（设计艺术学专业论文）人工建立基础多边形模型的交互研究.pdf

摘要 摘要 当今的动态三维影像表现技术也已经渗透到了社会的各个行业 多边形模型是 c g 动态三维影像项目中的通用模型 市场的扩大 c g 项目要求质量的提高 对于 多边形模型的质量和速度提出了更高的制作要求 而当今三维软件提供的建模命 令已经不能满足社会的要求 导致用户建模效率低下和工作压力加大 模型质量 不高 模型的美观程度低下等问题 需要研究改进 本文以人工建立基础多边形模型的交互作为主要研究对象 提出基础多边形建 模的交互应该由自然化 人性化向艺术化的方向迈进 基础多边形建模交互已经 不只是程序交互 而是要提升到内容交互的境界 本文在研究的过程中本着系统论和 以人为本 的工业设计思想 结合事理学 的分析思路 主要运用分析 比较法等研究方法 通过市场调查 掌握了用户的 第一手资料 本文首先对多边形模型进行分类 明确基础多边形建模的工作标准和原则 然 后分析与基础多边形建模交互相关的人的因素 人是建模交互操作的主导 考虑 到基础多边形建模的交互的发展应该由自然化和人性化最终走向艺术化 将基本 多边形建模的交互操作分为程序交互和内容交互 程序交互是基本的交互 而内 容的交互是高级的交互 所以对于人的因素分为两方面研究 一方面 完成程序 交互所要求的人的因素 包括用户建模时的人机工程学分析和用户心理信息模型 的分析 此目的是为了基本的多边形建模交互 程序交互能够顺利进行 另一 方面 与提高内容交互质量的有关的人的因素 这与用户的差异性因素有关 这 些因素对于构建人性化和艺术化的多边形建模交互操作起到重要作用 交互是连 接人与机器的桥梁 通过对多边形建模操作中人的因素的分析 结合人的在交互 操作中体现的特点 结合基础多边形建模的建立标准和工作流程 提出合理的基 础多边形建模交互原则 最后 研究与基础多边形建模有关的虚拟界面 提出虚 拟界面的设计原则 作为设计实践 结合3 d m a x 这一当今通用的典型三维软件 对其现有的基础多 边形建模命令进行分析 根据本文的相关理论内容找到存在的不足 运用它自身 的脚本语言编写出新的适宜用户使用的基础多边形建模命令 改进现有的多边形 山东大学硕士学位论文 建模交互 使其更加自然化 人性化和艺术化 提高人工基础多边形建模的质量 和效率 关键词 交互 基础多边形建模 虚拟界面 a b s t r a c t 一i ii ii a b s t r a c t t o d a yt h r e e d i m e n s i o n a ld y n a m i ci m a g et e c h n o l o g yh a sp e n e t r a t e da l ls e c t o r so f s o c i e t y p o l y g o nm o d e l si st h eg e n e r a lm o d e l si nc g v i d e of i e l d s s i n c et h ee x p a n s i o n o fc gm a r k e t s t h er e q u i r e m e n to ft h ei m p r o v i n gq u a l i t yo ft h ep o l y g o nm o d e l si s p r o p o s e dh i g h e r b u tt h ec u r r e n tt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r ep r o v i d et h e b a c k w a r do r d e rt h a th a sb e e nu n a b l et om e e tt h es o c i a lr e q u i r e m e n t s u s e r sw h om o d e l h i 曲 q u a l i t ym o d e l sh a v el a r g ew o r kp r e s s u r ea n dw o r ki n e f f i c i e n t l y a n dt h em o d e l s h a sal o wd e g r e eo fe s t h e t i c s t h ei n t e r a c t i o no fm a k i n gb a s i cp o l y g o nm o d e l sn e e df o r i m p r o v e m e n t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ei n t e r a c t i o no fm a n u a lm a k i n gp o l y g o n a lm o d e l sa sa m a j o rs t u d y p r o p o s i n g i n t e r a c t i o no fb a s ep o l y g o nm o d e l i n gs h o u l d b en a t u r a l h u m a n i s t i ca n da r t i s t i c t h ei n t