基本信息
- 项目名称：
- 三维虚拟校园动画设计与实现
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 三维虚拟校园的设计与实现把建筑二维的建筑图纸转变为三维的建筑实体。包括校园的建模，添加材质，灯光设置以及渲染输出。 三维动画技术还是一个设计工具，它以视觉形式反映了设计者的思想。让学生可以身临其境地感受校园的景观，以交互的方式加快了学生熟悉校园环境的速度。同时三维动画技术还可以应用在网络和多媒体中，更方便、快捷的传播学校信息。
- 详细介绍：
- 本项三维虚拟校园动画的设计与实现正是把建筑二维的建筑图纸转变为三维的建筑实体的具体表现。包括校园的建模，添加材质，灯光设置以及渲染输出。在本设计中主要运用了3ds max，premiere pro ,AutoCAD及相关的插件forest。 对整个三维校园在搜集到得资料的基础上进行设计，整个校区分为四个部分，分别为中心湖区，教学楼去，生活区和别墅区。完全在图纸的基础上进行设计，这也是此次设计的最大特色。 大概的制作过程如下： 1.主要建筑模型的制作: 建筑动画要先建立起主体，主体模型的建立要精细，可以分场景制作，最后再合并。 2.次要的建筑群模型可以简单的制作，模型要尽量精简面数。 教学楼是整个三维虚拟校园的重点，所以在建模时应该做成精模。在建模的时候应该注意基本的建模规则，以原点为中心，设置好单位等等。在制作之前，根据场景管理的需要设立目录。 第一步，对教学楼的CAD图形进行细致处理。首先对原始的CAD图形进行处理。在AutoCAD中，使用层管理器，将用不到的层删掉，尽量精简图形。如图1-1、1-2所示。 图1-1 教学楼原始CAD图 图1-2 经过处理后的教学楼CAD图 第二步，将修改后的CAD图导入3D。打开3DS MAX,点击自定义菜单下的“单位设置”，将系统单位设置成“米”，在“栅格和捕捉设置”中，将主栅格的“栅格间距”设置为1米。如图1-3所示。 图1-3 3DS MAX系统单位配置 将CAD图导入到3DS MAX 中时要注意：使用“导入”命令，选择文件类型为“AutoCAD图形（*.dwg,*.dxf）”，选择处理后的教学楼CAD图，在弹出的选项卡中，勾选“重缩放”，并将“传入的文件单位”设置为毫米。如图1-4所示。 图1-4 导入CAD图过程 在制作教学楼墙体时多种建模的方式，下面介绍两种方式建模。 （1）可以运用“画线—附加—挤出”的操作方法制作出墙体。需要注意的是，在建模时，要把具有相同材质的模型统一为相同的颜色，以便在场景较大时，用相同颜色的选择方式为有相同材质的模型赋材质。这种建模的优点是面数较少有利于后期的渲染。如图1-5所示. 图1-5 墙体的制作 （2）将二维图像转化为可以符合要求的三维图形，为其添加自动焊接和基础命令。如图1-6所示。 图1-6 挤出命令的应用 本作品设计使用的是第二种方法，基础的墙体如图1-7所示。 图1-7 教学楼墙体 从图1-7可以看出，通过二维的平面图挤出的三维楼体是没有门洞和窗洞的，因此要继续对其进行修改。 首先，选中三维模型，将其转化为可编辑多边形，在可编辑多边形的模式下，对于一个物体在3DS MAX中有五种编辑级别，分别是：点、边、边界、面、元素。这里用到的有点、边和面。对于这个楼体多边形，首先在边的级别下，选择用来做窗洞的对应的四条边，然后单击右键，在右键快捷菜单里选择连接命令。将这四条边对应的两个面拆分成四个面。如图1-8所示： 图1-8连接命令的使用 然后将这四条边的两条连接线的位置根据窗户的高度调整到合适的位置，将其设为1.8米。在面的级别下，选择下面的两个的面，在右侧修改器面板中选择桥命令，将这两个面连接起来，这样窗洞就出来了。用同样的方法将楼体模型的所用窗洞、门洞、阳台做出来。 众所周知，在现实世界中一座楼是有外墙和内墙之分的，并且他们的颜色不一样，所以在3DS MAX中将墙做好之后一定要考虑墙以后的颜色是什么样的。8#学生宿舍楼是一座带有阳台的学生公寓，它有两种材质，所以要对楼体模型赋予不同的材质，也就是要使用多维材质。 在制作好第一层后，再采用复制的方法就可以得到教学楼的整体模型。如图1-9所示。 图1-9教学楼模型 接下来要给这座楼根据实际情况加入玻璃、窗户、门等。最终的模型如图1-10所示。 图1-10 教学楼整体模型 其他建筑模型及环境的制作 1 .