3DMAX毕业设计

摘要

随着计算机虚拟现实技术、网络技术和数字媒体技术的不断发展，虚拟现实技术在很多领域受到重视，被越来越多的行业在运用。虚拟技术在制造业、建筑业、驾驶员培训等方面都取得很大的成绩。就建筑设计行业而言，在虚拟建筑漫游和虚拟展示漫游中对虚拟漫游技术的运用，打破了以往的通过效果图的二维展示方式，在建筑设计最终表现形式上有了更直观的演绎。

本文详细的阐述三维在现在生活中的应用状况，发展前景和主要的实现手段。最终选择3D MAX作为实现方式，着重的讲述了3D MAX的优缺点和如何运用3D MAX制作自控元件的三维模型。

关键词：3D MAX；建模；自控元件

Abstract

In pace with the development of Virtual Reality Technology (VR for short), Network Technique and Digital Media Technology, VR is applied at a premium in different field. And it already achieved remarkable successes in manufacturing industry, construction industry and driver training. As far as construction industry is concerned, the application of VR in Touring Quickly in Virtual Building and Virtual Display Walk through has set a new record on architectural design, which has replaced the past two-dimensional presentation by impression drawing, and has given a more visually oriented representation.

This paper has elaborated in detail the application of the three demons in modern life , the development prosper and main means to carry out. The author eventually choose 3D max as the carrying out means, emphasized the advantages and disadvantages of 3D max, and how to use 3D max to make three demon models of automatic component.

Key words: 3D max; model ; automatic component

目录

Abstract (2)

1 绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 研究现状 (2)

1.3 3D Max 软件介绍 (6)

1.4 3D Max的主要功能特点及模块介绍 (8)

2 基本理论知识及开发工具 (11)

2.1基本理论知识 (11)

2.2开发工具的介绍 (12)

3 三维场景的制作 (14)

3.1 设计思路 (14)

3.2 流程图 (15)

3.3 效果图的制作 (16)

4 模型的整合及渲染 (17)

4.1 确定系统单位 (17)

4.2 对象的选择 (18)

4.3 组的使用 (19)

4.4 移动和缩放物体 (20)

4.5 控制调整视图 (21)

4.6 复制物体 (23)

4.7 渲染场景 (25)

5 一般建筑物建模的基本过程 (27)

5.1 准备工作 (27)

5.2 粗模的建立 (31)

5.3 材质的粘贴 (32)

5.4 灯光的设定 (37)

5.5 后期处理 (38)

6 结束语 (40)

参考文献 (42)

致谢................................ 错误！未定义书签。附录 (1)

1 绪论

1.1 引言

三维模型获取是计算机图形学和计算机视觉领域的一个基本研究问题。然而，利用建模软件(比如3D MAX和Maya等)手工进行三维模型构建是一项十分繁琐和代价昂贵的工作。因此，研究如何从现实世界直接和快速地获取三维模型，成为该领域的热点研究问题。目前，现实物体的三维结构获取作为一种数字存储和记录技术，在物体建模、场景建模、真实感绘制、机器人导航、目标识别和三维测量等科学和工程领域以及考古学、广告、娱乐等其他文化领域有广泛的应用需求。

目前，基于真实对象的三维模型获取方法主要分为主动方法和被动方法。其中，主动方法以使用三维扫描仪的方法为代表。被动方法则指基于图像的三维重建方法。事实上，这些主动方法虽然是精确获取物体三维模型的主流方法，然而，也具有若干弱点:

一、代价昂贵:一般三维扫描仪价格为几十万元或者更高。

二、使用方法有侵略性:无法应用于部分对象(比如文物、人脸、毛发等)。

三、使用范围受限:不同的三维扫描仪具有不同的测量范围限制。

四、通用性差:就现有技术水平而言，还没有通用性很强的三维信息获取方法。

五、分辨率模式单一:大部分三维扫描仪的分辨率模式都是单一的，即不同型号的三维扫描仪分辨率不同。

六、数据采集不完善:很多三维扫描仪不具备彩色数据的采集功能，使

最终的三维数据缺乏纹理信息。

因此，基于图像的三维重建方法具备低成本，灵活，直接获取彩色纹理等特点，能够快速，逼真的重建出场景的三维模型。

基于二维图像的三维建模方法主要分为基于标定图像和基于未标定图像两种方法。其中基于标定图像的方法需要在目标场景中预先放入几何结构己知且测量精确的标定物，具有时间和空间的限制性。基于未定标图像的三维重建方法克服了基于标定图像方法的限制，仅依赖图像间的特征匹配，恢复不同视图的集合约束关系，具备良好的应用前景。