e r a c t i o no fm a k i n gb a s i cp o l y g o nm o d e l si sc o m e n t i n t e r a c t i o nr a t h e rt h a np r o c e d u r ei n t e r a c t i o n t h er e s e a r c hp r o c e s si sb a s e do ns y s t e m a t i ct h e o r ya n dt h e p e o p l e o r i e n t e d o f i n d u s t r i a ld e s i g ni d e a s w i t hi d e a so ft h i n g s r e a s o nw a y u s i n ga n a l y s i s c o m p a r ea n d o t h e rr e s e a r c hm e t h o d s t h r o u g hm a r k e ti n v e s t i g a t i o n s ih a v eal a r g en u m b e ro f f i r s t h a n di n f o r m a t i o na b o u tm o d e l i n gb a s i cp o l y g o nm o d e l s f i r s tt h i sa r t i c l es o r t sp o l y g o nm o d e l sr e a s o n a b l y p o i n t i n go u ts t a n d a r d sa n d p r i n c i p l e sf o rb a s i cp o l y g o nm o d e l i n g t h e na n a l y z i n gh u m a nf a c t o r sr e l a t e dt ob a s i c p o l y g o nm o d e l i n g b e c a u s eh u m a n i st h ed o m i n a n ti nm o d e l i n g t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e d e v e l o p i n gw a yo ft h ei n t e r a c t i o n p o l y g o nm o d e l i n gs h o u l d b ef r o mn a t u r a la n d h u m a n i s t i cp r o c e s st oa r t i s t i cp r o c e s s id i v i d et h eb a s i cp o l y g o nm o d e l i n gi n t e r a c t i o n i n t ot h ep r o c e d u r ei n t e r a c t i o na n dc o n t e n ti n t e r a c t i o n p r o c e d u r e si n t e r a c t i o ni st h eb a s i c i n t e r a c t i o n a n dc o n t e n ti n t e r a c t i o ni ss e n i o ri n t e r a c t i o n t h a ti sw h yt h eh u m a nf a c t o r s r e s e a r c hi sd i v i d e di n t ot w o o nt h eo n eh a n d t h eh u m a nf a c t o r sr e l a t e dt oc o m p l e t i n g t h ep r o c e d u r e si n t e r a c t i o n i n c l u d i n ge r g o n o m i c sa n a l y s i s a n du s e rp s y c h o l o g i c a l i n f o r m a t i o nm o d e la n a l y s i s t h i sp u r p o s ei st om a k eb a s i cp o l y g o nm o d e l i n gi n t e r a c t i o n p r o c e s ss u c c e s s f u l l y o nt h eo t h e rh a n d t h eh u m a nf a c t o rr e l a t e dt oe n h a n c i n gt h e q u a l i t yo ft h ec o n t e n ti n t e r a c t i o n w h i c hi sa b o u tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nu s e r s t h e s