1、第五章 三维计算机动画的制作5.1 创建物体模型创建物体模型5 5.2 2 材质与贴图材质与贴图5.3 灯光灯光5.4 摄像机摄像机5.5 动画效果动画效果5.6 渲染与后期处理渲染与后期处理5.1 创建物体模型 l基本步骤：1）建立初始形体（Shapes、Geometry、Patch和NURBS面片）2）定位形体使用变换工具，将形体移至需要位置并作旋转、缩放等调整3）编辑修改调整形体参数，或加上修改器后作加工编辑1.初始形体的类型 几何体lStandard Primitive(标准初始体)：一组简单几何体lExtended Primitives(扩展初始体)：另外一组简单几何体lCompou
2、nd Objects(组合物体)：各种组合链接物体的工具lParticle Systems(粒子系统)：以微小粒子为基本单元构建物体lPatch Grids(面片网格)和NURBS Surfaces(NURBS曲面)：两种样条曲面lAEC：植物、栏杆、墙壁等物体lDynamics Objects(动力学物体)：应用动力学原理构建的物体，如弹簧lStairs、Doors、Windows：多种式样的楼梯、门、窗模型 初始体（Primitive）许多物体，像足球、水管、木箱、轮胎等，其模型都可以用一个初始体来表示，而复杂的物体可以由多个初始体加工组合而成，或者给初始体加上修改器进行编辑修改后得到。图
3、形lShapes（图形）可以生成平面和三维表面，或者生成旋转曲面和拉伸曲面，用作放样模型的路径、截面和适配曲线，也被用作物体运动的路径等。l图形分为Spline(样条)曲线和NURBS曲线：uSpline曲线使用直线段、普通曲线或Bzier样条曲线来表现各种图形和文字uNURBS曲线类型细分为Point Curve和CV Curve，可用来画出需要的图形 面片在创建面板的Geometry类型中选择 Patch Grids或者NURBS Surfaces，可以得到Patch和NURBS面片。用户可以面片为基本单位，拼接出大块曲面，然后对曲面细节进行精确调节，最终生成各种形状复杂的物体表面。2.创
4、建初始形体l基本方法1：在创建面板中点取初始形体按钮，在视窗中拖动鼠标，生成初始形体 l鼠标右键点击视窗结束初始形体的创建后，创建面板中的Keyboard Entry卷展栏、Parameters卷展栏消失，要修改初始形体参数，应选中形体，在修改面板中操作。l基本方法2：在创建面板中点取某初始形体按钮，在Keyboard Entry卷展栏中输入几何参数后点击Create按钮，便生成初始形体3.修改器和修改面板 修改器u选中物体，然后在修改面板Modifier List中选中某修改器，给物体加上修改器u在修改面板上调整物体的创建参数和修改参数，场景中的物体形态随即变化 u可以给一个物体加多个修改器
5、，各修改器根据施加顺序依次对物体产生影响u可调整修改器的整体参数和次级层参数（如修改器的Gizmo和Center）修改面板l名称栏和调色块用于重新命名初始形体，设置其在场景中的颜色l修改器列表中按英文名称顺序列出100多种修改器l修改器堆栈保存了物体的创建参数和修改器对它的所有编辑修改数据。修改器堆栈控制区显示对象的初始形体名称及施加的修改器l修改器堆栈控制区下方的按钮用于管理修改器：u钉住堆栈：锁住对当前修改器的选择，即使选择其他物体，仍然可以操作该修改器u显示效果开关：按下按钮时显示各修改器对物体修改的最终结果，按钮弹起时只显示当前修改器的影响 u使独立操作：使当前对象独立享有本修改器u删