1.2 研究现状

客观世界在空间上是三维的，而现有的图像采集装置所获取的图像是二维的。尽管图像中含有某些形式的三维空间信息，但要真正在计算机中使用这些信息进行进一步的应用处理，就必须采用三维重建技术从二维图像中合理地提取并表达这些三维信息。三维重建技术能够从二维图像出发构造具有真实感的三维图形，为进一步的场景变化和组合运算奠定基础，从而促进图像和三维图形技术在航天、造船、司法、考古、工业测量、电子商务等领域的广泛深入的应用。

三维信息获取的技术手段多种多样，通常，人们获取物体三维模型的方式有三种:第一种方式利用建模软件构造三维模型;第二种方式通过仪器设备获取三维模型;第三种方式利用图像或者视频来重建场景的三维模型。

目前，在市场上可以看到许多优秀建模软件，比较知名的有3Dmax, Maya以及AutoCAD等等。它们的共同特点是利用一些基本的几何元素，如立方体、球等，通过一系列几何操作，如平移、旋转、拉伸以及布尔运算

等来构建复杂的几何场景。用这种方法建模的优点是可以精确地构建许多人造物体的三维模型，特别是建筑物、家具等;可以生成一些奇异的渲染效果，这一点被广泛地运用于影视作品和广告特效中;此外，也可以让人们更好地控制光照和纹理。其缺点在于，首先人们必须充分掌握场景数据，如场景中物体的大小比例，相对位置等等，缺乏这些信息就难以建模;第二，这些软件的操作都十分复杂，以3DMax为例，其中包括百余个基本操作以及数倍于此的扩充功能，如各种插件。这些操作分散在许多菜单、工具条中，同时还要求用户填写大量的参数。这也令这种方法的自动化程度低:第三，由于操作复杂，使得建模周期长，同时需要熟练的操作人员，因而提高了制作成本:最后，对于许多不规则的自然物体或者人造物体，用建模软件构造的模型往往真实感不高。

第二种方法是利用某些具有测距功能的设备来获取物体的三维信息，如各种深度扫描仪(range scanner) 。这些设备利用激光、超声波或者红外线测距，能够获得比较精确的三维数据，适用于有一定精度要求的建模应用中，如复杂机械零件建模。除了精度高的优点外，另一个优点是使用比较简单方便，并且建模所需时间很少。然而这样的设备都比较昂贵，携带不便，对于一些无法搬动的物体或者室外较大的物体就无法适用了。

第三种建模方法是根据图像或者视频建模。通过对场景实拍一系列图像，可以恢复出具有相片级真实感的场景或者物体模型，同时建模过程自动化随着技术的进步也在不断提高，使得人工劳动强度越来越轻，降低了建模成本。基于图像建模所需的设备也非常简单，只需要一部数码相机，或者一个普通摄像头。因此，在需要真实感建模的场合，基于图像的建模无疑具有很高的实用价值。根据视频实时生成模型是另外一个诱人的应用，但就目前的技术手段以及硬件水平来看难道比较大。通常的做法是使用参数化模型，通过实时跟踪特征点改变参数模型。这方面的技术己经应用在

虚拟视频会议中。

图像是二维数据，但是在关于某一场景或物体的一幅或者多幅图像中可以找到许多线索，从中人们能够推知图像所记录的场景或物体的几何信息。这些线索包括物体边与边之间的几何关系、两幅图像的视差关系、两幅图像中特征点的对应关系以及物体轮廓信息等等。这些线索是场景中物体所具有的，称为“被动线索”。有时候根据需要还可以创造线索，如在物体表面上用光线打上条纹或者制造出阴影。这样的人造线索称为“主动线索”

对于使用主动线索的方法而言，又可以分为以下两类。

第一类利用场景中己知形状的物体或者某些简单几何元素之间的关系进行建模。其中某些方法利用了场景中的一些结构信息、，例如物体边与边的平行或垂直关系，这样的方法只用一幅图像就可以构造出物体模型。文献[10]提出了一种利用场景中的己知形状，如立方体，棱锥等等，通过参数化几何模型来建模的方法，严格地说，这是一种基于图像和基于几何的混合方法。首先手工指定物体的部分边缘，根据这些边的投影关系列出一系列方程，方程中包括相机内外参数和物体几何参数，进而通过最小二乘法求出这些参数。这些参数求出来，物体模型就确定了。然而，真实拍摄的图像中不一定能找到所需的简单几何体，而且，对不同的几何体有不同的参数模型，无法用统一的式子进行优化。文献[11]提出了一种用单幅图片建模的方法，这种方法有些象PhotoShop这样的图像处理软件，它需要用户手工绘制出场景的深度图。尽管提出了许多辅助方法帮助用户绘制深度，然而对于一般用户而言这一步仍然是比较繁琐的。此外，这种建模方法使用了一些简单几何体来简化建模过程，这有些类似于文献[12]的方法。用单幅图像建模有一个突出的好处，要么无需相机标定，要么标定时可以避免用立体像对标定时可能出现的关键运动序列问题。这对于以建筑物为

