三维软件中的真实场景设计及渲染方法研究毕业论文.doc

I 三维软件中的真实场景设三维软件中的真实场景设计及渲染方计及渲染方 法研究毕业论文法研究毕业论文 目目 录录 1 引言 1 1 1 三维图形概述 2 1 2 三维软件概述 2 1 3 三维软件选择与应用 5 1 3 1 3ds max 2009 的特点及主要功能 5 2 三维软件中的真实场景设计及渲染方法研究 8 2 1 三维软件中真实场景设计模型的建立及原则 8 2 2 真实场景设计渲染器介绍 9 3 三维软件中的真实场景设计及渲染实例工具介绍 11 3 1 3D STUDIO MAX在制作中的使用 11 3 2 有关 PHOTOSHOP CS3 在制作中的使用 11 3 3 GUGILA GROUNDWIZ FOR 3DSMAX 3D 景观园林插件 在制作中的使用 12 4 应用实例的制作 13 4 1 九大行星 的制作 13 4 1 1 设计的题材及预期效果 13 4 1 2 设计实例模型的制作 14 4 1 3 设计实例模型动画的制作 16 4 1 4 实例渲染测试与展示 24 4 2 陨石撞击 的制作 27 4 2 1 实例设计的题材及预期效果 27 4 2 2 实例设计所需的模型与制作 27 4 2 3 实例渲染测试与展示 38 4 3 火山喷发 的制作 40 4 3 1 设计实例的题材及预期效果 40 4 3 2 设计实例所需的模型与制作 41 4 3 3 实例渲染测试与展示 48 4 4 原始森林 的制作 50 4 4 1 设计实例的题材及预期效果 50 II 4 4 2 设计实例所需的模型与制作 51 4 4 3 实例渲染测试与展示 55 5 总结与展望 57 5 1 总结 57 5 2 展望 57 致谢 59 参考文献 60 1 引言 随着科学技术的不断进步和发展 人类对知识的认识进入到了前所未有的深度 在对新知识的验证的实验手段也遇到了非常大的变化 二维的信息展示方式已经不能 满足人们对信息获取的需要 三维的信息显示方式已经成为今后信息展示的主流发展方 向 随着真实感计算机图形显示技术的发展和硬件的快速发展 为人们描述现实中的 三维场景提供了很大的方便和可能性 而且各个领域对计算机图形技术的要求已经不 再局限于静止的平面图形 计算机仿真 虚拟现实 三维游戏的发展 三维场景的创 建及其渲染显得越来越重要了 在现实的过程中 有些现象和结果很难保存和再现 而且有些事物是极具危险性的 如在自然学科中 行星的运转 陨石的撞击和火山爆 发等 现实生活中是很难亲眼看见和亲身体验的 它们不但距离我们遥远而且有的还 极具危险性和毁灭性 就这一现象 我们可以通过计算机对复杂数据进行可视化操作 与交互进行设计和模拟 运用计算机软件和相应的设施 可以将现实中一些危险的 难做的实验通过计算机模拟出来 它可以是实际上可实现的 也可以是实际上难以实 现的或根本无法实现的 而模拟是指用计算机生成的意思 因此 真实场景 是指用 计算机生成的一种特殊环境 人可以通过使用各种特殊装置将事物 投射 到这个环 境中 并操作 控制环境 实现特殊的目的 三维软件中的真实场景设计及渲染方法 研究 利用计算机强大的数据处理能力 运用计算机软件和相应的设施 通过理论模 型复现实际的系统进行模拟 可以将现实中一些危险的 现实生活中难以实验的环境 和效果通过计算机三维软件进行场景设计以及对所建立的模型进行渲染模拟出来 达 到真实的效果和现象 逼真地还原现实世界中的实验现象和结果 只要制作到位 可 以逼真地还原现实世界中的实验现象和预期效果 该课题结合自然科学 主要研究了三维场景建模及其渲染方法 内容涉及到以下 几个方面 360 度全景 宇宙空间 天体 地形模型的创建 三维地形的改造 三维地 2 形的渲染方法 真实感地形仿真 虚拟现实的创建技术等 通过对利用 3Dmax 建立虚 拟现实环境的探讨 提出了一种简单的 利于掌握的 三维的信息显示方法 并对一些 技术问题做了探讨 3 1 1 三维图形概述 3D 是 three dimensional 的缩写 就是三维图形 在计算机里显示 3d 图形 就是说 在平面里显示三维图形 不像现实世界里 真实的三维空间 有真实的距离空间 计 算机里只是看起来很像真实世界 因此在计算机显示的 3d 图形 就是让人眼看上就像 真的一样 人眼有一个特性就是近大远小 就会形成立体感 计算机屏幕是平面二维的 我们之所以能欣赏到真如实物般的三维图像 是因 为显示在计算机屏幕上时色彩灰度的不同而使人眼产生视觉上的错觉 而将二维的 计算机屏幕感知为三维图像 基于色彩学的有关知识 三维物体边缘的凸出部分一 般显高亮度色 而凹下去的部分由于受光线的遮挡而显暗色 这一认识被广泛应用 于网页或其他应用中对按钮 3d 线条的绘制 比如要绘制的 3d 文字 即在原始位 置显示高亮度颜色 而在左下或右上等位置用低亮度颜色勾勒出其轮廓 这样在视 觉上便会产生 3d 文字的效果 具体实现时 可用完全一样的字体在不同的位置分 别绘制两个不同颜色的 2d 文字 只要使两个文字的坐标合适 就完全可以在视觉 上产生出不同效果的 3d 文字 1 2 三维软件概述 AutoCAD AutoCAD Auto Computer Aided Design 是美国 Autodesk 公司首次于 1982 年生产的自动计算机辅助设计软件 用于二维绘图 详细绘制 设计文档和基本三 维设计 