e f a c t o r si sv e r yi m p o r t a n tt ot h ec o n s t r u c t i o no fh u m a n i s t i ca n da r t i s t i ci n t e r a c t i o n h u m a ni sc o n n e c t e d i t l lc o m p u t e r sb yt h ei n t e r a c t i o no fp o l y g o n a lm o d e l i n g t h r o u g h 1 1 1 a n a l y z i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp o l y g o n a lm o d e l sa n du s e ri nb a s i cp o l y g o nm o d e l i n g i p o i n to u tt h ep r i n c i p l e sa b o u ti n t e r a c t i o no fm a k i n gb a s i cp o l y g o nm o d e l s f i n a l l y s t u d y i n gt h ev i r t u a lo fc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c et h a ti n t e r a c t i o na b o u tm o d e l i n ga r e m o r ec l o s et o p o i n t i n go u td e s i g np r i n c i p l e sa b o u tv i r t u a li n t e r f a c e a sad e s i g np r a c t i c e c o m b i n i n g3 dm a xa s t h em o s tt y p i c a la n dc o m m o n t h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r e a n a l y z i n gi t se x i s t i n go r d e r sa b o u tp o l y g o nm o d e l i n g i n a c c o r d a n c ew i mt h er e l e v a n tt h e o r e t i c a lc o n t e n t so ft h i sp a p e rt of e n dt h es h o r t c o m i n g s a n du s ei t so w ns c r i p t i n gl a n g u a g et ow r i t en e wa p p r o p r i a t ep o l y g o nm o d e l i n g c o m m a n d si no r d e rt oi m p r o v et h ee x i s t i n gi n t e r a c t i o na b o u tb a s i cp o l y g o nm o d e l i n g m a k i n gi tm o r en a t u r a l h u m a n i s t i ca n da r t i s t i c a n di n c r e a s i n ga r t i f i c i a lq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo fb a s i cp o l y g o nm o d e l s k e yw o r d s i n t e r a c t i o n b a s i cp o l y g o nm o d e l i n g v i r t u a li n t e r f a c e i v 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签名 盛故 日 论文作者签名 笙望兰釜 日期 2 壁盟垒目 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规 定 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权山东大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 缉主叁墨一导师签名 趔 ia wv 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和现状 1 1 1 研究背景 目前在三维动态表现技术中 普遍采用的模型是多边形模型 这是因为与曲面 模型相比 多边形模型有以下优点 1 多边形形状简单 便于计算和处理 lj 2 多边形模型可以任意精度逼近一曲面物体 并可以表示造型非常复杂的物体 3 只需存贮各多边形的顶点即可表示物体的几何信息 在计算多边形内任一可 见点的光亮度时 