宿舍楼的制作 由于宿舍楼同样是三维虚拟校园重要的表现对象所以采取了和教学楼一样的建模方法。宿舍楼的最终模型如图1-11所示。 图1-11 宿舍楼的模型 其他的建筑模型如图1-12所示 灯光球场 学校大门 足球场 别墅 2 .环境的制作 （1）小山的制作 小山是最能烘托环境的，在制作上当然也是最有难度的。在制作小山时有多种方法，既可以对面在点的级别下编辑多边形，然后使用软选择工具；也可以使用黑白位图运用置换命令，白的地方凸起，黑的地方凹陷。 第一种方法是最简单也是最为快捷的，首先在要创建湖的地方创建一个平面，然后将分段值提高，这一点是很重要的，如果给的分段值过低，对其施加网格平滑命令后会不平滑。然后将这个平面转化为可编辑的多边形，在点的级别下用多边形选择工具选择要凸起为山坡的点，打开软选择开关，拉出小山的高度。如图1-13所示： 图1-13 制作的小山 （2）树木的制作 在做大型的三维游历动画时，经常用Speed Tree、Tree Strom、Forest Pro等插件来制作环境中的树木。Speed Tree、Tree Strom可以用来做真实的三维立体的树，要对一个树进行特别表现时就要用这两个插件来做。Forest Pro主要用来制作大面积的深林。另外，前两种插件做的树还可以施加风动力，创建出树叶随风飘动的动画。 对于三维虚拟校园的树木包括两个大的方面。第一种是道路两旁的树，第二种是小山上的树和河边的树。本设计主要采用的是Forest Pro。下面介绍Forest Pro插件。 Forest Pro插件的使用 作为建筑动画的场景模型，配景模型也是非常重要的，而植物模型在配镜中具有举足轻重的地位，一个缺少植物的场景，会明显让人感觉缺少生气，没有活力。由于3DS Max软件本身的局限性，如果单纯使用3DS Max的植物模型，会让整个工作非常繁琐和复杂，同时也会有相当大的模型量。 在整个场景中，大部分的数是通过Forest Pro插件来完成的，它通过贴图来表现植物，具有以下特点： （1）模型由交叉的面片组成，模型量小。 （2）比较适合做远景大面积的植被。 （3）可以同时设置各参数，有效的控制植物高低起伏及疏密关系。 使用Forest Pro在草地上创建出树木群的的制作过程： （1） 将所有出现草地的地方画线，并且结合成可编辑样条线，创建出线框物体，这是创建树林的区域。 （2） 单击创建面板，在基本几何体下拉框中选择Itoo Software，选择Forest Pro，在顶视图中的区域内单击，创建一个F字样的线框标记。 （3） 在F字样保持选中的前提下，单击修改面板，选择area卷展栏，单击pick，并拾取样条线，在线框内会自动生成面片群。 （4） 打开Distribution Map卷展栏，选择grid分布方式。看到面片群规律排列。设置size选项组内x值的大小，调节树木的疏密程度。 （5） 打开Tree Properties卷展栏，调节Width值和Height值来控制树木的宽度和高度。 （6） 给树木设置材质。按键盘上的M键，打开材质编辑器。设置一个多维材质。 （7） 将多维材质指定给面片模型，打开Material卷展栏，调节多维材质分别在面片模型群中所占的比例。这样可以得到树种丰富、效果逼真的树林。如图3-15. 图1-14 树木群效果 3 .材质的制作 (1) 别墅材质的制作 教学楼的材质是红色砖墙材质，建议尽量使用3D中自带的材质，用贴图不好控制，也容易出现贴图间的连接痕迹。教学楼的红砖墙材质在3D的材质编辑器中能直接调出来。在漫反射贴图通道中使用平铺（Tiles）材质，在标准控制中，将预设类型改为连续砌合；在高级控制中，调出和实际相符合的颜色；在凹凸贴图通道也使用相同的材质，使砖墙看起来有凹凸感。 (2) 窗户材质的制作 对窗户的制作，除了用窗框和面制作比较真实的窗户外，还可以一个窗户用一个面代替，并给这个面特殊的材质。这里主要说用面制作窗户的材质的做法。材质用混合（blend）材质，材质1使用窗框的材质，材质2使用玻璃的材质，遮罩中使用窗户的黑白贴图。 (3) 教学楼材质的制作 在此设计中，教学楼是主体建筑，所以在材质上要下功夫。主要是根据本学校建筑的实体模型来进行的材质的设置。用数码相机拍摄合适的墙体图片。再在Photoshop中对图片进行处理。在侧墙材质的反射通道中给原始图片，在透明通道和凹凸通道中都给成黑白图，并将凹凸数量设置为负值，这样会使窗户看起来有凹进去的感觉，比较真实。