三维动画开发——材质贴图研究---毕业论文

本 科 毕 业 论 文三维动画开发 -材质贴图研究3D-Animation Developing -Researching To Material And Mapping姓 名： 学 号： 学院：软件学院系：软件工程专 业：软件工程年 级：指导教师： 年 月摘要三维动画产业在国内发展迅速，各种新技术、新创意层出不穷，市场前景非常广阔。海域征途讲述了一个人类在外太空生活所发生的故事，宣传了环境保护的观点，呼吁保护我们生存的地球，采用Maya技术进行动画开发，受众广泛。本次开发任务分为骨骼、建模、分镜脚本、场景以及材质等几部分，按小组分工合作，材质与贴图部分，全部使用Maya进行开发。本文按照研究开发的流程进行了详细论述。引言简要描述项目起源、自主开发制作的意义和使用的工具。并且介绍了开发流程以及作者负责的工作。项目的前期设计。确定动画的剧本以后，由其余小组的成员开发模型，制作场景，并移交模型给我们。介绍了在进行制作和渲染过程中用到的理论知识，包括物理学和计算机图形学方面的内容。接下来是具体材质的详细设计。该部分详细描述了各个模型所需要的材质种类和套色，结合Photoshop，按照Maya材质的制作流程进行开发。最后是对整个项目的总结与展望。关键词：Maya；材质；场景AbstractThree-dimensional animation industry has developed rapidly in China; all kinds of new technologies, new ideas and styles, market prospects are very broad. The long march in ocean tells the story of a sea journey of human life in outer space, the story of what happened to promote the environmental protection point of view, called for the protection of our survival on Earth; we use Maya animation technology for the development of a broad audience. The task is divided into skeletal development, modeling, sub-mirror script, and materials, such as the scene of several parts, in accordance with Sub-division of labor, materials and textures of all developed using Maya. In this paper, we designed the research and development in accordance with the process discussed in detail. The part showed the origin of the introduction of a brief description of the project, the significance of self-development and use of production tools. I also introduced the developing process, as well as the work of the author. This part is the early stage of the design. After the animation script to determine from the rest of the development of model group, the production scene, and the transfer model to us. Following is the introduced during the course of production and rendering of the theoretical knowledge to use, including the physics and computer graphics areas. The next is the detailed design of specific materials. Part of a detailed description of the various models of the materials needed for the type