所需要的信息可由顶点的信息插值得到 这使得对于多边形模 型的绘制可以采用硬件加速技术实现 2 由于动态三维影像表现技术发展和市场的扩大 使得多边形模型需求增大 对多边形的质量要求不断提高 多边形模型的质量包括精准程度和细节程度 还 有制作模型的速度也随着项目的扩大而提高 如何在第一时间制作出高质量的多 边形模型成为c g 业界共同关注的话题 同时 当今多边形建模已经开始从早期的技术实现向艺术表现进行转变 当 今的c g 技术 已经有了大幅度的提高 表现效果由原来的技术表现阶段 逐步转 向艺术表现阶段 3 1 1 1 2 课题的研究现状 目前多边形模型的建立方式主要有三种 一种是通过三维激光扫描仪在实物表 面上测得一系列离散点后由算法生成 一种是先由数学参数曲面 比如n u r b s 模 型 然后通过计算机程序进行转换 把非多边形模型转换成多边形模型 一种是 由用户通过与计算机交互生成 通过人工不断修改结构线得到多边形模型 由于 前两种建立方式大多数的建模工作是借助计算机系统完成 所以生成的模型数据 过大 模型过于繁琐 用于三维静帧尚可 但如果制作动画 就需要精简化的模 型 所以在动态三维影像表现中目前仍然以第三种建立方式为主 4 1 i 在第三种建立方式中 人工建立多边形模型方式在流程上可以大体分为两个环 节 分别为基础多边形模型的建立阶段和细节雕刻多边形模型阶段 基础多边形 模型的建立是人工建立多边形模型的必经之路 它是指人手工通过修改模型的拓 扑结构线建立初始多边形模型的过程 此时建立的多边形模型已经具有基本造型 形态 甚至部分造型细节 这种模型叫基础多边形模型 而细节雕刻多边形模型 是通过雕刻软件对基础多边形模型进行细分 然后人工雕刻细节 此时建立的多 边形模型叫高级多边形模型 通过此模型与其基础多边形模型的结合可以求得法 线或者置换贴图 然后应用于基础多边形模型上 作为基础多边形模型细节表现 的一种手段 只有在对模型细节要求较高的c g 领域 比如电影特效动画 次时代 游戏 三维电影动画等 制作多边形模型时才会进入到细节雕刻这一阶段 以下 的图片是一个电影角色模型的制作介绍 图1 1 基础多边形模型完全由用户手工建立 把基本的造型制作出来 有时一个电影级 别的基础角色模型的数据量也要超过一万个面 图卜2 对基础多边形模型进行细分 用户通过雕刻软件雕刻细节生成法线或者置换贴图 图卜3 在基础多边形模型上应用法线贴图 既增加了造型细节 又减少了模型的数据量 目前对于基础多边形模型的人工建模 理论和技术上已经成熟 但其表达的方 式 三维软件建模命令的设计 还存在很多不足 人工建立的基础多边形模型的交互是通过人操作计算机三维软件建立多边形 模型来实现的 可能三维软件有所不同 但都是围绕着修改多边形模型的拓扑结 构这一中心设计的 经过对用户的调查 在建立基础多边形模型的工作中 对于 简单的多边形模型用户通过三维软件能够轻易制作出来 而且花费时间较少 但 是复杂的基础多边形模型 用户使用软件建立时感觉困难较大 花费时间较长 而且建模思路开始模糊不明 同时 三维软件的多边形建模命令的设计还没有考 虑到多边形模型的特点和人在建模时的真正需要 也没有关注具体的行业要求和 多边形建模独特的交互方式 这是因为 程序代码所实现的命令大多是很早以前遗留下来的 没有根据行业的发展需 要 予以改进和提高 随着c g 的发展 c g 的本质 艺术与技术的完美结合也开始凸显 而传统的 建模命令由于只是专业的计算机程序员开发的 没有对艺术的深刻认识 只是侧 重技术的实现 这些命令的设计没有考虑到实际制作中建模用户的真正需要 由于当今三维多边形建模命令的存在的诸多问题 使得基础多边形建模工作成 了一种效率极其低下的工作 用户没有从事c g 这一创意行业的那种本应该快乐的 心情 而且由于长时间在计算机面前工作 工作负担的加重 对于身体的伤害很 大 同时用户失去了工作的信心 建模工作使得使用的软件用户感觉厌烦 山东大学硕七学位论文 1 2 研究意义 本文的研究对象是人工建立基础多边形模型的交互 对于多边形模型的细节雕 刻阶段不做考虑 人工建立基础多变形模型的交互操作 应该由自然化 人性化 走向艺术化 应该从原本的程序交互 是一种基本的操作过程 主要是和启动命 令有关 所有正常人都可以做到的 比如按下鼠标或者按钮 它不需要特殊的技 能培训 只是需要用户对界面有一个清醒的认识 了解每个控件的确切位置和使 用方式 无非就是与软件的一种直接的浅显的交互关系 5 逐步转变成内容交互 软 件的功能只是提供现有的技术平台 而多数的任务和工作需要每个用户发挥个人 的因素完成 虽然每个用户都可以通过软件的基本功能实现内容操作 但是每个 用户的知识背景 能力 天赋等都不相同 同样是完成一个相同的任务 可能最 后的结果会由于内容操作的不同而不刚5 转变成一种独特的艺术创作才能显示 出它存在的价值 所以基础多边形模型的建模交互应该考虑行业的规范和标准 用户的目标和行为的正确趋向 体现c g 的本质 艺术与技术的完美结合 本文通过市场调查 了解到人工建立基础多边形模型的交互存在的诸多问题 发现现有多边形建模软件平台对于基础多边形建模工作所产生的普遍局限性 结 合基础多边形模型的自身特点和基础多边形建模的工作特点 结合人机工程学 心理学 信息学等方面的专业知识 研究与人工建立基础多边形模型交互操作相 