主的场景而言是非常有用的。文献[12]中提出的方法可以用一张或两张图片恢复出建筑物模型，其中用到了建筑物中常见的几何结构作为约束，例如平行和正交性。

第二类使用物体的轮廓信息。物体在图像上的轮廓是理解物体几何形状的一个重要线索。假设从不同的角度拍摄一个三维物体得到一系列图像，每张图像中都可以抽取出物体的轮廓，从投影中心发出经过轮廓点的射线构成了一个锥壳，锥壳和锥壳内的部分占有空间中一块体积。不同角度拍摄的图像各自具有这样的锥体。所有这些锥体的交集称为物体的视觉包络(Visual Hull)。对于凸物体而言，这种方法简单可靠。但是实际生活中大部分物体要么有起伏，要么有孔洞，对于这样的非凸物体使用基于轮廓的方法重建会丢失凹进部分的细节。文献[15]提出一种方法找出非凸物体中哪一部分与几何外形有关。为此文中把视觉包络分成两部分:外包络(external hull)，即所看到的物体外形的凸包与视点所成的锥;内包络(intemalhull)即物体外缘与视点所成的锥。接下来作者分析给出了计算内外包络的算法以及复杂度。文献[16]用代数曲面根据物体的轮廓线来恢复三维表面。这是一个线性方法，利用了三维点和切平面之间的对偶性质，并且用代数曲面来表示三维表面，其中代数曲面是隐式的二次或更高次多项式。利用物体轮廓建模一般需要较多的图像。

被动法是在自然光条件下获得三维信息的方法，其中包括:阴影恢复形状法、纹理恢复形状法、手动交互操作法等;基于多幅图像的三维重建方法包括:立体视觉法、运动图像序列法、光度立体学方法等。

对于以上所述可以用图1-1来表示:

图1-1 三维建模技术

1.3 3D Max 软件介绍

计算机三维动画即三维动画，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一项新兴技术。三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，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，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光。制作三维动画首先要创建物体模型，然后让这些物体在空间动起来，如移动、旋转、变形、变色，再通过扫一灯光等生成栩栩如生的画面，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，是根据数据在计算机内部生成的，而不是简单的外部输入。

计算机三维动画的制作在技术上对硬件和软件的要求相当高。在上个世纪90年代以前，三维动画的制作主要是运行在SGI(美国硅谷图像计算机技术公司)和NT两大平台。由于SGI具有缺乏兼容性和技术复杂的特性，

随着微软对Softimage收购以后，随之而来的面向NT系列的高端软件应运而生，如3DSMAX、Combustion、Softimage 3D for NT版等，这些都标志着三维动画的高端软件进入PC机。而Alias/Wavefront公司MAYA的推出，又标志着三维动画历史进入一个新的里程碑。

目前，制作三维动画的软件主要有:3DS MAX、MAYA, Softimageo 3DSMAX 可以运行在PC机的Windows操作系统__匕具有多线程运算能力、支持多处理器的并行运算，它的特点是具有强大的建模和动画功能，兼容性非常好，广泛的支持第三方插件，许多插件应用非常方便而且功能非常强大。如角色系统的CS3.0，粒子系统丁hinking particle等，利用这些插件可以制作出非常精彩的效果。它的第一部成名制片就是广为人知的《迷失太空》，在该电影中的绝大多数镜头和特技都是由3DS MAX来设计完成的。MAYA除了具有一般三维软件的大多数功能外，还包括自身特有的艺术家工具、特效集和高级建模工具等，尤其在影视的角色动画制作中更有其独特之处。Softimag最擅长卡通造型和角色动画，它的代表作:电影《泰坦尼克号》、《侏罗纪公园》等，最大特点就是它的mentalry超级渲染器，其独特的无损角色生成工作流程以及能达到的照片级的真实感的制作工具，都给人们以深刻印象。2006年欧特克公司完成对MAYA的收购，2008年又完成了对Softimage的收购，新的MAX软件把其他两个软件的优点集成到MAX中，如现在MAX己经把mentalray渲染器集成到软件当中，它的动画制作的功能进一步强大，以及新的针对MAX的强大插件的推出，现在欧特克公司的主打产品3DS MAX己成为业界的首选动画制作软件。