and color, combined with Photoshop, the production of materials in accordance with the Maya development process. Finally, there is a summary of the entire project and prospects.Key words: Maya; Materials; Scene 目 录第一章 引言11.1 三维动画11.2 MAYA概述11.3 MAYA应用研究31.4 三维动画开发流程61.4.1前期制作71.4.2动画片段制作71.4.3后期合成7第二章 前期设计92.1 工作环境92.1.1 软件环境92.1.2 硬件环境92.2 创建模型92.2.1图腾建模92.2.2广场建模102.2.3角色建模112.2.4海洋世界建模122.2.5海底世界122.3 创建材质132.3.1材质节点132.3.2贴图172.3.3灯光18第三章 物理原理203.1 物体次表面散射现象产生原理203.2 Maya控件原理20第四章 详细设计224.1 场景：图腾柱224.1.1 说明224.1.2 灯光234.1.3 材质254.2 场景：村落广场274.2.1 说明274.2.2 灯光284.2.3 材质294.3 模型：女战士354.3.1 说明354.3.2 灯光364.3.3 材质374.3.4 贴图38第五章 总结与展望415.1 总结415.2 展望41致 谢43参考文献45附 录47ContentsChapter1 Introduction11.1 3D animation11.2 MAYA introduction11.3 MAYA useing31.4 3D animation flow61.4.1prophase facture71.4.2seqment facture71.4.3anaphase compose8 Chapter2 Prophase design92.1 Working environment92.1.1 sofetware environment92.1.2 hardware encironment92.2 Creat Model92.2.1totem modeling92.2.2square modeling102.2.3role modeling112.2.4ocean world modeling122.2.5seabed world modeling122.3 Creat Material132.3.1material mode132.3.2mapping172.3.3lamplight18Chapter3 Physics principium203.1 subsurface scattering principium203.2 Maya widget principium20Chapter4 Particular design224.1 scene：totem pole224.1.1 introduce224.1.2 lamplight234.1.3 material254.2 scene：village square274.2.1 introduce274.2.2 lamplight284.2.3 material294.3 model：soldier354.3.1 introduce354.3.2 lamplight364.3.3 material374.3.4 mapping38Chapter5 Summarize and view415.1 summarize415.2 view41Thanks43Consult literatures45Appendix47第一章 引言第一章 引言1.1 三维动画三维动画，又称3D动画，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的新兴技术。三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，最后按要求为模型贴上特定的材质，并打上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面。能够完成实拍不能完成的镜头，制作不受天气等因素影响，可修改性强，质量要求更易受到控制，能按照设计师的思路对现实中不存在的事物进行创作加工。摄像机、灯光和场景都可以虚拟实现。三维动画分为三个发展阶段：1995-2000是第一阶段，三维动画初现端倪，这个领域的代表公司是皮克斯迪斯尼；2001-2003是第二阶段，三维动画在世界各国政府扶持下迅猛发展，竞争也趋于白热化；2004-至今是第三阶段，三维动画进入全盛时期，各大动画巨头为争夺市场份额，投入极大，出现了一大批的优秀作品，比如说冰河世纪怪物史莱克等。