关的人的因素 提出适合三维多边形建模操作的交互原则 同时 兼顾计算机软 件与硬件提供的现有平台资源 改进人工建立基础多边形模型的建模命令 建立 起更加合理有序的行为交互方式和交互内容 希望提高用户操作效率 满足用户 操作需求心理 突出 以人为本 的工业设计理念 达到理想化的建模交互过程 使得建模过程不再是那种枯燥而乏味的工作 变得快乐而有趣 希望本文的内容 对于以后开发三维软件的多边形建模功能具有一定的指导意义和参考价值 作为设计实践 本文主要以3 dm a x 这一目前主流三维软件作为典型案例 根 据本文的相关理论内容 发现其在基础多边形建模中不足之处 通过运用3 dm a x 脚本语言 编写新的多边形建模命令 改进现有基础多边形建模的交互方式和交 互内容 1 3 研究方法 4 第1 章绪论 本课题采用了以下方法学思想 系统论 系统一词 来源于古希腊语 是由部分构成整体的意思 通常把系统 定义为 由若干要素以 定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体 系统 论的核心思想是系统的整体观念 6 1 分析法 是将客观事物的整体分解为一定部分 方面 要素等并逐个加以分析 的思维方法 综合是在分析基础上把对客观对象的一定部分 方面 要素等认识 联系起来 形成对客观对象统一整体认识的思维方法 比较法 所谓比较学 就是利用对比 类比 相关 归纳 推广 移植 联 想等方法 采用直接比较和渗透比较等方式研究事物间的异同之处和相互影响 相互联系的学科 比较学是科学研究中必不可少的逻辑方法 他不仅是类比 分 类等逻辑方法的基础 而且在分析 综合等逻辑方法中也离不开它的运用 r l 同时本文还采用了案例法 是通过案例分析来说明问题的研究方法 观察法 调研法 和测验法 对于三维建模操作过程中存在的问题 需要大量的实例资料 收集 而实例资料大概分为两种方式 亲自体验 笔者亲自尝试三维多边形建模工 作 掌握作为一个用户在从事建模活动中所遭遇到的一些问题 同时 利用便利 的网络资源 通过对网络上大量相关信息的归纳总结分析 从而总结出相关的数 据统计 实例资料分析等 而且设计一张调查问卷 在相关c g 论坛上发出 收集 有关三维建模操作问题的帖子 收集用户所提出的改进意见 和建模用户共同探 讨从事多边形建模工作中遇到的问题 1 4 论文框架 本文以人工建立基础多边形模型的交互为研究对象 通过分析各种多边形模 型的特点 总结出在建立过程中存在的交互问题 结合人的因素 结合艺术表现 的本质问题 从人机工程学角度和人机交互系统角度进行分析现有的交互问题 突出多边形模型的自然化 人性化和艺术化建立过程 建立合理的人工建立基础 多边形模型的交互原则 作为设计实践 以3 d m a x 作为典型案例 通过编写新的 建模命令 改进其交互方式方式和交互内容 促进人与机器的和谐交互和信息的 沟通 第2 章 首先 通过上述研究方法 查阅收集资料和相关统计数据 调查三维 5 山东大学硕士学位论文 建模的从业人员和在校主修三维动画专业的学生 了解用户及其软件使用的具体 情况 然后 对三维多边形模型分类 每类模型的建立标准都有所不同 针对关 系多边形模型质量的最突出问题 布线问题 本文总结了基本的布线原则 确 立了相关概念 第3 章 研究人在多边形建模操作中的相关因素 从基础多边形建模交互应该 由自然化 人性化向艺术化发展的角度出发 从基础多边形建模交互分为两个层 级 程序交互和内容交互出发 首先 探讨了完成程序交互所需要的人的因素 这通常指与多边形建模工作相关的人的共性因素 包括工作时的人机工程分析 还有在工作中的人的心理模型信息传输过程的分析 最后分析人的差错 确保基 本的建模交互能够顺利进行 人与计算机的信息能够顺利的交流 然后探讨提高 内容交互质量所需要的人的因素 这主要指与多边形建模工作相关的人的差异性 因素 本文对用户进行了划分 不同等级的用户 操作时的需要 造型感知能力 艺术造型能力等都是不同的 第4 章交互 基础多边形建模是一种自然化 人性化和艺术化的交互 在交 互过程中应该注重 流 的存在 为此需要从横向和纵向分析多边形建模交互过 程 建立交互框架模型 信息在交互中的流通路径和交互流程 指出人工建立 基础多边形模型的艺术化交互的原则 第5 章机的因素 也就是界面因素 主要探讨了与基础多边形建模关系较为 密切的虚拟界面 虚拟界面指通常与基础多边形建模相关的三维软件界面 提出 基础多边形建模的虚拟界面的设计原则 第6 章实践 以3 d m a x 作为典型案例 通过调查研究人工建立基础多边形模型 的交互 结合本文理论知识 分析其中的不足 运用3 d m a x 脚本 编写少量多边 形建模命令 改进用户在3 d m a x 环境下的基础多边形建模的交互操作 1 5 基本概念 用户 本文指使用三维软件与计算机进行交互 建立基础多边形模型的人 基础多边形模型的建模 指人与计算机交互 手工通过修改多边形模型的拓扑 结构线 实现建立基础多边形模型的建模过程 有时也简称基础多边形建模 心智模型 人们并不需要知道复杂产品的实际工作细节来掌握它的使用方法 6 第1 章绪论 为了达到便于使用的目的 人们在认知i 仓d 建了一种简捷的解释方式 这种方式 对他们与产品的交互来说已经足够了 这种概念模式被称为心智模型 7 1 7 山东大学硕 