现已经成为国际上广为流行的绘图工具 dwg 文件格式成为二维绘图的 事实标准格式 简介 AutoCAD 是由美国 Autodesk 欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上应用 CAD 技术而开发的绘图程序软件包 经过不断的完美 现已经成为国际上广为流行 的绘图工具 AutoCAD 具有良好的用户界面 通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操 作 它的多文档设计环境 让非计算机专业人员也能很快地学会使用 在不断实践 的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧 从而不断提高工作效率 AutoCAD 具有广泛的适应性 它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作 站上运行 并支持分辨率由 320 200 到 2048 1024 的各种图形显示设备 40 多种 4 以及数字仪和鼠标器 30 多种 绘图仪和打印机数十种 这就为AutoCAD 的普及 创造了条件 中中望望 3D 中望 3D 是由广州中望龙腾软件股份有限公司在2010 年 9 月份推出的一款三 维 CAD CAM 一体化软件产品 中望 3D 为客户提供了从入门级的模型设计到全面 的一体化解决方案 该软件拥有独特的Overdrive 混合建模内核 支持 A 级曲面 支持 2 5 轴 CAM 加工 简介 2010 年 9 月 25 日 中望公司举行发布会 宣布成功收购美国VX 软件 同 时发布中望 3D 2010 版 在同年的 12 月 24 日 中望公司发布中望 3D 2010SP1 版 中望 3D 提供了在整个制造生产过程中产品加工与产品设计紧密结合的一整套 解决方案 它提供的 CAM 工具不是第三方解决方案或者外挂模块而是充分利用了 混合建模为核心的优势特点无缝集成的 中望3D 高速铣在模具加工应用中显著的 提高了速度和改善了刀具路径 它前所未有的优异性和易用性 能帮助用户极大地 减少培训成本 提高设计效率 中望 3D 支持全方位的材料处理和切削技术来应对复杂的三维铣削 2 轴铣削 提供了一整套丰富的粗加工和精铣加工的刀具路径策略 此外还提供了为操作员打 孔使用钻或铣的工具 3 轴铣削在提供了几种基于不同运算方式的刀路算法的基础 上配置了不同的刀具 由于中望 3D 能够保持三维产品模型的完整和同步 制造信 息能够直接从设计数据更新 加工定义和NC 编程都能够取得优先 设计变更能够 更容易的去调整 最终结果就是提高生产效率和改善质量 3DS MAX 3ds max 是当前世界上销售量最大的三维建模 动画及渲染解决方案 他将广 泛应用于视觉效果 角色动画及下一代的游戏 至今3dsmax 获得过 65 多个业界 奖项 而 3dsmax 将继承以往的成功并加入应用于角色动画的新的IK 体系 为下 一代游戏设计的交互图形界面 业界应用最广的建模平台并集成了新的 subdivision 表面和多边形几何模型 集成了新的ActiveShade 及 Rend er Elements 功能的渲染能力 同时 3dsmax 提供了与高级渲染器的连接比如 mental ray 和 Renderman 来产生特殊的渲染能力如全景照亮 聚焦及分布式渲染 5 创造丰富 复杂的可视化设计 为畅销游戏生成逼真的角色 把3D 特效带 到大屏幕 Autodesk 3ds Max 2008 3D 建模 动画和渲染软件通过简化 处理复杂场景的过程 可以帮助设计可视化专业人员 游戏开发人员以及视觉特效 艺术家最大化他们的生产力 Maya Maya 是美国 Alias Wavefront 公司出品的世界顶级的三维动画软件 应用对象 是专业的影视广告 角色动画 电影特技等 Maya 功能完善 工作灵活 易学易 用 制作效率极高 渲染真实感极强 是电影级别的高端制作软件 其售价高昂 声名显赫 是制作者梦寐以求的制作工具 掌握了Maya 会极大的提高制作效率 和品质 调节出仿真的角色动画 渲染出电影一般的真实效果 向世界顶级动画师 迈进 Maya 集成了 Alias Wavefront 最先进的动画及数字效果技术 她不仅包括一般 三维和视觉效果制作的功能 而且还与最先进的建模 数字化布料模拟 毛发渲染 运动匹配技术相结合 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 Cinema 4D Cinema 4D 软件是 Maxon 公司引以为豪的代表作 这是个功能异常强大操作 却极为简易的软件 该软件的推出 自 2004 年 R9 版本的推出后 其功能大大 完善 已引起业界的极大关注及无数赞誉 被业界誉为 新一代的三维动画制作 软件 并开始大量应用于各类大片中 2006 年的最新版本 R10 的推出 更 被广大用户誉为 革命性的升级 现在 无论你是拍摄电影 电视 游戏开发 医学成像 工业 建筑设计 印刷设计或网络制图 Cinema4D 都将以其丰富的 工具包为您带来比其它 3D 软件更多的帮助和更高的效率 与众所周知的其它 3D 软件一样 如 Maya Softimage XSI 3D Max 等 Cinema 4D 同样具备高端 3D 动画软件的所有功能 所不同的是在研发过程中 Cinema 