1中国的三维动画起步晚，设备差，但是最近一个时期发展迅速，在内地软件园建成了多个动漫研发基地，为行业的崛起奠定了基础。不可否认的是中国三维动画还有很长的路要走，结合国情，合理利用国外先进技术与设备是中国动画人应该走的终南捷径。1.2 MAYA概述Maya是目前世界上最为优秀的三维动画的制作软件之一，是相当高尖而且复杂的三维电脑动画软件，它是Alias公司在1998年才推出的三维制作软件。2005年10月4日，生产3D Studio Max的Autodesk(欧特克)软件公司宣布正式以1.82亿美元收购生产Maya的Alias。所以Maya现在是Autodesk的软件产品。Maya被广泛用于电影、电视、广告、电脑游戏和电视游戏等的数位特效创作。曾获美国电影艺术与科学学院奖、奥斯卡科学技术贡献奖等殊荣。 Maya包括的模块如表1-1所示：表1-1：Maya模块Fur可用画笔超乎想象地完成短发及皮毛的写实造型及渲染Match Moving用Maya 制作的三维元素准确地匹配原始拍摄素材Advance Modeling附加的NURBS 和细分建模工具加工建造精确、真实的模型Cloth最快、最精确地模拟多种衣服和其他布料Mel个性化以及脚本化Maya 的开放式界面Rendering具有胶片质量效果的交互式渲染，提供一流视觉效果Dynamics完整的粒子系统加上快速的刚体、柔体动力学Paint Effects独一无二的技术，让您非常容易产生最复杂、细致、真实的场景AnimationTrax 非线性动画编辑器，逆向动力学(IK)，强大的角色皮肤连接功能，高级的变形工具Artisan高度直觉化、用于数字雕塑的画笔，可以对NURBS 和 POLYGON 进行操作Modeling业界技术领域的NURBS 和 POLYGON 工具1.3 MAYA应用研究三维动画因为它比平面图更直观，更能给观赏者以身临其境的感觉，尤其适用于那些尚未实现或准备实施的项目，使观者提前领略实施后的精彩结果。 一、建筑领域随着现在3D技术的提升与创作手法的多元化,建筑动画从脚本创作到精良的模型制作，后期的电影剪辑手法,以及原创音乐音效，情感式的表现方法,制作出的建筑动画综合水准越来越高，建筑动画费用也比以前降低了许多。致力于建筑漫游动画：房地产漫游动画、小区浏览动画、楼盘漫游动画、三维虚拟样板房、楼盘3D动画宣传片、地产工程投标动画、建筑概念动画、房地产电子楼书、房地产虚拟现实等动画制作。二、规划领域道路、桥梁、隧道、立交桥、街景、夜景、景点、市政规划、城市规划、城市形象展示、数字化城市、虚拟城市、城市数字化工程、园区规划、场馆建设、机场、车站、公园、广场、报亭、邮局、银行、医院、数字校园建设、学校等动画制作。三、三维动画制作 三维动画从简单的几何体模型到复杂的人物模型，单个的模型展示，到复杂的场景如道路、桥梁、隧道、市政、小区等线型工程和场地工程的景观设计表现的淋漓尽致。四、园林景观领域园林景观动画涉及景区宣传、旅游景点开发、地形地貌表现,国家公园、森林公园、自然文化遗产保护、历史文化遗产记录,园区景观规划、场馆绿化、小区绿化、楼盘景观等动画表现制作。五、产品演示 产品动画涉及工业产品如汽车动画、飞机动画、轮船动画、火车动画、舰艇动画、飞船动画；电子产品如手机动画、医疗器械动画、监测仪器仪表动画、治安防盗设备动画；机械产品动画如机械零部件动画、油田开采设备动画、钻井设备动画、发动机动画；产品生产过程动画如产品生产流程、生产工艺等三维动画制作。六、模拟动画模拟动画制作，通过动画模拟一切过程如制作生产过程、交通安全演示动画(模拟交通事故过程)、煤矿生产安全演示动画(模拟煤矿事故过程)、能源转换利用过程、水处理过程、水利生产输送过程、电力生产输送过程、矿产金属冶炼过程、化学反应过程、植物生长过程、施工过程等演示动画制作。七、片头动画片头动画创意制作：宣传片片头动画、游戏片头动画、电视片头动画、电影片头动画、节目片头动画、产品演示片头动画、广告片头动画等。八、广告动画动画广告是广告普遍采用的一种表现方式，动画广告中一些画面有的是纯动画的，也有实拍和动画结合的。在表现一些实拍无法完成的画面效果时，就要用到动画来完成或两者结合。九、影视动画影视三维动画涉及影视特效创意、前期拍摄、影视3D动画、特效后期合成、影视剧特效动画等。随着计算机在影视领域的延伸和制作软件的增加，三维数字影像技术扩展了影视拍摄的局限性，在视觉效果上弥补了拍摄的不足，在一定程度上电脑制作的费用远比实拍所产生的费用要低的多，同时为剧组因预算费用、外景地天气、季节变化而节省时间。十、角色动画 角色动画制作涉及：3D游戏角色动画、电影角色动画、广告角色动画、人物动画等。电脑角色动画制作一般经以下步骤完成：1.根据创意剧本进行分镜头，绘制出画面分镜头运动，为三维制作做铺垫；2.在3D中建立故事的场景、角色、道具的简单模型；3.3D简单模型根据剧本和分镜故事板制作出3D故事板；4.