关于贴图大小、位置的调整可以调整其UV平铺和偏移数值。效果参看图1-10. (4 )玻璃幕材质的制作 玻璃幕材质的制作，基本参数设置：高光级别设置值为149，光泽度为27，漫反射贴图通道里使用平铺（Tiles）材质，在反射通道里添加贴图，反射通道不使用光线跟踪而使用贴图可以节省大量的渲染时间。反射数量要降低，在此设置为24.如图1-15. 图1-15别墅最终效果 4 .灯光的创建 在这个建筑场景中的灯光大致可以分为主光和环境光，环境光可以分为顺光和背光。顺光和背光的主要区别是顺光的颜色要偏暖，背光的颜色要偏冷。顺光灯制作时使用目标聚光灯，阴影使用阴影贴图，阴影贴图参数偏移设置为0，采样范围50左右，旋转并实例复制一圈，制作出顺光组。需要注意的是复制时使用拾取坐标系统，在聚光灯的目标点建立一个虚拟物体，拾取虚拟物体，并将坐标中心切换到使用变换坐标中心，就可以以目标点为中心旋转复制。背光组制作过程和顺光组一样，只是把颜色调冷一点。环境光都要根据实际的光线需要调整光的倍增值。主光也可以使用目标聚光灯打，颜色根据早中晚调整，阴影贴图参数设置上，与环境光不同，偏移值为0，贴图大小的值越大，投影越精确，采样范围值越高，阴影边缘越模糊，所以，根据不同的情况调出不同的灯光，模拟太阳光一天中的变化。 如果场景中个别部分太亮，除了使用灯光列表改变灯光的倍增值以外，还可以对个别照的很亮的模型另外再加一个泛光灯，使用“包含”，将照的特别亮的模型包含进来，倍增值设为负值，就变成了“吸光灯”。 如果场景太暗，也可以通过使用泛光灯阵列为整个场景补光。 5 .渲染 (1)渲染参数设置 渲染时需要对渲染的参数进行设置，可以添加特殊的效果，如镜头效果，景深，色彩平衡，模糊等如图1-16所示。 图1-16渲染效果参数 还可以对渲染场景进行更细致的设置，快捷键为F10或者打开渲染菜单下的渲染。如图1-18所示。 图3-18 渲染场景参数 (2)最终效果图 部分场景的最终渲染图如下所示. 全局 全局 教学楼区 中心湖区 《三维虚拟校园动画设计与实现》主要运用3ds max进行场景建模。通过这个设计掌握了建筑动画制作的一般流程，对建筑建模以及整个流程有了更深刻的认识。三维动画以真实的三维模型、逼真的材质效果、高精度和多种输出产品，可应用于建筑设计中各种业务．它以图、文、声、像一体化的形式表达建筑设计并深刻地改变着建筑师的设计观念，使人们深深地感受到数字化的威力与迷人之处．建筑设计工作者应洞悉不断发展的科技前沿，提高建筑设计的表现手法，使用网络计算机及其相关的三维设备，让我们的工作、生活、娱乐更加富有情趣．建筑动画的未来发展前景是无限的。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：以三维动画来全方位的展示校园建筑和环境，突出三维动画在表现建筑结构方面的特殊优势；希望本作品可以给广大的三维设计爱好者提供某些方面的参考和借鉴。 基本思路：借用3D技术，及其它相关的软硬件设备，将二维的建筑图纸转变为三维的建筑实体。其中包括脚本创作，校园的建模，添加材质，灯光设置，渲染输出以及后期剪辑等。 按照建筑动画设计与制作的基本流程，利用3DS MAX、Photoshop、Premiere Pro、after effect等软件，包括校园的建模，添加材质，灯光设置以及渲染输出，将一大学校区以三维动画的形式展现在出来。 三维虚拟校园的设计与实现把建筑二维的建筑图纸转变为三维的建筑实体。包括校园的建模，添加材质，灯光设置以及渲染输出。在本设计中主要运用了3ds max，AutoCAD及相关的插件forest。 三维动画技术还是一个设计工具，它以视觉形式反映了设计者的思想。运用三维动画技术,设计者可以完全按照自己的构思去构建装饰“虚拟”的房间，并可以任意改变自己在房间中的位置，观察设计的效果，直到满意为止。既节约了大量的时间，又节省了做模型的费用。 三维动画技术让学生可以身临其境地感受校园的景观，以交互的方式加快了学生熟悉校园环境的速度。应用三维动画技术，给人们带来难以比拟的真实感与现场感。同时三维动画技术还可以应用在网络和多媒体中，更方便、快捷的传播学校信息。
科学性、先进性