4D 的工程师更加注重工作流程的流畅性 舒适性 合理性 易用性和高效 性 因此 使用 Cinema 4D 会让设计师在创作设计时感到非常轻松愉快 赏心悦 目 在使用过程中更加得心应手 有更多的精力置于创作之中 即使是新用户 也 会感觉到 Cinema 4D 的上手非常容易 6 1 3 三维软件选择与应用 该课题选择使用的是 3DS MAX 之所以选择它 其主要有以下特点 1 功能强大 扩展性好 建模功能强大 在角色动画方面具备很强的优势 另外丰富的插件也是其一大 亮点 2 操作简单 容易上手 与强大的功能相比 3ds max 可以说是最容易上手的 3D 软件 3 和其它相关软件配合流畅 4 做出来的效果非常的逼真 Autodesk 出品的一款著名 3D 动画软件 是著名软件 3d Studio 的升级版本 3DS MAX 是世界上应用最广泛的三维建模 动画 渲染软件 广泛应用于游戏开 发 角色动画 电影电视视觉效果和设计行业等领域 3d Studio 最初版本由 Kinetix 开发 后为 Discreet 收购 Discreet 后又被 Autodesk 收购 最新版本 Autodesk 3ds Max 2009 分 32 bits 和 64 bits 两种版本 2008 年 2 月 12 日 Autodesk Inc NASDAQ ADSK 宣布推出 Autodesk 3ds Max 建模 动画和渲染软件的两个新版本 该软件是用于开发游戏的领先的创造工 具 该公司推出了面向娱乐专业人士的Autodesk 3ds Max 2009 软件 同时也首次 推出 3ds Max Design 2009 软件 这是一款专门为建筑师 设计师以及可视化专业 人士而量身定制的 3D 应用软件 Autodesk 3ds Max 的两个版本均提供了新的渲 染功能 增强了与包括 Revit 软件在内的行业标准产品之间的互通性 以及更多 的节省大量时间的动画和制图工作流工具 1 3 1 3ds max 2009 的特点及主要功能 Autodesk 3ds Max 2009 的主要功能包括 简化重复工作流的新推出的 Reveal 渲染 工具包以及模拟现实中表面状态的 ProMaterials 素材库 这一版本还带来了众多 biped 的改进以及新型 UV 编辑工具 经过改进的 OBJ 和 Autodesk FBX 文件格式的输入 与输出大幅提高了与 Autodesk Mudbox Autodesk Maya Autodesk MotionBuilder 软 件程序和其它第三方应用软件之间的互通性 此外 一种新型场景设置技术 即 Recognize 与 Revit Architecture 2009 一起显著改善了应用软件内的工作流程 3ds Max Design 2009 除了不具备软件开发工具包 SDK 之外 拥有 Autodesk 3ds Max 2009 的所有功能 SDK 是一套用在娱乐市场上的开发工具 用于软件整合到现 7 有制作的流水线以及开发与之相合作的工具 3ds Max Design 还拥有用于模拟和分析 阳光 天空以及人工照明来辅助 LEED 8 1 证明的 Exposure 技术 新的特性亮点 Reveal 渲染 新的 Reveal 渲染系统为您快速精调渲染提供了所需的精确控制 你可以选择 渲染减去某个特定物体的整个场景 或渲染单个物体甚至帧缓冲区的特定区域 渲 染图像帧缓冲区现在包含一套简化的工具 通过随意过滤物体 区域和进程 平衡 质量 速度和完整性 可以快速有效达到渲染设置中的变化 Biped 改进 新增的 Biped 工作流程可以让您处理的 Biped 角色的手部动作与地面的关系像 足部动作一样 这个新功能大大减少了制作四足动画所需的步骤 3ds Max 2009 还支持 Biped 物体的以工作轴心点和选取轴心点为轴心进行旋转 这加速了戏剧化 的角色的动作的创建 比如一个角色摔在地面上 改进的 OBJ 和 FBX 支持 更高的 OBJ 转换保真度以及更多的导出选项使得在 3ds Max 和 Mudbox 以 及其它数字雕刻软件之间传递数据更加容易 您可以利用新的导出预置 额外的几 何体选项 包括隐藏样条线或直线 以及新的优化选项来减少文件大小和改进性能 游戏制作人员可以体验到增强的纹理贴图处理以及在物体面数方面得到改进的 Mudbox 导入信息 3ds Max 2009 还提供改进的 FBX 内存管理以及支持 3ds Max 与其它产品 例如 Maya 和 MotionBuilder 协同工作的新的导入选项 改进的 UV 纹理编辑 3ds Max 在智能 易用的贴图工具方面继续引领业界潮流 您可以使用新的样 条贴图功能来对管状和样条状物体进行贴图 例如把道路贴图到一个区域中 此外 改进的 Relax 和 Pelt 工作流程简化了 UVW 展开 使您能够以更少的步骤创作出 想要的作品 SDK 中的 NET 支持支持 NET 可通过使用 Microsoft 的高效高级 应用程序编程接口扩展您的软件 3ds Max 2009 软件开发工具包配有 NET 示例 代码和文档 可帮助开发人员利用这个强大的工具包 ProMaterials 新的材质库提供易用 基于实物的 mental ray 材质 使您能够快速创建常用的 建筑和设计表面 例如固态玻璃 混凝土或专业的有光或无光墙壁涂料 8 光度学灯光改进 