学位论文 第2 章三维多边形建模概述 基础多边形模型的建模操作属于人与计算机的交互操作 建模的交互最终需 要一个软件界面实现人与机的信息沟通 但是软件界面在交互的流程中一般只作 为附属品 交互本身才是最重要的 交互应该充分考虑到 以人为本 的设计原 则 研究交互需要从具体的环境 基础多边形模型的建立出发 以人为交互 的中心 构建合理的交互方式 在交互实施的过程中要考虑计算机能够提供的现 有条件 最后呈现的是软件界面 多边形模型是当今三维动态影像中普遍使用的模型类型 它由点 边 面三 个元素组成 线是点之间的连接 是面的组成部分 对点 边 面三个元素进行 修改就可以改变模型的形状 s 2 1 多边形模型的分类 目前多边形模型存在多种分类方式 比如按照模型的造型特点分为规则模型 和不规则模型 按照模型的面数分为低模和高模 按照模型的动画需求分为动态 模型和静态模型等等 这些分类带有特定的产业倾向 不够合理 比如在三维游 戏产业中 只注重模型数据量的大小 一般把模型分为高模和低模 在建筑漫游 领域中 注重模型的外观表现 把模型分为规则模型和无规则模型 本文考虑针 对基本多边形模型建立研究的需要 结合当今的一些分类特点 采用了一种多层 级的分类方式 8 第2 章三维多边形建模概述 图2 1 多边形的模型分类 如图2 1 所示 基础多边形模型在第一层级分为规则模型和无规则模型 这 是按照模型建立时对用户建模能力的需求特点决定的 规则的模型 物体的形态 可以通过某种规则加以描述 在外观上有明显的特征并能够精确再现的 这些模 型的外形有很强的人工制作的痕迹 建立这种模型不需要极强的艺术造型能力 比如建筑模型 家用电器等等 规则的模型按照模型的数据大小分类 以多边形 模型的面的数量作为根据 将模型分为高模 中模 低模 根据目前模型应用领 域的不同 和项目达到的技术水平不同 一般将面数为4 0 0 0 以下的多边形模型 统称为低模 面数从4 0 0 0 到1 0 0 0 0 的模型 统称为中模 1 0 0 0 0 以上的模型统 称为高模 在实际工作中 低模和高模的应用最广 9 图2 2 游戏角色低模图2 3 人工建立的电影角色高模 无规则的模型 指的是这些模型在细节上和大体形态上都具有任意性 没有 绝对 样的可能 这些模型大多是自然形成的 几乎毫无固定的规律可以言 随 机性很大 建立这种模型需要极强的艺术造型能力 之所以需要极强的艺术造型能力 这是因为在计算机的三维世界中 由于计 算机模型数据是有限制的 每个存在于计算机内的三维模型无论简单还是复杂 都具有确定的数据大小 与自然物体包含无限细节的存在方式而言 通过人为建 立计算机数据模型使其完全与现实中的客观物象一致在原则上是不可能的 例 如 在计算机的三维世界中建立一个人物角色 即使电影级别的标准建立基础多 边形模型 经过细分后的多边形模型的面数达到1 0 0 万 贴图的分辨率使用 4 0 9 6 4 0 9 6 也只能表现基本的外形特征 当摄像机拉近三维模型时 还是会出 现模型贴图锯齿 也不能通过建模完全表现角色的细节皮肤组织结构 比如老化 细胞 汗腺 汗孔等造型结构 这说明 计算机的三维技术对于表现现实的事物 对象有一定的限制 通过软件建立的模型 数据量不可能无限制的增大 这就要 求用户能够合理的使用现有的计算机资源 尤其是在建立无规则的模型时 为了 增加模型的造型表现力 需要借鉴艺术造型的表现思想 把无规则的多边形模型 根据动画的需要进行分类 分为静止模型和变形模 型 如果模型自身的组成部分在动画的中不发生相对位置的变化 就是静止模型 如树木 石头 花草等等 然后根据模型的面数来分 分为高模 中模和低模 如果模型自身的组成部分在动画的中发生相对位置的变化 就是变形模型 比如 1 0 第2 章三维多边形建模概述 角色模型 它在项目的应用中需要点头 弯腰 屈腿等等 然后根据模型的面数 来分 分为高模 中模 低模 2 2 多边型模型的广泛应用的原因 多边形建模在三维动态影像中的优势是非常明显的 主要表现在以下方面 多边形模型的精简优势 在相同造型细节的要求下 多边形模型的数据量最 小 多边形模型能够得到其他c g 技术良好的支持 能够设定面的光滑组 能够 轻易的与粒子系统进行结合 做出一些神奇的例子特效 多边形建模过程是灵活的 单纯的而且符合艺术家创作的思维 你可以在建 模的过程中 结合自己对需要表现对象结构的理解 通过切割点 线 面 挤压 点线面 调整点线面的位置等方式 任意的修改模型的拓扑结构线 可以对模型 的网格密度进行较好的控制 对细节少的地方少加入结构线 对细节多的地方多 加入结构线 使最终模型的网格分布稀疏得当 后期用户还能比较及时的对不太 合适的网格分布进行纠正 具有很强的结构再造能力 用户可以一边建立模型 一边修改模型 随时在这两种状态中自由的切换 就像是传统的雕塑艺术一样 由点形成线 线形成网格 网格形成面 面又形成体 通过点的移动来塑造形体 符合艺术家创作的思维形式 2 3 多边形模型的制作要求 经过调查 一个多边形模型的制作要求与下面三个因素有关 对模型结构的 把握程度 艺术造型能力和对模型布线的控制 对模型结构的把握和艺术造型能 力 是与用户建模时的思维方式有关 这些内容需要结合用户创作过程时的思维 和交互来研究 在后续的章节会有介绍 而对多边形模型网格布线的控制 是用 