角色模型、3D场景、3D道具模型在三维软件中进行模型的精确制作；5.根据剧本设计对3D模型进行色彩、纹理、质感等的设定工作；6.根据故事情节分析，对3D中需要动画的模型（主要为角色）进行动画前的一些动作设置；7.根据分镜故事板的镜头和时间给角色或其它需要活动的对象制作出每个镜头的表演动画；8.对动画场景进行灯光的设定来渲染气氛；9.动画特效设定；10.后期将配音、背景音乐、音效、字幕和动画一一匹配合成，最终成完整部角色动画片制作。十一、虚拟现实虚拟现实，英文名为Virtual Reality，简称VR技术，应用于旅游、房地产、大厦、别墅公寓、写字楼、景点展示、观光游览、酒店饭店、宾馆餐饮、园林景观、公园展览展示、博物馆，地铁、机场、车站、码头等行业项目展示、宣传。虚拟现实的最大特点是用户可以与虚拟环境进行人机交互，将被动式观看变成更逼真地体验互动。2Maya的应用领域主要集中于四个方面，如表1-2所示：表1-2 Maya应用领域平面图形可视化增进平面设计产品的视觉效果，开阔平面设计师的应用视野网站资源开发开发生动逼真的角色，吸引访问者点击电影特技模拟人类难以实现的动作、难以重现的场面、实用模型和场景渲染降低成本游戏设计开发设计各种特色的人物模型，比如说魔兽世界、征途等优秀网络游戏3D Studio Max，常简称为3ds Max或MAX，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。首先开始运用在电脑游戏中的动画制作，后更进一步开始参与影视片的特效制作，例如X战警II，最后的武士等。在中国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，3DS MAX的使用率更是占据了绝对的优势。主要特点有：1、功能强大，扩展性好。2、操作简单，容易上手。Maya与Max的区别主要体现如表1-3所示，正是他们二者之间的这些差别促使我最终选择使用Maya作为开发工具。表1-3 Maya与MAX对比主要建模手段3DSMAX的主要建模手段是多边形网格（Polygon Mesh），而Maya的主要建模方式是NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline，非均匀有理B样条）。Polygons建模非常的灵活好用.3DMAX的强项是做效果图.它的效果图和角色游戏因为讲求效率做首选.，但是在NURBS上，MAYA又比MAX精确动作记录MAYA有自己的流体模块,材质是节点的; MAX没有自己的流体模块，需要通过插件来实现材质节点MAX的材质是层级的,在MAYA里做的任何事情都会被记录成节点.MAYA较3DMAX而言更适合团队使用动画模块动画模块MAX只有CAT这个插件，插件多数是第三方做的，有兼容性问题。Maya是世界上最强大的整合3D建模、动画、效果和渲染解决方案，动画模块更完善也更强大，几乎不存在兼容性问题动力学模块MAYA包括有钢体，柔体，布料模块这些计算速度也是相当快的；在MAX里有 reactor1 3 这个动力学模块运行环境Maya 可在Windows NI 与 SGI IRIX 操作系统上运行。在目前市场上用来进行数字和三维制作的工具中，Maya 是首选解决方案市场选择现在中国一般做动画和特效的公司都是MAYA，我们要考虑市场问题1.4 三维动画开发流程一个完整的影视类三维动画的制作总体上可分为前期制作、动画片段制作与后期合成三个部分。1.4.1前期制作 是指在使用计算机制作前，对动画片进行的规划与设计，主要包括：文学剧本创作、分镜头剧本创作、造型设计、场景设计。1.4.2动画片段制作根据前期设计，在计算机中通过相关制作软件制作出动画片段，制作流程为建模、材质、灯光、动画、摄影机控制、渲染等，这是三维动画的制作特色。具体流程如表1-4所示：表1-4动画制作流程建模动画师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。细分建模结合多边形建模与样条曲线建模的优点面开发的建模方式材质贴图材质即材料的质地，就是把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。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。三维软件中的灯光一般有泛光灯和方向灯。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。摄像机依照摄影原理在三维动画软件中使用摄影机工具，实现分镜头剧本设计的镜头效果。摄像机的位置变化也能使画面产生动态效果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。