3ds Max 现在支持新型的区域灯光 圆形 圆柱形 浏览对话框和灯光用户界面 中的光度学网络预览以及改进的近距离光度学计算质量和光斑分布 另外 分布类型 现在能够支持任何发光形状 而且您可以将灯光形状显示地和渲染图像中的物体一致 3ds Max Design 2009 还提供了灯光模拟和分析技术 9 2 三维软件中的真实场景设计及渲染方法研究 建模技术是三维图形技术 虚拟现实技术中最重要的技术 也是其发展的关键技 术之一 虚拟现实 VirtualReality 简称 VR 是一项涉及计算机图形学 人机交互 人 工智能等学科的综合技术 它的目的是用计算机来生成一个逼真的三维世界给观众 如同在真实世界里 随着虚拟现实 分布式视算 分布式仿真技术和网络三维游戏的 发展 需要在 Internet 或 Intranet 环境下进入同一虚拟环境 视算环境 仿真环境或游 戏环境 以协同或对抗方式完成分布交互任务 其共同点是导致了对分布三维视景的 需要 同时 它们对虚拟场景的实时渲染 真实感程度也提出了越来越高的要求 三维场景的创建是一项运用综合技术的任务 要达到逼真的感觉和实时的自然交 互是非常不容易的 它的完成不仅依赖于硬件性能的提高和像头盔等外设的使用 更 重要的是依赖于虚拟场景的构建 显示和交互等技术的不断改进 因此 研究三维场 景的创建及其实时渲染方法就很必要了 2 1 三维软件中真实场景设计模型的建立及原则 建立系统模型的过程 又称模型化 建模是研究系统的重要手段和前提 凡是 用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模 图描述的关系各异 所 以实现这一过程的手段和方法也是多种多样的 可以通过对系统本身运动规律的分 析 根据事物的机理来建模 也可以通过对系统的实验或统计数据的处理 并根据 关于系统的已有的知识和经验来建模 人们可以根据不同的用途和目的建立不同的 模型 基于模型的构造方法有多种 3DS MAX 的几何建模方法主要有多边形 Polygon 建模 非均匀有理 B 样条曲线建模 NURBS 细分曲面技术建模 Subdivision Surface 通常建立一个模型可以分别通过几种方法得到 但有优劣 繁简之分 但建立的任何模型都只是实际系统原型的简化 因为既不可能也没必要把 实际系统的所有细节都列举出来 如果在简化模型中能保留系统原型的一些本质特征 那么就可认为模型与系统原型是相似的 是可以用来描述原系统的 因此 实际建模 时 必须在模型的简化与分析结果的准确性之间作出适当的折衷 这常是建模遵循的 一条原则 10 2 2 真实场景设计渲染器介绍 VRay 渲染器是由 chaosgroup 和 asgvis 公司出品 中国由曼恒公司负责推广的 一款高质量渲染软件 VRay 是目前业界最受欢迎的渲染引擎 基于V Ray 内核 开发的有 VRay for 3ds max Maya Sketchup Rhino 等诸多版本 为不同领域的 优秀 3D 建模软件提供了高质量的图片和动画渲染 除此之外 VRay 也可以提供 单独的渲染程序 方便使用者渲染各种图片 VRay 渲染器提供了一种特殊的材 质 VrayMtl 在场景中使用该材质能够获得更加准确的物理照明 光能分布 更快的渲染 反射和折射参数调节更方便 使用VrayMtl 你可以应用不同的纹理 贴图 控制其反射和折射 增加凹凸贴图和置换贴图 强制直接全局照明计算 选 择用于材质的 BRDF VRay 的特征 VRay 光影追踪渲染器有 Basic Package 和 Advanced Package 两种包装形式 Basic Package 具有适当的功能和较低的价格 适合学生和业余艺术家使用 Advanced Package 包含有几种特殊功能 适用于专业人员使用 Basic Package 的软件包提供的功能特点 真正的光影追踪反射和折射 平滑的反射和折射 半透明材质用于创建石蜡 大理石 磨砂玻璃 面阴影 柔和阴影 包括方体和球体发射器 间接照明系统 全局照明系统 可采取直接光照 brute force 和光照贴 图方式 HDRi 运动模糊 包括类似 Monte Carlo 采样方法 摄像机景深效果 抗锯齿功能 包括 fixed simple 2 level 和 adaptive approaches 等采样方法 散焦功能 G 缓冲 RGBA material object ID Z buffer velocity etc Advanced Package 软件包提供的功能特点 除包含所有基本功能外 还包括下列功能 基于 G 缓冲的抗锯齿功能 11 可重复使用光照贴图 save and load support 对于 fly through 动画可增加 采样 可重复使用光子贴图 save and load support 带有分析采样的运动模糊 真正支持 HDRI 贴图 包含 hdr rad 图片装载器 可处理立方体贴 图和角贴图贴图坐标 可直接贴图而不会产生变形或切片 可产生正确物理照明的自然面光源 能够更准确并更快计算的自然材质 基于 TCP IP 协议的分布式渲染 不同的摄像机镜头 fish eye spherical cylindrical and cubic cameras 网络许可证管理使得只需购买较少的授权就可以在网络上使用 VRay 系 统 12 3 三维软件中的真实场景设计及渲染实例工具介绍 