6、除修改器：删除被选中修改器u修改器设置：设置修改器在修改面板上的显示方式，在修改器列表中的分组排列方式等 修改面板的参数卷展栏，其布局和参数随修改器堆栈控制区中选择不同对象而变化Edit Mesh修改器的修改面板同一物体的两个参数卷展栏4.物体模型的编辑 基本编辑方法:1）在合适的视窗中选择编辑对象2）在修改器列表中选择合适的修改器加给编辑对象3）选择需要编辑的修改器及其子物体层4）进入参数卷展栏进行参数修改，或选择编辑工具对场景中的物体进行编辑操作子物体层的编辑l对物体模型的编辑修改，可以是整体的，或是对子物体层的局部修改。l局部修改应先将物体转换为可编辑状态：u方法1给物体施加Edit M
7、esh/Poly/Patch（编辑网格/多边形/面片）修改器，保留了物体初始的创建数据。u方法2鼠标右键单击被选物体，在弹出菜单中选择Convert to Editable Mesh/Poly/Patch/NURBS（转换成可编辑网格/可编辑多边形/可编辑面片/NURBS），该方法采用了“塌陷”转换技术。构造分辨率l“网格”和“多边形”方式使用三角和四角小平面组成物体表面，物体光滑程度受小平面数量（即构造分辨率）的影响；l“面片”和“NURBS”方式以Bzier曲面和NURBS曲面组成物体表面，物体光滑程度与曲面数量多少无关。初始球体 可编辑网格 可编辑多边形 可编辑面片 NURBS5.2 材
8、质与贴图l材质就是构造物体的材料。给物体赋材质，就是给物体设定颜色、光亮度、透明度等材质属性参数，这些参数经计算机渲染运算后使得物体表现出所赋材质特有的颜色和质感l“贴图”一是名词，指画有物体表面纹理或图案的图片；二是动词，指将有纹理或图案的图片贴在物体表面1.赋材质和贴图的流程1）打开材质编辑器，选定材质样本窗口，并给材质命名2）选定材质类型。3DSMax有16类材质供选择，缺省材质为“标准材质”3）选定材质着色模式。着色模式与所选定的材质类型有关，“标准材质”有8种着色模式供选择4）设定材质的漫反射光颜色、光亮度、透明度等表现物体材质属性的参数5）选择需要指定给材质的贴图，调整贴图的大小、
9、位置等参数6）将编辑好的材质贴图赋给场景中的物体2.材质编辑器材质样本窗口l材质样本有“冷”“热”之分：u“热材质”已赋给场景中物体的材质样本u“冷材质”未被应用于场景物体上的材质样本l材质样本的状态辨别：u粗、细边框是否激活u是否有小三角“热”/“冷”u实心/空心小三角赋予本材质的物体是/否被选中 冷材质 冷材质且激活 热材质 热材质、激活且选中工具栏材质编辑器设有20多个工具或功能，其中：uMaterial/Map Navigator（材质/贴图导航器）：显示当前激活材质的层级结构 uShow Map in Viewport（在视窗中显示贴图效果）：在视窗中显示贴图效果uGo to Par
10、ent（转到上层）：从当前子材质层转到上一级的父材质层uGo forward to Sibling（转到同层）：从当前材质转到同层级的下一个材质 u材质名称栏：显示材质或贴图的名称，用户可重新命名u材质选择钮：打开材质/贴图浏览器，从中可选择16大类材质，缺省材质为“标准材质”材质贴图3.材质类型3DSMax的16种材质分成9种基本材质和7种复合材质。基本材质是不包含其他材质的单一材质，复合材质是由多种基本材质组合而成的材质。其中：uStandard（标准）：最通用的一种材质，系统的缺省材质uRaytrace（光线跟踪）：能够产生光线反射、折射、半透明、荧光等效果uInkn Paint（墨笔画