户在多边形建模时为了工作的需要而存在的心智模型 合理的多边形模型布线已 经成为了多边形建模的行业规范 多边形模型是由点线面组成的 线是多边形模型的基础 它连接着点 形成 着面 是模型成型的基本骨架 决定最终的形态 多边形模型的线称为拓扑结构 线 简称结构线 9 1 如何在既定的造型前提下排列这些结构线就称为多边形模型 的布线 布线直接影响到以后多边形模型的应用效果和应用范围 决定模型的数 据量的大小 决定c g 项目后续工作的进程 所以 布线是多边形模型的一个非 山东大学硕 学位论文 常重要的特点 布线的理想程度会对以下产生影响 优良的布线可以加快视图显示速度 1 0 1 如果模型布线得当 计算机计算模型 显示的速度就快 这样就可以加快计算机的操作反映速度 减少制作时间 如果 布线不合理 就会造成操作速度的缓慢 布线是控制模型面数的主要手段 一个模型的面数能否控制在要求的范围之 内 这需要依靠模型的布线来实现 加快蒙皮工作的效率 蒙皮一般是指角色动画在骨骼调节方面的技术 平整 有续的布线可以节约用户一半以上的蒙皮工作 因为如果模型具有合理的结构 线 计算机在进行初始蒙皮计算的时候 准确程度会更高 这样减少了人手工修 改蒙皮权重的时间 更好控制表情动画 表情动画的实现 可以以多种方式驱动多边形模型的顶 点位置的改变而实现 优良的布线是确保表情动画真实可信 变化丰富的关键 加快多边形模型碰撞计算的速度 优良的布线可以加快动力学的计算 使得 动力学动画更加自然流畅 体现出真实的空间扭曲动画细节 布线良好的模型 在调节动画阶段 能够 表现出真实的变形 撕裂 拉伸等空间扭曲动画类型 使模型在特定的空间扭曲 场中变形更加自然可信 加快渲染速度 2 4 多边形模型的布线规范 总体上说 基础多边形模型的布线要根据模型各个部分的动画特点考虑 1 1 无论规则的还是不规则的多边形模型 在模型不产生变形运动的部分 布线只要 表现既定的外观结构就可以 在模型产生变形运动的部分 考虑到制作变形动画 的需要 布线应该使得多边形模型的结构线符合动画的要求 一般一个基础多边 形模型的质量与以下概念有关 2 4 1 面的四边化 在有些模型中 由于在应用时追求模型表面的光滑需要至少一级的细分 所 以多边形模型的面最好为四边形 只有四边形的面在细分的时候根据中点细分原 则 可以预见细分后的效果 如果模型完全由四边面组成 那无论多少次细分模 型表面都不会有突兀造型的产生 无论何时都能保持模型的光滑 但是在实际建 模中会有特殊需要 比如模型面数的限制 建立的多边形模型不能完全由四边面 1 2 釜2 差三丝主鎏垄鹜基堡鎏 组成 所以允许模型少量的三角面 但是三角面的位置 应该位于模型不产生局 部变形动画的地方 这样可以保证动画效果的连续性和真实性 比如 在制作角 色的时候 不要将三角面放置在面部 而是放置在类似耳后这些隐蔽区域 24 2 结构面流 图2 5 极点产生突兀造型的实例 图2 6 结构面流 在造型的时候需要借助规整的结构面流来表现 结构面流是由四边面组成 的 在模型的网格中按照某一个经纬方向不断延伸 形成带状的一组面 结构面 流的表现方式在模型中可能不同 比如角色模型 结构面流的概念是人的肌肉所 形成的造型脉络 而对于汽车模型 这种结构面流的概念是车体曲面的骨架 用 户在建立模型时 应该准确的分析结构面流的位置和脉络走向 这需要建立在对 造型的深刻理解的程度之上 上面图中的人头模型 很好的表现了结构面流的造 型功能 人物头部的眼轮匝肌肉 口轮匝肌肉 咬肌等造型结构都能通过结构面 流加以体现和划分 通过几条主要的结构面流准确的体现出面部主要的肌肉走 l u c c l c u o o e 们 悉一囊 向 对于以后制作角色面部的表情动画 提供了极大的方便 使得在制作动画时 骨骼能带动特定的肌肉变形和移动 呈现出自然真实的表情 结构面流可以通过结构线流细分 结构线流是结构面流中 与结构面流的延 伸方向平行的一组连续结构线 按照在一条结构面流中存在多少条结构线流的数 量 可以把结构面流分为 分为单一结构面流和多条结构面流 单一结构面流就 是在结构面流的延伸方向上 内部的四边面没有一条结构线流存在 多条结构面 流是在结构线的延伸方向上 内部有至少一条结构线流存在 图2 7 单一结构面流和多条结构面流 单一结构面流是表现基础多边形模型造型的主要结构 它的存在对于模型的 造型非常重要 每个模型的骨架至少由一条单一结构面流表现 模型的骨架是造 型和动画的关键 在建立多边形模型的初始时期 用户关注的是单一结构面流的 位置和走向 而多条结构面流中的结构线流是为了增加细节而添加的 往往在不 破坏模型骨架造型的基础上 为了添加真实的细节结构 都需要在单一结构面流 内部加入多条结构线流形成多条结构面流 多条结构面流可以表现模型更丰富的 细节 容易控制模型细节的造型效果 在图2 8 中一个模型先由单一结构面流确 定造型的骨架结构 然后通过在结构面流中加入结构线流丰富细节 葬雾 警备炒 图2 8 单一结构面流确立模型的主体造型 多条结构面流进行细节丰富 结构面流一般有以下几种存在方式 o3 图2 9 结构面流的四种形成方式 0 形的结构 是一种比较常见的结构面流的方式 结构面流的收尾相连 构 成一个闭合的区域 一般表现的是凹坑或者突起的结构 还有循环的结构 比如 角色的眼轮匝肌 口轮匝肌 机械模型表面的坑洞等等 c 