1.4 3D Max的主要功能特点及模块介绍

(1)建立三维实体模型，对模型及其所在场景进行设计及调整，包括设置场景中的光源和观察场景所用的摄像机。

(2)编辑制作模型所需的各种表面材质、纹理质感和表面贴图。

(3)对动画过程的关键帧进行编辑，完成动画制作。

当3DS与其他软件配合使用时，更能发挥其强大的设计功效。这些软件包括AutoCAD, Photoshop, Animator等软件。AutoCAD能够编辑产生各种复杂产品的设计图和工程图。Photoshop能对扫描输入的图像进行编辑和特殊处理以产生逼真的背景图像和材料图像，增强产品的艺术效果。Animato:能对己建立好的三维图形进行细致的修缮以产生更为形象生动的演示效果，且对于二维动画制作更具独到特色。

3DS的功能模块如下：

（1）二维造型器(2D-Shaper)

二维造型器主要用于在二维环境下绘制各种图形，这些二维图形为三维放样器提供造型的几何元素，及生成在三维放样器和关键帧编辑器中使用的路径。

（2）三维放样器((3D-Lofter )

三维放样器的主要功能是从二维造型器中提取母线或路径信息，并将母线放在放样路径上，经过拉伸、旋转或扭曲等变化形成三维实体。通过比例变换、扭曲变换、扭动变换、斜切变换和适配等五种变换可以使产品的实体造型千姿百态。

（3）三维编辑器(3D-Editor )

三维编辑器是三维建模的主要工具，由模型库、材料库、光线库和摄影机库组成。主要完成物体定位、材料分配、光照、视点及构图等功能，

除了能够对三维放样器传递过来的实体进行编辑修改外，三维编辑器还可以通过“交一、“并.’、“差’“等布尔运算生成各种复杂的儿何实体。（4）关键帧编辑器(Key framer)

关键帧编辑器是3DS制作动画的主要模块，通过对组成动画的一些关键帧进行编辑和修改，再对关键帧之间的图形进行特定的处理，完成动画的制作。它可以通过物体的移动(Move)、旋转(Rotate )、变比(Scale)、挤压(Squeech )使物体产生变形，也可利用3DS提供的外部模块对物体进行特殊变形处理，还可利用摄像机的视角或路径的变化以及摄像目标的变化完成动画制作。

（5）材质编辑器(Material Editor)

材质编辑器用于生成各种材料、特技和构成透视图像的基本要素，材质是一些视觉性质的组合，它包括材料、颜色、贴图、反光度、表面粗糙度、物体背光特性、物体反光特性、物体直射特性等，通过对这些特性的编辑，可以实现对真实材料的逼真模拟。

以上五个基本模块的相互关系如图1-2所示。

图1-2 五个基本模块的相互关系

3DSMAX从2009开始分为两个版本，它们分别是3DSMAX和3DSMAXDesign。3DSMAX是动画版，主要应用于建筑、影视、游戏、动画等方面，拥有软件开发工具包(DSK)，这是一套用在娱乐市场上的开发工具，

用于将软件整合到现有制作的流水线以及开发与之相合作的工具，在biped 方面作出的新改进能够轻松构建四足动物。Revealu渲染功能能够更快的重复，重新设计的OBJ输入也会让3DMAX和Mudbox之间的转换变得更加容易。3DSMAX Design是建筑工业版，主要应用在建筑、工业、制图等方面，在灯光方面有改进，有用于模拟和分析阳光、天空以及人工照明来辅助Exposure 技术，这个功能在viewport中可以分析太阳，天空等。

在2010版本中增加了新的建模工具，可以自由地设计和制作复杂的多边形模型，且新的及时预览功能支持AO, HDRI, soft shadows、硬件反锯齿等效果。此版本给予设计者新的创作思维与工具，并提升了与后制软件的结合度，让设计者可以更直观的进行创作，将创意无限发挥。

2 基本理论知识及开发工具

2.1基本理论知识

2.1.1 3D MAX

3D MAX的插件非常丰富，几乎可以说已经到了庞大的地步，其插件极大的丰富和强大了3D MAX软件的功能。

类型扩展名说明

建模类DLO 扩展模型的创建功能，比如建立地形、演

示等特殊形体，以及各种系统辅助对象

修改器类DLM 提供特殊的修改功能，比如特殊变形、表

面特殊的成型处理等

渲染效果类DLR 增强渲染效果或大气效果，比如卡通风格

渲染，特殊的空气尘埃效果

输入/输出类DLI/DLE 用于扩充MAX导入/导出的文件格式

材质贴图类DLT 扩充新的材质和贴图类型

视频效果类FLT 在MAX的视频通道Video Post中增加新

的滤镜效果

特殊工具类DLU 属于特殊用途的类型

2.1.2 PhotoShop：

1. 位图：又称光栅图，一般用于照片品质的图像处理，是由许多像小方块一样的"像素"组成的图形。由其位置与颜色值表示，能表现出颜色阴影的变化。在Photoshop主要用于处理位图。