11、）：在三维物体轮廓处画上墨线，产生二维卡通动画的渲染效果uShell Material（壳材质）：适用于Texture Baking（纹理烘焙）处理的材质uAdvanced Lighting Override（高级照明）：用于全局照明或光线跟踪模式uBlend（混合）：将两种材质的像素颜色融合形成新材质uComposite（组合）：可将10多种材质上下层叠合，调整各层透明特性形成新材质uMulti/Sub-Object（多/次级物体）：一个物体的不同部位拥有多种不同的材质4.标准材质的编辑材质编辑基本操作：u选定着色模式u设置颜色、光亮度、透明度、高光、自发光度等材质属性参数u确定渲染方式标准
12、材质的参数卷展栏着色模式着色模式是指采用某种光照算法或光照模型计算或模拟物体在光照作用下呈现出的明暗色彩效果。3DSMax的标准材质提供了8种着色模式：uAnisotropic（各向异性）：创建带有非圆形的“各向异性”高光的曲面，适合制作头发、玻璃与金属的高光，模拟流线体表面的高光 uBlinn（布林）：是标准材质的缺省着色模式，生成有少量发光的效果uMetal（金属）：创建带有光泽的金属效果uMulti-Layer（多层）：类似Anisotropic模式，但将高光分两层控制，生成非常光滑的表面所具有的特殊光照效果uOren Nayar Blinn：在Blinn模式的基础上增加了漫反射光强度和
13、光泽度控制，适合表现不光滑的曲面，如纤维、陶瓦、绒布等uPhong（冯）：类似Blinn模式，适合创建带有少量光泽的平滑曲面uStrauss（高斯）：适于创建非金属性和金属性曲面的材质效果，通过Metalness参数在这两种材质效果之间转换uTranslucent（半透明）：类似于Blinn模式，但可以设置半透明的材质效果，模拟光线穿过物体发生散射的情况颜色和亮度标准材质的着色模式大都采用“四色模型”来模拟材质的颜色和亮度：uAmbient（环境光）：材质反射周围环境光线产生的颜色和亮度uDiffuse（漫反射光）：材质在直射光线下的颜色和亮度，反映了材质基本颜色uSpecular（镜面反射光
14、）：物体高光区的颜色和亮度 uFilter（过滤色）：表现光线对透明材质的影响自发光、透明度和高光l“自发光”使物体自身“发光”，模拟太阳、月亮、灯泡等各种光源l透明度或不透明度参数用来表示光线穿过物体的效果l高光特性有多项，除在Specular中设置颜色亮度，在Specular Highlight（镜面高光）中还设有：uSpecular Level（高光强度）调整高光区的亮度uGlossiness（光泽度）调整高光区的大小uSoften（柔和度）柔化高光与漫反射光之间的过渡l调整Extended Parameters卷展栏中Falloff(衰减)、Type（类型）、Index of Refr
15、action（折射指数），可以取得许多特殊的透明效果 渲染方式 Shader Basic Parameters(着色器基本参数)卷展栏中有4个渲染方式选项：uWire（线框）：以线框方式渲染被赋予了材质的物体u2-Sided（双面）：给物体的正反两面都赋予材质uFace Map（面贴图）：给组成物体表面的每个小平面贴一张贴图uFaceted（平面）：以平面方式渲染被赋予了材质的物体5.贴图操作 以Standard材质、Blinn着色模式为例，可采用两条途径完成贴图：1）在Blinn Basic Parameters卷展栏中点击漫反射光等材质属性右侧灰色小方块，打开材质/贴图浏览器，选择贴图类型
16、，并在相应的贴图坐标和参数卷展栏中设置参数。2）打开位于材质编辑器下半部分的Maps（贴图）卷展栏，勾选贴图类型，点击右侧灰色长条，打开材质/贴图浏览器，选择贴图类型，并在相应的贴图坐标和参数卷展栏中设置参数。贴图坐标和材质/贴图导航器l贴图坐标是贴图映射到材质表面时决定其位置、方向和大小比例的坐标系统，可以在其中调节贴图的位置、角度、大小比例、重复次数等。l利用材质/贴图导航器，可以观察到当前正在编辑的材质和贴图的层次关系。6.贴图类型在材质/贴图浏览器中共列出了35种贴图，分为：u二维贴图将二维图片贴在物体表面，或作为环境贴图为场景提供背景图片u三维贴图在三维空间生成图案，三维纹理图案与被