3 1 3D Studio Max 在制作中的使用 3D Studio MAX 是由 Autodesk 公司推出的三维动画制作软件 其前身是基于 DOS 操作系统的 3D Studio 系列软件 最新版本是 2011 因其功能非常强大 已被广 泛的应用在各个领域中 并成为三维动画制作软件中的佼佼者 3DSMAX 主要包含了 建立模型 绘制和渲染 及制作动画三大部分 我们可以在影视制作 广告动画 建 筑 室内设计和工业设计 军事科技等各行各业中看到它的存在 但每种软件都有它 的不足之处 3DS MAX 在效果图制作的中后期处理中也存在着一些缺憾 例如 当 我们在使用 3DS MAX 创建完成基本的模型 开始为其赋材质时 往往翻遍了材质库 也找不到一种合适的材质来赋给物体 而我们需要的材质也许只是一幅简单的图片 也许只需要对图片的某一部分进行一些简单的处理 此外 一些效果图在制作完成后 图像的色调 明度对比度 饱和度等都需要进行调整 而有些图像甚至还要添加一些 配景使得图像看起来更加丰富 但是 3DS MAX 却不能实现这方面的功能 因此 我们就需要有一种软件 使用它能够制作出一些特殊的材质或是对现有的图像进行修 改 对这种软件的要求也应该是功能强大 操作简便 在平面设计领域中享有盛誉的 Photoshop 恰恰满足了这方面功能的要求 该课题设计使用的是 3ds max 2009 版 3ds max 2009 完成了本课题研究中的所有 设计实例 创建的模型 灯光 摄像机 粒子 背景 动画等融为一体直观 形象 生动地进行描述和展示 通过它所设计的实例 进而深入了解其强大的功能以及在广 告和电影特效等领域的广泛应用 例如 X 战警 II 阿凡达 等 3 2 有关 Photoshop CS3 在制作中的使用 Photoshop 是由 Adobe 公司开发的著名的图像处理软件 是平面设计人员不可缺少 的重要工具 Photoshop 制作和处理后的效果图形象逼真 在 3DS MAX 制作的中后期 使用可以起到画龙点睛的效果 Photoshop cs3 是 Adobe 的核心产品 本课题中大部分的图像都是由 Photoshop cs3 来制作完成的 在制作实例中 所有图像均采用 JPG 格式 它们都属于压缩图片格式 具有文件 小 下载速度快 跨平台等优点 对于一些需要讲究色彩浓淡的图片 我采用了 JPG 格式 它支持 24bit 色 支持全彩和灰度格式 压缩比高 13 我们需要的材质也许是一幅简单的图片 也许需要对图片的某一部分进行一些简 单的处理 此外 一些效果图在制作完成后 图像的色调 明度对比度 饱和度等都 需要进行调整 而有些图像甚至还要添加一些配景使得图像看起来更加丰富 这些处 理主要通过 Photoshop 来完成 例如 素材的裁剪 修复 全景图的制作使贴图能精确 的实现收尾结合而不留接缝以及后期的效果及文字处理等 3 3 Gugila GroundWiz for 3DSMax 3D 景观园林插件 在制作中的使用 GroundWiz 是集地貌生成 地表材质指定 植物分布规划等功能于一身的 3DS MAX 自然景观园林插件 它兼容 3ds Max 2008 3ds Max 9 3ds Max 2009 和 3ds Max Design 2009 适合风景园林 建筑效果图 景观设计等方面 特别出众的是材质方面 可以在很少模型的情况下 做出最真实的效果 14 4 应用实例的制作 在此课题的研究中 我们将通过 4 个 3ds max 实例的制作来进一步研究三维软件 中的真实场景设计及渲染方法 4 1 九大行星 的制作 图 4 1 1 九大行星 渲染效果图 4 1 1 设计的题材及预期效果 太阳系 九大行星 是历史上流行的一种的说法 即水星 金星 地球 火星 木 星 土星 天王星 海王星和冥王星 我们生活的这个地球 是太阳系当中最美丽同 时也是最神奇的星球 在 2006 年 8 月 24 日于布拉格举行的第 26 届国际天文联会中通 过的第 5 号决议中 冥王星被划为矮行星 并命名为小行星 134340 号 从太阳系九大 行星中被除名 所以现在太阳系目前只有八颗行星 本次实例以历史上的 九大行星 为依据进行模拟制作 效果如图 4 1 1 所示 15 4 1 2 设计实例模型的制作 需要制作的模型有 太阳 1 水星 2 金星 3 地球 4 火星 5 木星 6 土星 7 天王星 8 海王星 9 冥王星 10 灯光 11 摄影机 12 大气装置 13 太阳系九大行星数据表太阳系九大行星数据表 名称名称 水星水星 Mercury 金星金星 Venus 地球地球 Earth 火星火星 Mars 木星木星 Jupiter 土星土星 Saturn 天王星天王星 Uranus 海王星海王星 Neptune 冥王星冥王星 Pluto 与日距离与日距离57 9106 2149 6227 9778 01427 02870 04496 05946 0 赤道半径赤道半径2440605063783395714006000025900247501350 公转周期公转周期87 9 天天224 7 天天1 年年1 9 年年11 8 年年29 5 年年84 0 年年164 8 年年247 9 年年 公转速度公转速度47 8935 0329 7924 1313 069 646 815 434 74 自转周期自转周期58 6 天天243 