形的结构 是一种半开放的结构面流方式 断开的区域是模型的边缘或者 急剧转折的地方 同时断开区域可以连接其他的结构面流方式 x 形的结构 是一种交叉形的结构面流方式 它的四个端点可以结合其他形式 的结构面流 有良好的造型扩展能力 交叉形式的结构面流 根据造型的需要 可以有方向性的倾斜 螺旋形结构 这种结构线比较少见 只有在一些特定的造型中 比如弹簧 贝壳中采用 它的两个端点也可以连接其他结构面流形式 锺镬 图2 一1 0 多边形模型的结构面流形式 2 4 3 结构面流的转折 结构面流可以转折 这是多边形模型能够表现复杂造型的真正原因 正是因 为转折的存在 才使得多边形模型的造型如此的自由 结构面流的转折分为自身 转折和极点转折 结构面流的自身转折是指结构面流自身通过垂直于延伸方向的结构线的旋 转实现的 这种转折比较缓慢 往往需要很大的空间区域才能完成 一般指结构 面流的c 形结构 极点转折属于一种急剧的转折 它是在多边形建模中经常被采用的一种转折 方式 极点 由非四条边相交的点称为极点 极点按边数可以分为三星极点 三条边相交形成的点 五星极点 五条边相交形成的点和多星极点 五条以 上的边相交形成的点 多边形模型是依靠三星极点和五星极点来完成结构面流的转折的 所以 三 星的极点和五星的极点在多边形建模的过程中很重要 图2 1 1 中e 点是五星极点 24 4 五星极点 五星极点的作用是使结构面流转折 如图2 1 2 上面框中五星极点的存在使两 条并列的结构面流分离 改变各自的方向 但是它的存在也会给模型的光滑度带 来问题 往往五星极点的存在会破坏细分后的模型的光滑程度 所以五星极点的 位置也与建立模型对象的造型特点有很大关系 在建模的过程中 五星极点是不 可以被删除的 我们只能移动它在模型拓扑结构网格中的位置 一般为了制作动 画的需要 不要把五星极点安放到模型需要做具有变形效果的地方 同时 不要 把五星极点安放在要求模型表面光滑程度极高的区域内 这说明五星极点的位置 与每个模型的造型特点极其相应的动画特点息息相关 图2 1 2 五星极点的存在使两条并列的结构面流分离 图2 1 3 领口光滑的转折处 应该避五星极点的出现 2 4 5 三墨极点 三星极点在多边形建模中 可以使结构面流形成转折 一般三星极点发挥这 一作用时 都需要有一个五星极点进行配合完成 图2 1 4 两条结构线在接触后 各自分开 形成了两对 三星五星 点 真正起到转折作用的是三星极点 在这 里五星极点只是起到一辅助转折的作用 戮 图2 1 4 三星极点的转折作用 三星极点另一个作用是为了刻画细节 在局部增加结构线 一般也需要五星 极点的配合才能完成 结构线在三星极点的位置 由一条结构线分裂出三条结构 线 使结构线的密度加大 为模型的某些细节结构的塑造提供了方便 图2 一1 5 鼻 1 7 子部分 由于下部的结构相对于上部复杂 所以需要更多的结构线表现 在鼻子 中部的位置 采用了一个三星与五星的组合 结构线从一条转变成三条 满足了 鼻子下部造型的需要 圈2 1 5 三星极点刻曲细节 综上所述 一般来说 基本多边形模型的理想化布线应该是 所有的面均为 四边面 而且面的疏密得当 面数应该在模型中得到合理的分配 模型中重要的 需要变形的地区需要多加入结构线以表现真实的动画细节 次要的不需要变形的 区域应该少加入结构线以节省模型局部的数据 结构面流通过不同方式的搭配使 用 不但能准确的表示出造型特征 而且要符合角色变形动画要求 极点的位置 能够根据造型的需要恰到好处 考虑到最后渲染和动画的需要 模型的数据量尽 量精简 对于有些模型 比如游戏模型 由于模型在应用时没有经过细分 可以大量 存在多星极点 而且结构面流中可以存在三边面 五星极点的位置也不需要考虑 太多 第3 章与基础多边形建模相关的人的冈素 第3 章与基础多边形建模相关的人的因素 计算机受到人的支配 控制 操纵和管理 在计算机所完成的任务中 有大 i 量工作是人与计算机配合共同完成的 在这种情况下 人与计算机需要进行相互 间的通信 即所谓的人机交互 1 2 1 多边形建模己经成为一种人与计算机的交互操作 人在交互的过程中处于主 导地位 计算机拓展了人的作用空间 理想化的建模过程应该达到人与机器自然 结合的状态 人工建立基础多边形模型的交互应该由自然化 人性化走向艺术化 自然化 是指交互方式的应该顺应用户的思维习惯 人性化是指交互方式的实现应该考虑 到用户的个人能力 艺术化是指交互的方式应该让用户在工作的过程中能够自我 提高 培养用户正确的艺术思考方式 基础多边形建模的交互应该分为两个层级 程序交互和内容交互1 1 3 j 建模的程序交互是指 用户使用软件启动命令 程序执 行 最终效果反馈给用户的交互过程 它不需要特殊的技能培训 只是需要用户 对界面有一个清醒的认识 了解每个控件的确切位置和使用方式 无非就是与软 件的一种直接的浅显的交互关系 它属于一种初级的交互 而建模的高级交互是内容交互 内容交互是用户通过艺术化的审美眼光修改 模型的交互过程 经调查发现在调整所有三维多边形模型中都需要内容交互 规 则的模型有确定的外形要求 但是用户在建立模型细节的时候 可以根据自己的 审美倾向进行微调 不规则的模型 由于外形没有确定的规格尺寸要求 在调节 模型的造型时更需要借鉴艺术化的审美方式 所以说 完全按照确定预想设计图 来建立多边形模型的情况几乎