毕业设计（论文）-以玉带凤蝶为例探讨虚拟仿真标本制作技术.doc

以玉带凤蝶为例探讨虚拟仿真标本制作技术海 南 大 学 毕 业 论 文（设计）题 目：以玉带凤蝶为例探讨虚拟仿真标本 制作技术 学 号： 姓 名： 年 级： 2012 级 学 院： 环境与植物保护学院 系 别： 植物保护 专 业： 植物保护 指导教师： 完成日期： 2016年5月4日 摘 要随着3D技术的飞速发展，3D技术在影视、动画、科学研究等方面的应用越来越广泛。本文主要以玉带凤蝶(Papilio polytes)为研究对象，在三维操作软件的平台上，运用专业知识，制作3D昆虫标本，并为植物保护专业积累3D昆虫标本的实例和相关的制作方法。在收集好图片、视频、文献等资料的基础上，用Zbrush、Maya和UVlayout三维软件以及其他辅助软件制作模型，先在Zbrush中用Z球建好模型的大体框架，接着用各种笔刷工具进行精细雕刻调整，然后在UVlayout中切分UV，最后导入到Maya中进行材质纹理贴图、灯光渲染、导出。最终做出了玉带凤蝶的3D模型，并通过各个角度的图片或简单振翅动画的形式展示。玉带凤蝶虚拟仿真标本展示了玉带凤蝶的主要形态特征，说明虚拟仿真技术在昆虫标本上的应用是可行、有效、实用的。关键词：玉带凤蝶；昆虫标本；虚拟仿真 AbstractWith the rapid development of 3 d technology, 3 d technology in the application of film and television, animation, scientific research and so on more and more widely. This article mainly jade belt swallowtail (Papilio polytes) as the research object, the 3 d software operation platform, using the professional knowledge, to create a 3 d insects specimens, and accumulation of plant protection professional 3 d instances of insect specimens and related method. In good pictures, video, documents and other information collection, on the basis of using Zbrush, Maya and UVlayout 3 d software and other auxiliary software making model, first in Zbrush by Z ball built general framework of the model, then with all kinds of brush tool for fine carving adjustment, and then in UVlayout segmentation UV, finally into the Maya of material texture map rendering, lighting, the export. Finally made the jade belt 3 d model of swallowtail butterflies, and through various angles of pictures or animation display in the form of simple wings. Jade belt swallowtail butterflies specimens of virtual simulation shows the jade belt swallowtail main morphological characteristics, to illustrate the application of virtual simulation technology in the insect specimens is feasible, effective and