天天23 时时 5624 时时 379 时时 5010 时时 1416 时时18 时时6 天天 9 时时 质量质量0 050 8210 11317 9495 1814 6317 220 0024 体积体积0 0560 085610 150131674565 257 10 009 平均密度平均密度5 465 265 523 961 330 701 241 661 50 表面状态表面状态固体固体云 固体云 固体固体固体固体固体云云云云云云云云 卫星数卫星数001216221581 光环光环无无无无无无无无有有有有有有有有无无 注 与日距离单位 百万千米注 与日距离单位 百万千米 赤道半径单位 千米赤道半径单位 千米 公转平均速度单位 千米公转平均速度单位 千米 秒秒 平均密度单位 克平均密度单位 克 立方厘米立方厘米 质量 体积以地球为质量 体积以地球为 1 表 4 1 1 16 通过 3ds max 2009 对各个模型的数据按一定比例放大或缩小来进行制作 效果如 图 4 1 2 所示 图 4 1 2 PS 整理图 模型依次保存命名为 太阳 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星和冥王星 保存为 max 格式 下面对各个实例模型的制作做详细介绍 1 太阳模型的制作 打开 3ds max 2009 新建命名为太阳 max 的文件 在创建面板中选择几何体 在 下拉框中选择标准基本体 选择球体 在顶视图中心创建一个球体 为方便管理在修 改面板中将默认创建的球体文件名 Sphere01 改为太阳 再进行参数设置 半径为 25 363 分段为 50 分段数越大越平滑 渲染的面就越多 适当即可 勾选平滑 其 它默认 太阳的基本模型就创建好了 下面对太阳进行材质编辑 打开材质编辑器 选中一个空白材质 对材质进行贴图 打开贴图下拉框 点击漫反射颜色后面的 None 会打开一个材质 贴图浏览器选择位图 系统会自动打开一个选择位图图像文件的窗口 选择事先准备好的太阳贴图素材就好了 由于一些素材的尺寸和效果并不是很理想 那么就要用到 photoshop 进行修改和完善了 17 2 太阳外围火焰效果的制作 太阳实体的制作好之后 接下来制作太阳外围的火焰效果 回到顶视图 创建一 个辅助对象 在辅助对象下拉选项中选择大气装置 对象类型选择球体 Gizmo 然后 在太阳的中心创建这个对象类型为球体 Gizmo 的大气装置 默认名称为 SphereGizmo01 修改球体 Gizmo 参数 半径为 80 要比太阳的半径大 再点击新种 子系统会随机产生一串种子数字 不同的种子产生的效果就不一样 在大气和效果设 置里添加选择火效果 点击确定后将会在大气和效果列表中显示刚才所添加的火效果 对火效果进行设置 选中火效果 点击设置将会打开环境和效果设置窗口 火焰的颜 色默认不需要修改 在图形框里面火焰类型选择火球 拉伸 1 0 规则性 0 22 拉伸是 火焰的纵向拉伸 数值愈大火焰越直 规则性数值最大为 1 越接近 1 则火焰愈光滑 则火苗愈小 特性设置框里火焰大小为 12 86 密度为 75 9 其它默认不做修改 再 渲染预览效果满意为止 最后将火焰链接到太阳上渲染测试保存文件 效果如图 4 1 3 所示 图 4 1 3 太阳渲染效果 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星和冥王星模型的制作与 太阳的制作大同小异 不同的是太阳需要制作火焰 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星和冥王星则不要 值得注意的是 土星和天王星与其它行星不 同 土星和天王星有明显的光环 由于各行星模型都是单独新建文件制作的 我们要将制作好的模型分别导出为水 星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星和冥王星的 obj 格式文件 导出 方法为文件 导出 选择 obj 格式保存即可 4 1 3 设计实例模型动画的制作 1 九大行星运动的制作 九大行星的运动包括两种运动方式 各行星自身的自转同时围绕太阳的公转 打开太阳 max 点击文件 导入 将九大行星模型导出的 obj 文件逐个导入到太阳 18 max 中 2 运行轨道的创建 本实例采用螺旋线的方式作为路径约束水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星和冥王星的运行轨道 以及用直线路径约束摄影机的移动 3 建立螺旋线 在打开的太阳 max 文件中 点击创建面板 选择图行 在下拉选项列出的样条线 NURBS 曲线 扩展样条线中选择样条线 对象类型为螺旋线 方向为逆时针 回到顶 视图 以太阳为中心画螺旋线作为路径 根据太阳系由内向外依次为太阳 水星 金 星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星和冥王星建立如下表格 对象及路径约束列表 对象名称对象名称路径约束路径约束 摄影机 Camera01Line01 水星Helix01 金星Helix02 地球Helix03 火星Helix04 木星Helix05 土星Helix06 天王星Helix07 海王星Helix08 冥王星Helix09 表 4 1 2 4 运动时间的设置 