通常输出为AVI类的视频文件1.4.3后期合成影视类三维动画的后期合成，主要是将之前所做的动画片段、声音等素材，按照分镜头剧本的设计，通过非线性编辑软件的编辑，最终生成动画影视文件。49第二章 前期设计第二章 前期设计2.1 工作环境2.1.1 软件环境操作系统：Microsoft Windows XP Professional SP 3；编辑软件：Autodesk Maya 2009、Adobe Photoshop CS 2。2.1.2 硬件环境处理器：AMD Sempron（tm） Processor；图形处理器：RADEON 9550。2.2 创建模型建模，是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，需要出场的角色和场景中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。建模常见方式有：多边形建模把复杂的模型用一个个小三角面或四边形组接在一起表示（放大后不光滑）；样条曲线建模用几条样条曲线共同定义一个光滑的曲面，特性是平滑过渡性，不会产生陡边或皱纹。因此非常适合有机物体或角色的建模和动画。细分建模结合多边形建模与样条曲线建模的优点面开发的建模方式。 2.2.1图腾建模如图2.1所示：图2.1 图腾建模2.2.2广场建模我们按照前期设计的手绘图建立包括一系列模型的广场场景模型，为后期贴图渲染做准备。如图2.2所示：图2.2 广场建模2.2.3角色建模角色就是在动画中使用的诸如骨架关节和反向动力学等特殊控制方案的模型。为角色绑定骨骼可以创建各种仿真的动作。下图显示的是一位女性战士的模型。如图2.3所示：图2.3 角色建模2.2.4海洋世界建模图画显示了海洋深处生活的古老民族在进行祭祀活动所使用的祭坛，包括石柱、图腾柱，远端的群山，天气为微风小雨。建模如图2.4所示：图2.4 海洋世界建模2.2.5海底世界灯光和摄像机是决定画面风格的最主要因素之一，好的灯光摄像可以制作出类似电影风格的镜头来。模拟创建海底世界，底部有沙子、海星和水草模型。如图2.5所示：图2.5 海底世界建模2.3 创建材质在项目的制作过程中，主要涉及的是材质节点、贴图与灯光三个方面知识。2.3.1材质节点材质是什么？简单的说就是物体看起来是什么质地。材质可以看成是材料和质感的结合。材，指的是材料。如金属，塑料，玻璃等，是物质的内部属性。质，指的是质感表现部分，多指贴图纹理等，是用来辅助生成质感的肌理和颜色。通常在运用中会同时配合这二种材质属性，来表现出丰富的拟真世界。在渲染程序中，它是表面各可视属性的结合，这些可视属性是指表面的色彩、纹理、光滑度、透明度、反射率、折射率、发光度等。正是有了这些属性，才能让我们识别三维中的模型是什么做成的，也正是有了这些属性，我们计算机三维的虚拟世界才会和真实世界一样缤纷多彩。但是材质的真相仍然是光，离开光材质是无法体现的。举例来说，借助夜晚微弱的天空光，我们往往很难分辨物体的材质，而在正常的照明条件下，則很容易分辨。另外，在彩色光源的照射下，我们也很难分辨物体表面的颜色，在白色光源的照射下则很容易。这种情況表明了物体的材质与光的微妙关系。第一，色彩是光的一种特性，我们通常看到的色彩是光作用于眼睛的结果。当光线照射到物体上的时候，物体会吸收一些光色，同时也会漫反射一些光色，这些漫反射出来的光色到达我们的眼睛之后，就決定物体看起来是什么颜色，这种颜色称为“固有色” 。这些被漫反射出来的光色除了会影响我们的视觉之外，还会影响它周围的物体，这就是光能传播。当然，影响的范围不会像我们的视觉范围那么大，它要遵循光能衰減的原理。另外，有很多资料把Radiosity翻译成热辐射，因为物体在反射光色的时候，光色就是以辐射的形式发散出去的，所以，它周围的物体才会出现染色现象。第二，一个物体是否有光滑的表面，往往不需要用手去触摸，视觉就会告诉我们结果。因为光滑的物体，总会出现明显的高光，比如玻璃、瓷器、金属而没有明显高光的物体，通常都是比较粗糙的，比如砖头、瓦片、泥土这种差异在自然界无处不在，但它是怎么产生的呢？依然是光线的反射作用，但和上面固有色的漫反射方式不同，光滑的物体有一种类似镜子的效果，在物体的表面还没有光滑到可以镜像反射出周围的物体的时候，它对光源的位置和颜色是非常敏感的。所以，光滑的物体表面只镜射出光源，这就是物体表面的高光区，它的颜色是由照射它的光源颜色決定的（金属除外），随着物体表面光滑度的提高，对光源的反射会越来越清晰，这就是在三维材质编辑中，越是光滑的物体高光范围越小，强度越高。当高光的清晰程度已经接近光源本身后，物体表面通常就要呈现出另一种面貌了，这就是Reflection材质产生的原因，也是古人“磨铜为镜”的原理。但必须注意的是，不是任何材质都可以在不断的“磨练”中提高自己的光滑程度。比如我们很清楚瓦片是不可能磨成鏡的，原因是瓦片是很粗糙的，这个粗糙不单指它的外观，也指它内部的微观结构。