practical.Key words: Papilio polytes; Insect specimen; virtual simulation 目 录1 前言42 材料与方法52.1 建模的材料52.1.1 模型的选择52.1.2 材料5（1） 图片资料5（2） 文字资料52.1.3 建模平台6（1） 电脑及操作系统6（2） 软件平台62.2 建模的方法62.2.1 筛选图片文字资料62.2.2 模型构思62.2.3 Z球建模62.2.4 笔刷雕刻72.2.5 切分UV72.2.6 材质纹理贴图72.2.7 渲染导出73 建模结果84 讨论104.1 建模的真实性104.2 建模过程中的问题104.3 Maya与Zbrush的比较114.4 展望12致 谢13参考文献141 前言虚拟仿真又称虚拟现实或模拟现实技术，是利用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。在人类认识自然界探索客观规律的历程中，虚拟仿真一直被高效的使用。从上个世纪40年代以来，随着计算机技术的发展，计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等技术的综合集成，虚拟仿真渐渐自成体系，形成了一种实验研究的新技术，成为继数学推理和科学实验之后的第三类基本方法，并且正发展成为人类认识世界和改造世界的一种通用技术。虚拟仿真技术利用计算机硬件、软件和各种传感器构建三维的虚拟环境，能很好的模拟现实世界。它的这种集成化和虚拟化的特征，正是现代仿真技术的发展所需求的。虚拟仿真技术越来越被广泛的应用到数字城市、场馆仿真、室内设计、工业仿真、旅游教学等各个行业领域当中。近年来，随着信息科学和农业科学的融合，数字化和可视化已成为现代农业科技创新的重要标志之一1。关于昆虫3D模型的制作，国外虽然已经有人把昆虫模型做得非常的逼真，但操作过于繁琐，所花的时间比较长，所做的模型通常只是个例，难以快速批量制作，国内关于昆虫方面的的3D模型非常匮乏，而且其中的大多数昆虫模型都是卡通的，因此，研究如何运用三维技术将昆虫标本展示出来并长久保存变得越来越迫切2。在建模软件上，Maya是世界顶级的三维动画软件之一，CG功能十分全面，包含建模、动画、粒子系统、衣料仿真、渲染等等。Maya在模型塑造、场景渲染、动画及特效方面都能制作出高品质的对象，这使其在影视特效制作中占据领导地位1。ZBrush是一个数字雕刻和绘画软件，它的功能非常强大，工作流程很直观，操作起来非常顺畅。能够雕刻出高达10亿多边形的超精细模型3。虽然Maya与Zbrush都可以独立的建立模型，但由于各自的建模方式、蒙皮方式、渲染效果等方面的差异正好有很好的互补作用，因此，本文采用的是Maya与Zbrush两个建模软件结合使用的方式，首先在Zbrush中Z球建模，雕刻，贴图，然后在Maya中添加材质灯光，渲染导出，从而使建出来的模型更加逼真，操作流程更加简易、方便。2 材料与方法2.1 建模的材料2.1.1 模型的选择常见的昆虫中，蝴蝶是比较大的，并且最显著的特征在翅膀上，容易表现，故在建模上，蝴蝶是新手锻炼建模的首选，选择玉带凤蝶作为对象，不仅是因为其美观，身体的花纹也不是太花哨，容易绘制，雌虫比较少见，具有较高的收藏价值，同时，它也是我们农作物中一种常见的害虫，综合看来，建模的价值比较高。因此，将其作为本科毕业论文的建模对象是比较适合的。2.1.2 材料（1） 图片资料清晰的各个角度玉带凤蝶图片，三视图为主，其他图片为辅。（2） 文字资料玉带凤蝶成虫，翅展77-95mm，触角棒状。雄蝶前翅各室外缘有小白斑，状如缺刻，各白斑自后角至前角依次渐小；翅膀黑色具尾状突起，后翅具一列白色带状斑。雌蝶有两种外观，一为带斑型， 另一种拟态成红纹凤蝶为红斑型，红纹凤蝶斑纹为桃红色，斑型较圆，为橙黄色，斑型为弦月状。幼虫体长45mm，头黄褐，体绿至深绿色，前胸有1对紫红色臭腺角。后胸肥大与第l腹节愈合，后胸前缘有1齿形黑色横纹，中间有4个灰紫色斑点，两侧有黑色眼斑；第2腹节前缘有1黑色横带；4、5腹节两侧各有1黑褐色斜带，带上有黄、绿、紫、灰色斑点；6腹节两侧各有1斜形花纹。幼虫共5 龄：初龄黄白色；2龄黄褐色；3龄黑褐色。1-3龄体上有肉质突起和淡色斑纹，似鸟粪;4龄油绿色，体上斑纹与老熟幼虫相似。