打开时间配置 默认 100 帧修改为 400 帧 由于各行星公转的时间不一 本实例 将以单位时间 设定 400 帧为一个单位 内沿路径运行的圈数来约束公转速度 单位 时间内运行的圈数越多则公转速度越快 行星运行的圈数则是螺旋线的圈数 修改约 束各行星的螺旋线及半径即可 地球为 1 如下表 螺旋线名称螺旋线名称单位时间圈数单位时间圈数半径半径 1 半径半径 2 Helix016 093 736 19 Helix023 0148 0 Helix032 0213 995 Helix041 0281 61 Helix050 7450 0 Helix060 4590 0 Helix070 27773 66 Helix080 13932 515 Helix090 11077 057 表 4 1 3 5 坐标系统及自转 公转倾角的设置 在太阳系九大行星的运转过程中 所有行星并不都是在同一个平面 即黄道 上 自转和公转的 它们都有一定的偏角 下面根据科学数据对各行星进行倾角的设置以 达到真实的效果 在 3ds max 2009 世界坐标系统中 对各个旋转的对象 其旋转轴将会是世界坐标 系统的 x y 或 z 轴而不是对象本身的坐标轴 本实例将通过父对象坐标系统解决这个 问题 为各个偏转对象设置父对象 链接到父对象上 只要设置父对象的偏角就可以 了 对象名称对象名称父对象类型父对象类型父对象名称父对象名称偏角偏角 地球平面地球父23 439 火星平面火星父24 木星平面木星父3 13 土星平面土星父26 73 天王星平面天王星父97 77 海王星平面海王星父29 56 冥王星平面冥王星父119 61 表 4 1 4 20 设置父对象及偏角后如图所示 图 4 1 4 父对象 设置好各个模型的父对象及偏转角度后 为便于后面的制作将所有父对象隐藏 右键单击父对象 选择隐藏当前选择即可实现隐藏 6 自转的设置 同公转的设置类似 单位时间 400 帧 内自转的角度越大 自转越快 结合科学 数据得如下列表 以单位时间内地球自转 720 为参考 对象名称对象名称自转方向自转方向单位时间自转度数单位时间自转度数 水星自西向东12 4 金星自东向西3 地球自西向东720 火星自西向东696 木星自西向东1818 土星自西向东1728 天王星自西向东1080 海王星自西向东960 冥王星自西向东113 表 4 1 5 21 设置的具体方法 以地球模型为例 首先选中地球模型 时间滑块开始默认在第 一帧位置 点击选择并旋转 此时会在地球模型上显示 x y z 三个轴的旋转圈 如 图 4 1 5 a 所示 将坐标系统切换为父对象 如图 4 1 5 b 所示 图 4 1 5 a 世界坐标 图 4 1 5 b 父对象坐标 切换到父对象坐标系统之后 打开自动关键点 按下钥匙形状按钮设置关键点 将时间滑块拉至最后第 400 帧 然后在前视图中将鼠标放至 xy 平面 鼠标变为旋转形 状是则表示可进行旋转了 按下鼠标左键向右滑动鼠标同时看下方坐标 Z 的数值 当 达到 720 放开鼠标左键或直接准确输入 720 同时关闭自动关键点 回到透视图中点击 播放动画预览即可 将会看到地球沿路径围绕太阳公转同时自身也在围绕自身的 z 轴 自转 运用同样的方法则可实现所有行星的自转动画效果 7 灯光的创建 在顶视图中 在太阳中心创建灯光 1 选择标准 对象类型为泛光灯 Omni01 修 改 22 图 4 1 6 灯光参数设置 灯光常规参数 强度倍增为 0 3 颜色默认 详细设置如图 4 1 6 所示 创建灯光 2 同样是在太阳中心 选择光度学 对象类型为自由灯光 创建好的默 认名为 PhotometricLight01 回到修改面板 强度类型为 cd 大小默认为 1500 改为 6000 图行 区域阴影设置 从 图形 发射光线选择为球形 半径 38 597 8 摄影机的创建及 Video Post Video Post 视频合成器 是 3ds max 中的一个强大的编辑 合成与特效处理的 工具 通过加载滤镜 排列层次序列 渲染器通过加载滤镜为场景提供特效 然后就 能得到非常优秀的动画和效果图 简单的说就是一个滤镜工具 对于制作动画或者 优秀的效果图此工具是必须要掌握的 创建一个标准的对象类型为目标的摄影机Camera01 行星公转的同时摄 1 影机也在移动 路径为前面创建的 Line01 见表 4 1 2 打开菜单栏的渲染 选择 Video Post 在打开的 Video Post 窗口中添加图像 2 输入事件 在视图标签下拉选项中选择刚才所创建的摄影机 Camera01 确定 然后 添加图像过滤事件 打开的如图所示窗口 图 4 1 7 图像过滤事件 23 选择镜头效果光晕 然后对镜头光晕效果进行设置 由于我们要设置光晕 3 效果的对象是太阳 首先设置太阳的ID 为 1 回到视图窗口中 右键太阳 打开 对象属性 在 G 缓冲区设置对象 ID 为 1 如图所示 图 4 1 8 对象属性 然后回到镜头效果光晕设置的窗口 勾选对象ID 为 1 效果 ID 为 1 与太 阳 ID 号对应 则设置的对象为太阳 即是为太阳设置镜头光晕效果 设置如下图 所示 图 4 1 9 镜头效果光晕设置 设置好镜头光晕效果的属性之后再进行首选项设置 在效果设置区大小设置为 23 颜色设置区选择像素 强度为 20 其它默认不变点击确定 镜头的光晕效果 就设置好了 运用同样的方法添加镜头效果高光 