瓦片质地粗糙里面充滿了气孔，无论怎样磨它，也只能使它的表面看起来整齐，而不能填补这些气孔，所以无法成镜。我的初期作品中的物体看起来都像是塑料做的就是因为忽略了材质光滑度的上限。第三，在自然界中还存在另一种形式的透明，在三维软件的材质编辑中把这种属性称之为半透明，比如纸张、塑料、植物的叶子、还有蜡烛等等。它们原本不是透明的物体，但在强光的照射下背光部分会出现透光现象。在制作开发过程中，我认识到，如果在编辑材质时忽略了光的作用，是很难调出有真实感的材质的。因此，在材质编辑器中调节各种属性时，必须考虑到场景中的光源，并参考基础光学现象，最终以达到良好的视觉效果为目的，而不是孤立的调节它们。制作材质纹理的第一步为模型选定一个特定的材质节点。 在MAYA中，节点是一个十分重要的概念MAYA中的节点是最小的单位。每个节点都是一个属性组。节点可以输入、输出、保存属性。在使用MAYA进行三维制作时，所有操作都以各种几何形状、各种色彩的形式出现在品目上，但这些都不是真实存在的，而是由计算机虚拟出来的东西。在这些虚拟物品的背后起支持作用的是数学计算。在操作的过程中，软件系统将用户输入的指令，通过一系列计算转换成屏幕上可示的内容，但并不是所有的计算过程都是同时完成的。整个计算过程会分成一些小的单元，这些单元相互关联又相互独立，每个单元会完成一些计算步奏，形成一个相对独立的任务，然后将计算结果交给下一个计算单元进行进一步处理。节点就是这种计算单元。节点有输入属性和输出属性，能完成相对独立的计算功能。任何一个节点都是由输入输出和中间计算三部分构成的。一般情况下，一个节点会从另一个节点取得数据作为自身计算的依据，然后在内部进行计算，最后将计算结果按要求交给下一个节点。其实节点就好像一个电视机，一端输入的是无线电信号，另一端则输出的是声音和图像。从无线电信号转变为声光信号的过程是在电视机的内部完成的。虽然大多数的人不知道电视机是怎样转换的，但它并不影响我们的使用。一个节点可以有个一个输入属性，也可以有一组输入属性。输出也是一样。虽然相当一部分人在MAYA中真正开始接触节点这个概念是在材质部分，但在MAYA中节点是无处不在的。建模，材质，灯光，动力学，动画等等，到处都有节点的影子。实际上拥护在MAYA中所做的每一步操作都是针对一个具体的节点。以模型为例，建立一个Nurbs球体，场景中至少会产生三个节点;一个叫Make Nurbs Sphere，是它的创建节点，记录了它的创建初始参数；另一个叫Nurbs Sphere，是它的行为节点，这里记录了他的位移，旋转，缩放等空间位置关系；第三个叫Nurbs Sphere Shape，这是他的形态节点。它记录了它的最后的形态。在MAYA中各种材质的变化完全依赖于节点网络的变化。如果对节点及节点网络没有一个清醒的认识就不可能将它运用好。 在MAYA中共有400多种节点。这些节点中有的功能很单纯，就是用来完成建模工作的一部分，有的用来控制动画或材质，有的很难鉴定，因为它能完成的功能既可完成动画，也能用来完成材质或其他目的使用。MAYA的节点很自由，你可以把它的模型属性与材质属性联接起来，这样的结果就是可以用缩放、旋转等等来控制它们的阴影，这可是max望尘莫及的，还可以用自身的某个值驱动另一个值。MAYA中的材质节点主要分为Surface和Volumetric两种类型，具体包含的内容如图2.6和图2.7所示： 图2.7 Volumetric材质图2.6 Surface材质这些节点中，常用的表面材质节点如下表2-1所示：表2-1 常用表面材质节点Ramp ShaderRamp贴图具有渐变效果，它可以用来控制不同颜色及材质之间的融合效果，除了能够与大部分材质节点连接之外，它还可以用来控制粒子特效Ocean Shader通过MAYA提供的海洋材质可以方便产生不同速度、浪高或波峰造型的海浪效果Layered Shader层材质相当于一个容器，可以向其中添加各种基本材质层叠使用。这与Photoshop中图层的概念非常相似。在Layered Shader中，图层顺序是从左往右，越靠近左边的图层代表越表面的层。利用Layered Shader可以在单一物体表面整合不同的材质属性，从而制作出锈迹、污泥之类的效果来Phong EPhong是出现较早的一种材质节点，带有亮点及反射率控制，常用的地方有塑料、玻璃、金属等PhongPhong是出现较早的一种材质节点，带有亮点及反射率控制，常用的地方有塑料、玻璃、金属等LambertLambert是使用最为频繁的一种材质，它提供的是完全漫反射类型的无亮点质感，用以表现未经打磨，没有光泽的表面，常用的地方如木材、土地、纸张等BlinnBlinn主要用于金属材质的模拟，它对表面亮点具有较好的控制能力，可以产生比较柔和的亮点效果，但同时也需要相对较长的渲染时间，常用来表现铜、铝等材料AnisotropicAnisotropic意为各向异性，它能对物体表面高光区亮点的长度和方向进行控制，因此适合于表面有纹理的质感，常用的地方如光盘、毛发、丝绸等2.3.2贴图（1）材质贴图：一张平面图像（可以是数字化图像、小图标或点阵位图）会被贴到多边形上，通常把它想象成3D物件的壁纸，亦即将一张2D图纸糊到一个3D表面。