蛹长30mm，体色多变，有灰褐、灰黄、灰黑、灰绿等，头顶两侧和胸背部各有l突起，胸背突起两侧略突出似菱角形。卵球形，直径1mm左右，初淡黄白，后变深黄色，孵化前呈灰黑至紫黑色。2.1.3 建模平台（1） 电脑及操作系统联想笔记本电脑，Windows 7操作系统（32位），安装内存4G。处理器：Intel(R) Corel(TM) i5-3230M CPU 2.60 GHz 2.60 GHz。（2） 软件平台Maya2013，ZBrush 4R6，UVLayout v2 Pro，Adobe Photoshop CS6。2.2 建模的方法2.2.1 筛选图片文字资料 筛选大量清晰分辨率高的图片，作为形状比例颜色参考，在大量图片的基础上对玉带凤蝶的形态特征进行分析，构思要重点刻画表现的部位，并从大量图片中筛选好图片，三视图要重点收藏，作为日后材质纹理贴图用。2.2.2 模型构思玉带凤蝶成虫的基本特征主要刻画的地方有：头部、胸部、腹部、复眼、触角、足、口器和翅膀。翅膀可以进行图片规则贴图，而躯干则进行不规则贴图加绘制，其他触角、肢体等比较细小而且是黑色的，直接调色即可。而雌雄翅膀上的差异通过两个模型翅膀贴图的不同表现出来。玉带凤蝶幼虫主要刻画头部、腹部和足的形状，纹理和颜色贴图。蛹就按照图片的外观形状进行刻画，虽然没有明显的器官区分，但也有大致的头胸腹的粗糙外观，按照幼虫的方式进行建模，足矣。卵，简易化制作，只需弄一个球，然后贴图即可。2.2.3 Z球建模在Zbrush中的Tool面板，选择Zspere工具，然后在场景中进行拖拽，拉出一个Z球，接着点击Edit，进入编辑状态，然后在第一个球的基础上一个接一个的拉出Z球，用加减Z球，移动，缩放，旋转，等操作，弄出昆虫的大体框架，框架两边如果是对称的，如制作玉带凤蝶的头和足的时候，要打开对称模式进行对称操作，在弄Z球时也要经常点击A建，对网格进行预览，防止网格的误差过大和不知状态下的错误操作。2.2.4 笔刷雕刻Z球框架建好后，在Tool面板下，点击激活蒙皮，接着创建3D网格，开启对称模式，用move、standard、clay和smooth等笔刷，对模型进行调整雕刻，雕刻纹理不清晰时，可对模型进行细分或局部细分，如果雕刻完后，发现模型网格不规则或错误比较多，可将调整好的模型进行remensh操作，对网格进行重新规则分布。2.2.5 切分UV将雕刻好的模型导出成OBJ格式文件，然后导入到Unfold3D或UVlayout中，开启Maya操作模式，用点或者边选择工具，对模型进行UV切分，在UVlayout中切分UV时要熟记快捷键，在编辑视图下用C建切分UV，接着点击enter键分开，然后鼠标光标放在要分展的部位按alt+D，在UV视图中选中分展的部位点击F键，电脑会自动解算把UV分展好，最后把各个部位的UV放在一个框里到处OBJ模型就行了，切开的地方要尽量在模型的隐蔽处，切割完后，点击展开，UV切分无误后，再导出OBJ格式文件。2.2.6 材质纹理贴图将切分好UV的OBJ格式文件导入到Zbrush中，点击projection master，拖拽出plane 3D,接着将我们要贴的图片，在Tool面板下通过texture map在plane 3D上显示出来，将图片进行移动、放缩、选择调整，将之与模型对齐，点击projection master，图片就贴在模型上了，然后用clonner 笔刷，对模型上的贴图进行调整，使贴图在模型上更真实自然，然后导出模型和UV.和贴好的图片将贴好的图片，导入到PS中，对UV边界处进行精细调整，调色。将模型导入到Maya中，赋予Lambert材质，然后在材质属性面板中，将图片通过材质颜色通道，贴到模型上。2.2.7 渲染导出给场景添加平行光或聚光灯，渲染设置里添加环境雾，点击渲染当前帧，就渲染出图片了，如果要渲染关键帧动画，则设置导出avi格式文件，从开始到结束帧，进行批渲染。3 建模结果玉带凤蝶成虫主要表现了躯干、翅膀、触角、口器和足。在翅膀和躯干上贴了图片。幼虫刻画了头部、身体和足并贴上相应的图。蛹和卵没有太复杂和很明显的结构，就按照图片弄个外形然后贴图。成品平面示意图（图3-1和图3-2）：图3-1 玉带凤蝶平面示意图A. 雄虫； B. 雌虫； C. 幼虫； D. 