对象ID 同样是太阳 9 宇宙星空制作及设置 同样为摄影机 Camera01 添加图像过滤事件 如图 4 1 6 选择星空 星星控制 的设置 源摄影机为 Camera01 常规选项框中 最暗的星为 0 最亮的星为 24 255 选择线性 星星大小 像素 设置为1 8 运动模糊勾选使用 数量为 100 暗淡为 40 合成为背景 设置如图 所示 图 4 1 10 星星控制设置 设置好之后确定 到现在 Camera01 镜头效果光晕 镜头效果高光以及星空 都添加设置好了 最后添加图像输出事件 在打开的添加图像输出事件窗口中点击 文件 将会打开一个为 Video Post 输出选择图像文件的对话框 文件名保存为天体的 运动 保存类型为 AVI 文件 Video Post 如图所示 图 4 1 11 Video Post 设置 25 4 1 4 实例渲染测试与展示 3ds max 2009 渲染的设置如图 4 1 12 所示 图 4 1 12 渲染设置 公用参数设置 由于这只是初步的效果渲染测试 只要渲染出其中某一帧的效果 即可 所以在时间输出设置中选择单帧 它将渲染出当前选择视图窗口的当前帧 例 如 当前选中的是透视视图窗口 时间滑块在第 0 帧的话 那么渲染出来的就是透视 视图窗口的第 0 帧的效果 单帧的渲染的效果满意后 由于本次实例最终的效果是视 频动画文件 则时间输出设置改选为活动时间段或者范围 0 至 1000 要渲染的区域选 择视图 输出大小设置 由于输出的尺寸越大渲染的时间也就越长 效果也就越清晰 本实例尺寸选择为 1280 x720 即保证了清晰的效果渲染的时间也不会太长 经过渲染 测试 Camera01 视图窗口的第 266 帧效果如图 4 1 13 所示 经过测试效果发现 设置的宇宙星空效果并没有出现 原因就在于星空等效果是 Video Post 通过图像输出事件渲染出来的而不是在渲染产品中渲染产生 知道了原因 之后 回到 Video Post 打开菜单栏中的渲染 选择 Video Post 打开先前添加和设 置好的图像过滤事件 如图 4 1 11 所示 点击执行序列按钮 同样选择第 266 帧测试 渲染效果如图 4 1 14 所示 26 图 4 1 13 渲染测试 1 图 4 1 14 渲染测试 2 27 通过渲染测试 1 与 2 的对不我们可以看到星空 太阳的光晕与高光效果都已经出 来了 达到了预期效果 接下来把时间输出设置的单个改为范围 0 至 1000 帧 详细设 置如图 图 4 1 15 执行 Video Post 设置好之后开始渲染 由于帧数比较多渲染需要花费一定的时间 逐帧渲染完毕 后本实例就完成了 九大行星 实例展示效果见 三维软件中的真实场景设计及渲染方法研究 01 九 大行星 太阳 天体的运动 avi 宇宙全景 展示效果见 三维软件中的真实场景设计及渲染方法研究 01 九大行 星 太阳 全景 mov 地球全景 展示效果见 三维软件中的真实场景设计及渲染方法研究 01 九大行 星 地球 地球全景 mov 28 4 2 陨石撞击 的制作 图 4 2 1 陨石撞击渲染效果 4 2 1 实例设计的题材及预期效果 有人曾经想象过一颗巨大的陨石击中海洋的情景 当巨大的陨石轰击海洋以后 高达数百米的巨浪 犹如一个个山头 以排山倒海之势 雷霆万钧之力 席卷陆地 毁灭那里的一切生灵 这个过程是我们地球上的生灵所不愿看到的 那么在几百万年 甚至上亿年又是如何发生的呢 本实例将以三维软件 3ds max 2009 通过三维场景的设 计建立相应模型及动画来模拟这一过程 预期效果如图 4 2 1 所示 4 2 2 实例设计所需的模型与制作 1 实例设计所需的模型及效果 模型名称模型名称对象名称对象名称 陨石Sphere01 地球Sphere02 29 太阳SphereGizmo03 聚光灯Spot01 地球大气效果SphereGizmo04 地球蓝光效果SphereGizmo05 陨石外焰SphereGizmo01 陨石拖尾SphereGizmo02 星空星空 摄影机Camera01 表 4 2 1 2 陨石模型的制作 打开 3DS Max 2009 进入到创建命令面板中的几何体子命令面板 单击球体 1 按钮 在顶视图中创建一个球体对象 Sphere01 并设置其半径参数为 7 0 分段为 32 接着进入到修改命令面板中 在编辑集列表下拉列表中选择噪波编辑器 展开 2 参数卷展栏 在噪波栏中勾选分形复选框 设置粗糙度参数值为 0 575 迭代次数参数 值为 5 95 在强度栏中设置 X Y Z 轴的参数值分别为 17 2 3 451 4 803 设置完 毕 效果如图 4 2 2 所示 如图 4 2 2 陨石模型的创建 30 下面我们要为这块陨石贴图 单击主工具栏中的材质编辑器按钮 打开材质编 3 辑器 选中一个空白的材质球 点击展开贴图卷展栏 勾选漫反射颜色复选框 并单 击其右侧的 None 按钮 从弹出的材质 贴图浏览器对话框中选择凹痕贴图类型 接 着在出现的凹痕参数卷展栏中大小设置为 503 强度 32 8 迭代次数 3 颜色 1 的颜 色为黑色 颜色 2 的颜色为红色 设置好之后再单击工具栏中的 视口中显示标准贴 图 按钮 返回到上一级 接着在 Blinn 基本参数设置栏中勾选中的自发光进行设置 勾选颜色并单击其右侧的颜色块 在弹出的对话框中调节一下白度滑块 使材质球的 颜色显得稍微亮一些 然后单