（2）凹凸贴图bump mapping（凹凸贴图）这是一种在3D场景中模拟粗糙表面的技术，将带有深度变化的凹凸材质贴图赋予3D物体，经过光线渲染处理后，这个物体的表面就会呈现出凹凸不平的感觉，而无需改变物体的几何结构或增加额外的点面。例如，把一张碎石的贴图赋予一个平面，经过处理后这个平面就会变成一片铺满碎石、高低不平的荒原。当然，使用凹凸贴图产生的凹凸效果其光影的方向角度是不会改变的，而且不可能产生物理上的起伏效果。（3）光照贴图这是一种可以在不减少帧率的情况下达到真实感光照和阴影效果的方法。阴影贴图编辑器允许在场景中放置任意数目的静态光源，它会为每个面预计算光流量（light flow）和静态阴影。现代商业3D游戏中多数都会使用到阴影贴图。（4）法线贴图法线贴图是可以应用到3D表面的特殊纹理，不同于以往的纹理只可以用于2D表面。作为凹凸纹理的扩展，它包括了每个像素的高度值，内含许多细节的表面信息，能够在平平无奇的物体上，创建出许多种特殊的立体外形。你可以把法线贴图想像成与原表面垂直的点，所有点组成另一个不同的表面。对于视觉效果而言，它的效率比原有的表面更高，若在特定位置上应用光源，可以生成精确的光照方向和反射。2.3.3灯光灯光是重要的3D技巧，常常与摄像机配合使用来创建流畅的动画。除可以确定物体的轮廓、空间的形状外，灯光的不同还决定了场景的氛围，在MAYA中使用灯光与影视制作中有很多相似之处。MAYA中常用的灯光类型如图2.8所示：图2.8 常用灯光灯光的使用包括三种方式，如表2-2所示：表2-2 灯光使用方式点光源由一点打出灯光，起到重点突出主要模型和场景的作用平行光打出一段平行的光线，主要用在补充场景光线的作用混合使用同时使用两者是最常用的方式，由背景灯光突出轮廓，点光源突出重点部分MAYA中的阴影分为深度贴图阴影（Depth Map）和光线追踪阴影（Raytraced）两种，其中光线追踪法能够提供更真实的效果，也需要更长的处理时间。为了避免这种弊端，如果能使用贴图达到相同的效果，我们要尽量避免使用光源，而使用光照贴图来实现，这样可以节省CPU的使用，减少渲染时间。第三章 物理原理第三章 物理原理3.1 物体次表面散射现象产生原理三维软件研究的核心是如何把现实世界中的生命形式用计算机图形仿真计算的途径。入射光线照射在次表面材质物体表面，折射光线在物体内部传播的时候，又会发生散射，产生了发射往各个方向的散射光线。就像漫射的结果一样，他们的能量也没有统一的方向，但他们会在物体内部渐渐衰减，直到完全被吸收或从另一边穿过物体的边界，产生新的光线。通过观察可知，生物，尤其是动物，也和我们人类一样，当强烈的日光穿过体表的结构时，体表组织内部发生了不均匀的散射，使得有部分光照能够到达物体背面，儿我们却无法透过皮肤组织清晰的观察到它的另一边。我们称这一物理现象为Subsurface Scattering，即次表面散射。对于生物体的次表面散射现象的视效重现，一直是目前世界范围内三维软件厂商在努力研究的难题，这种物理现象模拟起来比较困难，因为本身建立符合物理精度的光照模型是不易掌握的。在实际的制作过程中，我们可以采用更简单的灯光贴图的方式进行模拟，以得到更好的渲染性能。33.2 Maya控件原理使用Maya控件进行模型的拉伸与压缩，场景的布局与渲染，都离不开计算机图形学涉及的基本原理，每一步操作都离不开计算机进行的矩阵计算，明白了这些基本原理，我们才能更好的掌握和使用Maya进行开发。使用到的数学原理如表3-1所示：表3-1 数学原理4点（Point）点是零维的表示。在由其组成的线、面或体块中，点起着构成形态的重要作用。在多边形网格中，点称作Vertex；在NURBS曲线/面中，点称作CV(Control Vertex)或EP(Edit Point)线（Line）线没有粗细，渲染是不可见。线是组成面或体块的构架。在3DSMAX的网格模型中，符合两点确定一直线的原理，术语称为Line或Edge。而在NURBS线中，由于NURBS的特殊数学表达方式，要三个或四个点才能确定一根线，在Maya中，NURBS曲线称为Curve或Isoparm（严格来说，Isoparm并不是“线”，但在建模，能在某种程度上将它当作线使用，如移动、添加、删除）面（Surface）面是一种三维形态，渲染时可见，是组成模型的主要方式。3DSMAX和Maya中的面都称作Surface，3DSMAX还有一种特殊的面叫作面片（Patch）体（body）体块是由面围合而成的三向物体，三维建筑动画模型主要就是体块的操作子物体（Sub-Object）组成成分（Component）对一个物体（Object）而言，都有其构成的基本元素，如多边形网格的构成元素有点（Vertex）、线/边（Edge）和面（Surface）。