卵和幼虫；图 3-2 蜻蜓（A）和南洋大兜虫(B)的平面示意图4 讨论4.1 建模的真实性建的模型，虽然与真实的昆虫有点距离，形体的大小和姿态的把握不能一下子做到非常逼真自然，而且在贴图的时候，由于是把平面的图片贴在立体的模型上，所以不能完全跟真实的昆虫一样分毫不差，需要手动加工绘制，也有些地方是必须需要处理的，比如贴的图片的边界处和贴的不太好的地方，需要重新处理或在PS里调整，但所有的调整都是基于文字的资料和真实的照片进行调整的，不会随意想象和发挥，真实地把昆虫的主要特征表现出来，把它用作昆虫科普教育应该是可以的。而且比一般的图片标本更具立体感和整体感，能够对昆虫的特征进行全方位的表现，让人们学起来也比较方便，有趣。而且随着人们对3D软件熟练操作和技术的逐渐升级，相信日后建的模型会更加方便、快捷、科学、真实。4.2 建模过程中的问题网上找的图片，用于贴图的图片不够清晰，而且图片的美感也不够，网友拍的翅膀比较陈旧，需要在PS里进行修改调整。Maya软件进行模型的制作时，发现Maya软件中不规则建模比较繁琐所花的时间比较长，建出来模型是一小部分一小部分独立的各个形状堆叠出来的，不容易切分UV，也很难整体贴图，操作过程难以复制，后来选择用zbrush做比较精细、一体的模型和贴图纹理绘制，而材质、灯光、渲染上的操作依然在Maya软件中进行。在导入导出OBJ文件和mental ray渲染时，Maya中可能没有显示，这时需要在窗口/设置首选项/插件管理中勾选相应插件在加载和自动加载。4.3 Maya与Zbrush的比较Maya与Zbrush都是很好的三维软件，不同的是Maya是一个包含了建模、动画。粒子系统等的功能比较齐全的三维软件，而Zbrush是一款专注于建模的三维软件，在建模和贴图上独具一格。在建模的方式上，Maya主要是通过多边形或Nurbs曲线建模，通过点、线、面的移动和变形来构建模型，而Zbrush则弱化了点线面的概念，主要通过Z球和规则物体建模，用笔刷来对模型进行雕刻造型；在贴图上，两者都可以通过PS修整好的UV图片对模型进行贴图，但Zbrush可以通过克隆笔刷将图片直观的贴在模型上，或者用笔刷在颜色模式下对模型进行颜色绘制，操作很直观方便，不足的是材质和颜色的选择上远远没有Maya的丰富和逼真；在渲染的效果上，Maya还是比Zbrush好很多。相同功能：都能建模，贴图，切分UV，渲染。主要差异(表4.3-1)：表4.3-1 Maya与Zbrush的主要差异主要差异MayaZbrush建模的方式多边形建模，NURBS建模（点线面的移动调整）Z球建模，笔刷雕刻，弱化了点线面的概念。贴图的方式UV纹理编辑器贴图Clone笔刷贴图渲染的效果材质灯光较多，渲染起来比较真实材质灯光较少，渲染起来较粗糙单一应用影视动画，功能齐全多用于建模，雕刻。4.4 展望设计的模型主要实现了玉带凤蝶成虫（雌和雄）、幼虫、蛹、卵的主要形态特征和蒙皮，还有许多细节有待完善，未能做到十分逼真，例如成虫躯干的绒毛没有添加，幼虫、蛹和卵表面不规则的凸起纹理没有表现出来。其他昆虫虽然形状刻画地较玉带凤蝶精细，但没有贴上真实的图片，而是加了一个单颜色的材质，因为越精细的模型，对电脑硬件软件的要求越高，拆分UV和贴图的操作和流程会更加繁琐，要同时做到模型精细贴图逼真，模型未能实现出来。3D昆虫标本库的建设是一个庞大的系统工程，需要许多专业的人才参与进来团队合作，建模只是的其中一个环节，如果条件足够的话，可以开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验实验教学信息化水平，并且多样化昆虫科普教育的方式。出来前期网上收集图片，还应该由专业的昆虫拍摄团队去野外或者通过饲养的方式收集大量的清晰高分辨率各个角度的昆虫图像资料，而且图像中的昆虫应该是活着的，自然的，图片的好坏对后期的贴图有着至关重要的影响。虚拟仿真技术的运用也不仅仅限于3D昆虫标本，在3D昆虫标本做好的情况下，完全可以给模型做动画，让其动起来，富有生命力。进而虚拟昆虫在自然界中难以观察到或拍摄到的生活习性，做成动画视频，用于昆虫科普教育。也可以做成关于了解昆虫的3D场景游戏，在场景中与昆虫互动，这样就可以身临其境的去了解昆虫的世界，同时寓教于乐。致 谢本篇论文的撰写能如期完成，要特别感谢我的指导老师叶卫东的指导和督促，他的谆谆教导和精益求精的治学态度深深地激励着我，让我能够专心致志坚持不懈地去克服撰写论文过程中的各种困难。求学的历程是艰苦的，同时也是快乐的。大学四年来，生活和学习上的历练与成长