17、贴图物体的三维几何结构交织在一起u组合贴图通过组合其他的颜色或贴图的方法得到新的贴图。u颜色修改器贴图通过改变贴图中像素颜色的方法得到新的贴图。u反射/折射贴图主要用于产生反射和折射效果7.标准材质的贴图 l漫反射贴图根据贴图图案改变材质漫反射光的颜色l镜面贴图包括镜面（颜色/强度）贴图，根据贴图图案改变材质高光区内颜色/光亮度l不透明贴图使用贴图来控制物体不透明的区域和程度，贴图的白色图案使材质不透明，深色图案使材质透明，介于两者之间的贴图图案使材质半透明l光泽度贴图根据贴图颜色的深浅决定物体表面光泽度分布区域，即高光区形状标准材质、Blinn着色方式下的贴图类型包括环境反射、漫反射、镜面反
18、射、自发光、不透明、过滤色、凹凸、反射、折射、位移贴图等。漫反射镜面不透明纹理图l自发光贴图根据贴图图案决定自发光区域。贴图白色部分让材质完全自发光，黑色部分让材质不能自发光，介于黑白色的区域使材质按一定程度自发光l过滤色贴图根据贴图图案的深浅来过滤色彩，形成彩色透明效果l反射贴图使用反映周围环境的图片，按一定比例迭加在物体材质上，模拟物体反射效果l折射贴图使用贴图图案来模拟物体折射光线的效果l凹凸贴图通过贴图图案改变物体表面明暗程度，使材质表面呈现凹凸不平的感觉，贴图颜色较浅处突起，较深处凹陷l位移贴图通过贴图图案控制几何体表面发生位移，贴图浅色区域比深色区域让物体更多地向外突出 自发光反射
19、凹凸位移纹理图5.3 灯光l建模阶段一般使用系统缺省灯光作为着色或渲染计算时的照明光源。l如果要控制灯光属性，需要给场景加灯光。通过设置光源类型、颜色、强弱、照射范围、阴影等属性，给场景营造逼真自然的光线和色彩环境，以及雾气、浮尘、投影等特殊效果。1.灯光的基本使用方法 l创建灯光l调整灯光本身的位置、角度l调整灯光参数（亮度、颜色、阴影、衰减范围、聚光区/晕光区等）创建灯光l在创建面板中选取“Lights”，从Object Type卷展栏选择具体灯光，在视窗拖动鼠标，便在场景中创建了灯光。l创建灯光后，系统缺省灯光自动关闭，删除所有创建灯光后，缺省灯光自动恢复。灯光的创建面板目标聚光灯灯光的
20、操作l使用Select and Move拖动光源或照射目标控制点的位置l使用Select and Rotate使灯光光束围绕主轴转动l使用Select and Scale改变灯光光束的大小和衰减范围l使用Select and Manipulte直接在视窗操纵灯光光束的大小l利用视窗控制按钮在场景调节灯光光束、光源位置、照射目标等l选择Place Highlight，在物体的指定表面放置高光 调节灯光参数在视窗中选定光源，点取修改面板灯光参数卷展栏，可以设置和调节灯光的各种参数。灯光参数卷展栏2.常用灯光的类型3DSMax提供标准灯和光学灯、环境光、缺省灯光。标准灯较简单，使用方便，光学灯（Ph
21、otometric）相对复杂，但能够精确模拟自然界的光源。有8种标准灯：u聚光灯发出圆锥或棱锥状光束，目标聚光灯和Free自由聚光灯可互换目标聚光灯有光源和照射目标控制点，可锁定目标点，产生特殊追踪效果自由聚光灯只有光源，可自由旋转光源，沿路径移动u平行光灯发出平行的圆柱或矩形状光束，目标平行光灯与自由平行光灯的区别类似于聚光灯u泛光灯发射全方向光线，常用作辅助光源或模拟点状灯光、环境光源u天空光提供户外光线环境，天空被模拟成圆拱状天幕，可设置颜色或贴图u面泛光灯/聚光灯使用mental ray Renderer渲染时有效，从球面或柱面发出光线u环境光亮度一致，均匀地向各方向漫反射，没有确切的