在3DSMAX中，这些元素称为子物体。而Maya中，NURBS物体由组成成分（Component）构成，包括点（CV）、线（Curve/Isoparm）、面（Surface）等坐标系（Coordinate）在Maya中我们使用笛卡尔坐标系，即空间位置由X、Y、Z三个数值表示。这是我们比较熟悉且直观的表示方式。使用贴图时，会碰到一种UVW坐标，用于指示表面参量和贴图坐标轴心（Pivot）每个物体都有其自身轴心。当我们选择一个物体时，显示坐标系的原点就是轴心位置。轴心是我们对物体转换（Transformation，包括平移、旋转、放缩）时的参考点。物体的轴心可以被转换修改，实现在三维环境中位置的改变法线（Normal）法线和切线（Trangent）是我们比较熟悉的数学概念了。面法线（Surface Normals）指示了一个面的方向。当面法线正确时，我们就能看清这个面，而法线相反时，这个面就看不到了，形成一个空洞。这种现象在文件转化中常见到，如将DWG文件导入3DSMAX中时。法线通常不可见 第四章 详细设计第四章 详细设计4.1 场景：图腾柱4.1.1 说明图腾柱是远古部落或者早期民族祭祀常用的雕塑，一般都是石材质。在这个场景中图腾柱周围还围有石栏杆，上面镌刻有符号文字。为了体现古老精神崇拜的神秘，我们在图腾柱周围加上自发光效果。渲染以后如图4.1所示：图4.1 图腾柱图4.2 图腾柱（正面图）4.1.2 灯光为了突出显示图腾柱的中心位置，我们使用了点光源与辅助光源相结合的方式布置场景的光照效果。灯光布置方位如下图4.3与图4.4所示：图4.3 灯光布置图4.4 灯光布置4.1.3 材质以下将本场景中所用到的材质列举如图4.5、4.6和图4.7所示：图4.5 图腾柱石材质图4.6 图腾底座栏杆材质图4.7 图腾底座文字材质4.2 场景：村落广场4.2.1 说明这个场景表现的是一个村落的广场，摄像机位置位于广场中心，左边是一排带有阁楼的房子，楼下停放有木质小车，右边有树木和敞篷，远处悬挂有灯笼，天空颜色为蓝色，整体效果如图4.8所示：图4.8 渲染图图4.9 渲染图4.2.2 灯光这个场景使用的偏于灰色的色调，因此光源亮度不大，营造一种安静平和的气氛，相对于城市来讲，乡村的公共场合不同之处在于没有大型的舞台和建筑，像农具、磨盘、辣椒和玉米等却时常出现，因此使用的材质也是模拟在乡村比较常见的物体。如图4.9所示：图4 .9 灯光4.2.3 材质本场景中的材质节点应用很多，模型也很多。如图4.10所示：图4.10：场景主要材质图4.11 磨盘石材质图4.12 灯笼材质图4.13 门材质图4.14 墙壁材质图4.15 油布材质图4.16 树枝材质4.3 模型：女战士4.3.1 说明这是一个人族的女战士，身材修长，头发略长，身着迷彩服，肤色偏黄，佩戴有武器。采用的是多边形挤出建模，UV贴图使用Photoshop绘制。如图4.17所示：图4.17 人类女战士4.3.2 灯光由于只是一个单一模型，所以我没有使用很多的光源，而只是在右上方、左方和右方使用三束平行光。如图4.18所示：图4.18 灯光4.3.3 材质将本模型中所用到的材质及其主要参数列举如图4.19所示：图4.19：模型主要材质4.3.4 贴图这个模型使用到得UV贴图列举如图4.20、图4.21和图4.22所示：图4.20 衣服与护具图4.21 头发与皮肤图4.22 头部贴图第五章 总结与展望第五章 总结与展望5.1 总结Maya是一个十分成熟的软件，在国内它占据了三维动画产业的绝大部分市场份额，因此我们也选择了Maya为开发工具，以便与市场接轨。每一次的开发我们都要以市场为导向，这和其他行业的科研也都要类似的，没有市场的要求，即使开发再精美，也没有办法取得良好的效果和经济效益。现阶段我们的开发还只是停留在实验室阶段，对于之后的整合与市场开拓，还需要投入更大的人力物力。开发三维动画需要很大的耐心和信心，因为所有的效果都是在不断的实验中产生的，刚开始接触项目的时候我完全不知道如何下手，比如说材质的参数很多，每一种组合都会产生不同的效果，新手是不明白哪种最适合自己的。贴图的制作还要用到Photoshop，这些软件要求我们对色彩敏感，在制作过程中思路开阔，有灵感，因为三维动画开发本身就是一种艺术活动。因此在开发过程中不能急于求成，磨刀不误砍柴工，要先从自身素养上做起，经常欣赏那些大师们的作品，从中领略他们独特的思维，从模仿进而开始独立创作。5一个团队的成功必须是所有人的成功。在项目开发过程中，经常会出现各小组进展不协调的现象，鉴于三维动画开发已经进步到流水线作业，上游工序进展缓慢势必导致后边无法开展。在今后的研究开发活动中，我们应该尽可能的安排在统一的时间和地点进行开发，严格执行