2. 矢量图：通常无法提供生成照片的图像物性，一般用于工程技术绘图。如灯光的质量效果很难在一幅矢量图表现出来。

3. 分辨率：每单位长度上的像素叫做图像的分辨率，简单讲即是电脑的图像给读者自己观看的清晰与模糊，分辨率有很多种。如屏幕分辨率，扫描仪的分辨率，打印分辨率。

4. 图像尺寸与图像大小及分辨率的关系：如图像尺寸大，分辨率大，文件较大，所占内存大，电脑处理速度会慢，相反，任意一个因素减少，处理速度都会加快。

以上是Photoshop中最基本的理论知识，必须先要弄清楚这些概念才能对症下药，其中还有很多Photoshop的具体工具的使用，比如：通道、图像的色彩模式、滤镜以及绘制图像、处理照片过程中所需要用的快捷键等等。

2.2开发工具的介绍

2.2.1 3D MAX

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。

3d 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Render 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MntalRay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。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。

2.2.2 PhotoShop

Photo shop是Adobe公司的王牌产品，它是一款图像处理软件，在图形图像处理领域拥有毋庸置疑的权威。无论是平面广告设计、室内装潢，还是处理个人照片，Photoshop都已经成为不可或缺的工具。随着近年来个人电脑的普及，使用Photoshop的家庭用户也多了起来。

3三维场景的制作

3.1 设计思路

三维场景的制作主要分8个步骤：

（1）方案分析：按照设计草图确定各部分的尺寸、材料、样式以及方案的风格、色调，还要准备一些照片或图片为参考。方案分析时还要确定建模的顺序和方法、灯光布置的初步方案，并确定哪些需要在3ds max完成，哪些需要在photoshop中调整及合成。

（2）创建框架：这一步是为确定视角做准备，模型应该尽量精简，但各部分的距离和比例关系应该准确。

（3）建立摄像机：首先要确定摄像机的视角，视角应突出空间的特点，位置和方向应尽量开阔。

（4）精确建模：建模应在摄像机的视野范围内做，看不到的部分不用建模。模型的复杂程度应在满足效果的情况下，越简单越好，模型过于复杂，在展示效果图中看不出差别，白白增加了建模和修改的时间以及电脑渲染的时间。

（5）编辑材质和贴图：在3DMAX中材质与贴图的建立和编辑都是通过材质编辑器来完成的。并且通过最后的渲染把它们表现出来，使物体表面显示出不同的质地，色彩和纹理。材质在三维模型创建过程中是至关重要的一环。通过它来增加模型的细节，体现出模型的质感。材质对如何建立对象模型有着直接的影响。

（6）设置灯光：打灯光时应尽量参考类似空间的照片或图片的灯光效果，

而不要凭空想象。用3ds max里的灯光模拟出真实光线的效果，并要考虑画面的艺术效果。

（7）渲染输出：确定渲染输入的尺寸大小，该大小将决定图像的用途以及清晰程度。

（8）后期处理：渲染合成展示效果图并在photoshop中修改亮度、对比度以及细腻的光影变化，还要加上人物、植物、小饰品等配景。这些部分在photoshop中做既省事又出效果。增加配景时又要注意，样式、颜色和风格应与整个空间协调统一，还要考虑画面的构图。

3.2 流程图

三维模型建造的流程图如图3-1所示：

方案分析

中期制作

1.创建框架

2.建立摄像机

3.精细建模

4.编辑材质

5.设置灯光

6.渲染输出

后期处理

图3-1 三维模型建造的流程图

3.3 效果图的制作

点、线、面构成了几何图形，由从多几何图形相互连接构成了三维模型。在3D MAX里，提供了建立三维模型的更简单快捷的方法，那就是通过命令面板下的创建工具，在视图中点击拖动来制作漂亮的基本三维模型。三维模型是三维动画制作中的主要模型，三维模型的种类也是多种多样的，制作三维模型的过程即建模的过程。在基本三维模型的基础上通过多边形建模，面片建模及NURBS建模等方法可以组合成复杂的三维模型。

然后点击快速渲染工具，可以按照已经完成的渲染设置再次进行渲染，从而跳过设置环节，加快制作速度。