22、光源位置和照射方向 u缺省灯光是一盏或两盏不可见的泛光灯，用户可以激活将其转换为可见灯光一盏缺省灯时，置于场景的前上方两盏缺省灯时，主灯位于场景左上方，副灯位于场景右下方3.光源的布置动画系统模拟的光照环境可分为自然光场景和人工光场景。各种场景中光源的类型、位置、颜色等会有很大的变化。u自然光场景常采用一个主光源，此外：模拟广袤天空均匀分布的亮光，多使用系统环境光远处的太阳光可以使用平行光灯中午的太阳可使用天空光模拟晴天时阳光颜色呈淡黄色多云天气下阳光发蓝月光青白而黯淡u人工光场景往往需要多个光源：一个比较明亮的主光源（聚光灯）若干照亮物体背面和侧面的辅助光（泛光灯）若干调整局部区域亮度的修饰
23、光（聚光灯）4.灯光参数的设置uGeneral Parameters（常用参数）选择灯光类型、打开或关闭灯光和阴影等uIntensity/Color/Attenuation（亮度/颜色/衰减）调节灯光的亮度、颜色和衰减范围等uSpotlight Parameters（聚光灯参数）控制灯光的聚光区和晕光区等uAdvanced Effects（高级效果）控制灯光的照射效果及对投影灯光的设置和精细调整uShadow Parameters（阴影参数）设置阴影的颜色、贴图和其他一些阴影属性uShadow Map Parameters（阴影贴图参数）设置阴影控制参数（阴影浓淡、大小、偏移等）uAtmosp
24、heres&Effects（环境与效果）设置与灯光有关的大气层和渲染特效umental ray Indirect Illumination（mental ray间接照明）、mental ray Light Shader（mental ray 灯光着色器）两个针对mental ray渲染器的控制参数卷展栏聚光灯的参数卷展栏5.4 摄像机 1.基本使用方法 u在摄像机创建面板中点取摄像机按钮，放入视窗创建摄像机u在场景中利用变换工具调整摄像机的位置、角度使之对准拍摄对象u根据摄像机视图的画面调节摄像机光学参数（lens、FOV、Clipping Plane等）l摄像机分为目标(Target)和自由
25、(Free)摄像机，区别在于是否有拍摄目标控制点：u目标摄像机能锁定拍摄对象进行跟随拍摄u自由摄像机的视线取决于它自身的方向，易使摄像机位置沿路径移动2.摄像机参数的调节lLens（镜头）调节摄像机的焦距lFOV（视场）调节摄像机的视场l常用镜头（含9种已预设焦距的镜头）u标准镜头50毫米u短焦镜或广角镜头镜头小于50毫米，视场宽，包含场景多，景深大，有曲像畸变u长焦镜或远距镜头镜头大于50毫米，视场窄，包含场景少，景深小，有“望远”效果，且压缩景物纵深空间u80毫米200毫米的镜头可以获得低倍望远镜的效果 lEnvironment Ranges（环境范围）决定了摄像机受到大气层效果影响的范围
26、，可设置雾气之类的大气层效果 裁剪面和多重渲染lClipping Plane（裁剪面）给摄像机的拍摄空间规定了远、近两个裁剪面，只有位于两个裁剪面之间的物体才能在摄像机视图中看到。如果裁剪面与物体相交，将显示物体的切割面。l Multi-Pass Effects(多重渲染效果)多次渲染同一帧画面，每次渲染时摄像机视图稍有移动使画面模糊，以模拟真实摄像机的景深和运动效果。5.5 动画效果l计算机动画需要表现物体、摄像机、光源的运动和变化。运动指对象位置、方向、大小比例发生的变化，此外颜色、亮度、顶点、速度、重力等各种参数随时间发生改变都将引起画面的变化，一系列有序变化的画面就形成了动画。u物体改