- 本作品主要技术支持：1.运用3ds max进行场景建模。2.利用3ds max系统内部自带的目标摄像机和自由摄像机，来真实的模拟现实摄像机的功能。3.运用photo shop制作材质贴图。4. 利用AutoCAD来对平面CAD图进行简化处理，从而更精确的控制尺寸和比例。5.使用premiere pro、after effect等对作品进行后期处理与编辑。这些强大的技术支持使得它具有一定的科学性。 本作品在建筑动画领域里属于说明类动画，即通常所说的浏览类动画。作品以建筑的三维模型为基础，采用逼真的材质效果，生动形象而又流畅地展示了一些建筑群的结构及其周围环境。此种技术可应用于大型建设项目的招商展示、工程运作演示、大型城市建设规划、房地产销售广告等各种业务中。而这一切，又是目前新技术新运用。 据此估计，三维虚拟建筑动画有着一个极为广阔的前景！
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片、模型、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品主要技术支持：1.运用3ds max进行场景建模。2.利用3ds max系统内部自带的目标摄像机和自由摄像机，来真实的模拟现实摄像机的功能。3.运用photo shop制作材质贴图。4. 利用AutoCAD来对平面CAD图进行简化处理，从而更精确的控制尺寸和比例。5.使用premiere pro、after effect等对作品进行后期处理与编辑。这些强大的技术支持使得它具有一定的科学性。 本作品在建筑动画领域里属于说明类动画，即通常所说的浏览类动画。作品以建筑的三维模型为基础，采用逼真的材质效果，生动形象而又流畅地展示了一些建筑群的结构及其周围环境。此种技术可应用于大型建设项目的招商展示、工程运作演示、大型城市建设规划、房地产销售广告等各种业务中。而这一切，又是目前新技术新运用。 据此估计，三维虚拟建筑动画有着一个极为广阔的前景！
同类课题研究水平概述
- 3D Studio Max ，最开始运用在电脑游戏中的动画制作，而后更进一步开始参与影视片的特效制作，例如《X战警II》，《最后的武士》等。目前，在影视界，3DS MAX的应用案例更是多的数不胜数。 从应用范围来看，3DS MAX也已经广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。深深扎根于玩家心中的劳拉角色形象就是3DS MAX的杰作。同时，3DS MAX在影视特效方面也有一定的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中，3DS MAX的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对3DS MAX的掌握程度也有不同的要求，建筑方面的应用相对来说要局限性大一些，它只要求单帧的渲染效果和环境效果，只涉及到比较简单的动画；片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大，特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些；影视特效方面的应用则把3DS MAX的功能发挥到了极至。 就目前3DS MAX的发展形势而言，它已经被广泛应用到建筑、医疗、军事、航空、影视、广告、娱乐等诸多方面。3DS MAX以虚拟再现现实的的独特技术更是诸多科技所无法比拟的。 在国际上，好莱坞曾对3D数字动画电影技术进行过多次实地试验。如2005年出品的《四眼天鸡》以及后来的《闪电狗》等,但是这些影片票房并不尽如人意。从电影技术上来看,真正冲破技术藩篱的是《阿凡达》。在动画电影领域,则是以上映的《飞屋环游记》为代表,而派拉蒙3D动画《驯龙高手》也为3D动画的发展增添了一份传奇。类似的3D电影,其意义不仅在于其表面的东西,更在于它所引领的动画电影的未来发展趋势。 而在我国，3D技术的应用就更为普遍。目前，我们提的做多的三网合一，从某种程度上来讲，也加快了3D技术的发展。比如：正在更新的3D电视。当出现了一定硬件的支持以后，对我们3D制作的要求也变得越来越高。 总之就我国动画产业的发展现状看，可以说态势良好鼓舞人心，同时我们也应该看到我国动画产业发展现状与美日韩等动画发达国家相比存在不小的差距，还有很多问题等待我们去调整解决。我们要不断面临驾驭产业发展新考验各国际动画界的新挑战，但是我相信我们民族的动画产业在大家的共同支持和努力下一定会获得长足的发展。让我们共同期待中国民族动画产业新的春天。
