的实时绘制。IBR 技术就是为实现这一目标而设计的

17、一种全新的图形绘制方式。该技术基于一些预先生成的图像(或环境映照)来生成不同视点的场景画面，与传统绘制技术相比，它有着鲜明的特点：（1）图形绘制独立于场景复杂性，仅与所要生成画面的分辨率有关。10（2）预先存储的图像(或环境映照)既可以是计算机合成的，亦可以是实际拍摄的画面，而且两者可以混合使用。（3）该绘制技术对计算资源的要求不高，因而可以在普通工作站和个人计算机上实现复杂场景的实时显示。由于每一帧场景画面都只描述了给定视点沿某一特定视线方向观察场景的结果，并不是从图像中恢复几何或光学景象模型，为了摆脱单帧画面视域的局限性，我们可在一给定视点处拍摄或通过计算得到其沿所有方向的图像，并将它们拼

18、接成一张全景图像。为使用户能在场景中漫游，我们需要建立场景在不同位置处的全景图，继而通过视图插值或变形来获得临近视点的对应的视图。IBR 技术是新兴的研究领域，它将改变人们对计算机图形学的传统认识，从而使计算机图形学获得更加广泛的应用。11 建模过程中的几个关键问题和解决办法 3D MAX在虚拟现实建模中的关键问题（1）基本建模方面。虽然通过 3D MAX 能实现模型精细，效果美好的模型，但整个工程的数据量是惊人的，另外 3D MAX 存在于其他软件结合的问题，有鉴于此，为了解决两者兼容问题，3D MAX 建模中应尽量使用简单命令。为了解决数据量问题，模型在不影响整个虚拟城市质量的前提下应尽可

19、能简单。（2）纹理贴图方面。在模型中，纹理是影响数据量的重要因素。纹理的大小直接关系到文件的渲染速度和整个数据量大小。因此，在处理贴图时，应将纹理尺寸（在不影响模型外观的前提下）调整到尽可能小。在特定情况下，可在 3D MAX 中调整。建模过程中的几个关键技术的解决办法（1）数据的读取。模型导出数据文件时需要考虑几点:精度各类信息不丢失;便于导入模块的处理。在这里,数据的读取的做法是先在 3D MAX 中将模型用 Export 工具导出为 3DS 文件格式,然后进行数据读取。这里存在的问题是书格式转换后模型出现多余面的处理,在这里我们采用面合并和顶点合并的方法合并在同一个面上的小面和距离较小的

20、顶点。（2）运用实时生成一定详细程度的三维场景的LOD(Level of Detail)技术,即细节层次模型小型的场景容易实现流畅的实时漫游,但对于过于复杂的大型甚至巨大型的场景,如果对所有模型在任何时候(近景、远景或被阻挡)都进行同样的计算量,那显然是会极大地影响实时漫游的流畅性,此时运用 LOD 技术可实现在不同层次、不同视觉条件下,采用不同精细程度的模型来表示同一物体,以提高场景的显示速度,实现实时、交互。也就是说,为每个物体都手工建立繁简不同的模型,当物体离视点远时就调用相对简单的模型,而近距离观察时调用相对复杂的模型(这样可以在逼真性和速度之间达到均衡)因此需设定若干个(35)层次(

21、每个层次的适用范围是动态分配且有交集的)。12 （3）对部分模型采用 DOF(Degree of Freedom)技术,即自由度。虚拟世界既需要动态的也需要静态的模型,例如人物和车辆应当具有运动的能力,这些属性的定义和构建必须借助DOF 来实现。自由度(DOF)是一种节点,可以把这种节点插入数据库以使这个节点以下的几何体运动,然后定义本地坐标系,使它所控制的几何体围绕坐标轴运动。DOF 其实代表了一个独立的定位缓冲系统,通过对它的对话框和窗口属性的设置,能够定义调整在旋转、缩放、平移等运动过程中在每一个坐标轴上的自由度。从而在一定的限度内作往复运动而形成动态的动作。（4）建立一个好的层次结构库

22、由于建立的模型库是由3DSMAX 格式转换后的模型和 Creator 中建立的模型的共同组合,因此有必要进行模型库的调整,建立一个有序的、有条理的层次结的做法是先在 3DSMAX 中将模型用 Export 工具导出为3DS 文件格式,然后进行数据读取。这里存在的问题是书格式转换后模型出现多余面的处理,在这里我们采用面合并和顶点合并的方法合并在同一个面上的小面和距离较小的顶点。13 3D MAX建模的虚拟现实技术在各领域的发展 3D MAX 在虚拟现实领域中占有相当大的地位。游戏、城市规划项目、房地产规划项目中 3D MAX 的虚拟效果都成为首选的考虑。3D 虚拟技术能使用户自由地在场景中走动，

23、并且可以 360 度任意观看各个方向的场景全面的三维信息，因而更直观，信息更完整，功能也更加丰富，极大的提高了效率。广泛用于各行业和部门，如：国土资源、水利、交通、农林、环保、数字城市等。3D MAX 建模是时下各种虚拟现实应用技术的基础,越来越受到人们的关注虚拟现实也在旅游、游戏、航空航天、医学等多种行业都发展得很快。相信在不远的将来，对于现实生活中可见信息，在虚拟现实系统可完全再现，并突破时间，空间的限制，展示现实生活的过去，现在和未来。14 渲染 渲染，是指根据场景的设置、赋予物体的材质和贴图、灯光等，由程序绘出一幅完整的画面或一段动画。三维动画必须渲染才能输出，造型的最终目的是得到静态

24、或动画效果图，而这些都需要渲染才能完成。渲染是由渲染器完成，渲染器有线扫描方式(Linescan如 3dsMAX内建的)、光线跟踪方式(Raytracing)以及辐射度渲染方式(如 Lightscape渲染软件)等，其渲染质量依次递增，但所需时间也相应增加。较好的渲染器有 Softimage公司的 MetalRay和 Pixal公司的 RenderMan(Maya软件也支持 RenderMan渲染输出)。通常输出为 AVI类的视频文件。所以本例使用了 Softimage公司的 MetalRay这个渲染技巧。VRay是一款小巧而功能强大的渲染器，在 3D 中以插件的方式安装和使用。柔和的面阴影、

25、准确快速的接近真实的反射效果使 Vray成为大家喜欢的渲染器，是渲染各个设计领域的良好选择。我们在短片的制作过程中发现 VR 的速度效果确实是不错的，而且要很快学习起来也不难，因为其参数调节小，简单，所以很多无基础的人也会选择它。详细资料将在附录中呈现给大家。15 总结 总体的来说电脑 3D 建模当中，重要的是深入研究运动控制、角色设定和渲染技术。因为物体的运动要遵循一定的运动定律，比如表现一个球的弹跳，水流的波动，都有一定的物理模型，要符合一定的物理规律。如果由电脑通过计算来完成，会使运动变得自然而逼真。这种技术现在还没有完全进入大规模实用阶段，因为有关模型的理论还在完善中，但这将是未来发展的趋势。一个成功的动画角色设计，体现了一个三维艺术家的才华，修养，以及他的价值观和审美观；好的剧本和角色设计是影片的灵魂线索，也是整个影片增辉添色的重要组成部分。动画三维技术和变现手法深刻的影响着短片动画带给广大观众的感受，概念设计由此也介入了高品质动画的研发过程并且举足轻重。如今的家用机的发展日新月异，三维动画凭借着高性能机能的推动，把观众引领到一个拥有真实“体感”世界，多层次的极具真实感的画面