27、变其形状、大小、方位、材质纹理等u摄像机镜头的推拉摇移、旋转、跟踪拍摄、空中拍摄、游走拍摄沿路径移动拍摄等u灯光色彩、强度、阴影变化，追光，沿路径移动等l在轨迹视图、轨迹条、运动面板、层级面板、动画控制区中提供了大量的动画工具，最常用的是关键帧动画。1.关键帧动画的制作制作关键帧动画分“自动关键帧”和“手动关键帧”两种模式。基本制作方法：u打开自动/手动关键帧模式开关u将动画时间滑块移动到指定的时间点(帧数)u变换操作物体或改变对象参数u系统生成关键帧，自动插入中间画，生成动画效果；若“手动”模式，点击“设置关键帧”后生成关键帧自动关键帧设置关键帧手动关键帧2.关键值的编辑l在轨迹条上编辑关键
28、值l轨迹条菜单轨迹视图提供了精确设置动画关键帧的可视化工具，允许操作者在其中以图形或数值形式编辑特定时间点位的关键值，观察、控制动画的变化轨迹。lCreate Key对话框l轨迹视图3.动画的时间控制l对动画的时间控制包括设置动画序列的时间长度、显示方式，被渲染的动画长度以及在视窗中的播放速度等，可通过Time Configuration（时间设置）窗口或轨迹条来实现。uFrame Rate组设置适合不同场合的动画帧速，改变帧速不影响动画的定时uTime Display组设置动画的时间衡量格式uPlayback组设置视窗中动画播放速度，改变播放速度不影响动画实际速度 uAnimation组设置
29、动画的开始结束时间，总时间长度，或改变时间段等uKey Steps组用于设置Key Mode（关键帧模式）的使用方法5.6 渲染与后期处理1.渲染操作l渲染根据用户设置好的灯光、材质、背景和大气层等参数，用颜色、阴影、光效等来“填满”物体表面和场景。基本操作步骤：u选中要渲染的视窗，打开渲染场景对话框u确定渲染时间范围，以及渲染输出文件路径、名称、类型、格式等u可添加各种镜头特效、背景、环境效果u点击Render按钮，执行渲染l渲染结果能以多种文件格式保存，输出单帧静态图像、图像序列或动画影像l运用高级光照模型可获得更高质量的画面，还可以实现3600球形全景渲染、计算机联网渲染等l有8种场景渲
30、染方式：View(视图)、Selected(选择)、Region(区域)、Crop（裁剪）、Blowup（放大）、Box Selected（方框选择）、Region Selected(区域选择)、Crop Selected（裁剪选择）渲染场景对话框lCommon设有渲染器的主要控制参数lRenderer设有针对当前选用渲染器的主要控制参数lRender Elements设有将各种图像信息渲染为单独的图像文件的控制参数2.特效和环境效果 选择RenderingEnvironment命令打开Environment and Effects窗口，可进行特效和环境效果设置：u添加镜头特效、模糊、明暗、景深、胶片颗粒、运动模糊等效果u调整背景颜色，添加渲染场景的背景图片、环境贴图等；u添加大气层效果，如火焰、雾、体积雾、体积光等 3.视频后期合成l选择RenderingVideo Post命令打开Video Post窗口，可连接当前场景不同视图、静态图像文件、动态视频文件等事件，合成当前场景、前景、背景等各层，并加上特技效果，形成层次丰富、具有片头和结尾、多视角拍摄镜头的动画作品。lVideo Post右边窗口进行各事件时间顺序的编辑，左边窗口进行各事件合成层次的编辑，完成编辑后，点击Video Post窗口工具栏上的Execute Sequece按钮，系统执行渲染，生成最终的合成输出文件。
