基于3ds,max的三维建模技术在工业设计中的应用

摘要:在工业设计活动中,三维数据模型的建立可方便地生成产品的平面和立体效果图以及三维动画效果。该文系统总结了3ds max中的建模方法,将其归纳为7种,即基础建模、样条建模、复合建模、网格建模、多边形建模、面片建模和NURBS建模。介绍了每一种建模方法的特点和在工业设计中的应用,最后对建模方法的具体选用提出了建议。

关键词:3ds max; 三维建模技术; 工业设计

中图分类号:TP37文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)25-7242-03

Application of the 3D Modelling Technology Based on 3ds Max in Industrial Design

LIANG Yan-xia

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Xuzhou Normal University, Xuzhou 221116, China)

Abstract: In industrial design, the 2D and 3D effect paper and 3D animation can be generated conveniently based on three-dimensional data model. The modeling methodsof 3ds max is summed up in this article. They are: the basic modeling, the spline modeling, the compound modeling, the mesh modeling, the polygon modeling, the patch modeling and the NURBS modeling. The feature of every modeling method and its application in industrial design is introduced. At last, some advice about the selection of modeling method is given.

Key words: 3ds max,three-dimensional modeling, industrial design

1 三维模型在工业设计中的作用

工业设计是一种有目的有计划的创造活动,它本身有着严格的设计程序。完整的工业设计包括市场定位设计、概念的创造设计及产品的可制造性设计等多个环节,在当今信息化时代,每一项设计的表现都离不开计算机辅助设计的支撑。设计师借助计算机三维模型可以准确地将其设计思想贯穿到最终的产品中。三维数据模型的建立可方便地生成不同的平面和立体效果图及三维动画效果,不但可用于产品设计前期的评审, 而且可以广泛地应用于产品设计后期的宣传、推广及营销等各个方面, 因此建立有效的三维数据模型在工业设计活动中是非常重要的。

目前可用于工业设计的三维建模及渲染软件主要有两大类:其一是专业的设计及动画软件, 如3ds max、Rhino、Cinema 4D、Alias、Maya等。另一类主要是指中高档的三维工程设计软件,如Pro/E、UG、Solidworks等。其中,3ds max 是Autodesk 公司推出的面向PC机的中型三维动画制作软件。它有着强大的效果图和动画制作功能,有300多家第三方厂商为其设计渲染插件, 使其在效果图制作方面,很轻松地就可以达到照片级的效果,其强大的动画制作功能, 为产品的后期宣传起到了如虎添翼的效果。因此在工业设计领域它已作为一种重要的三维建模手段被设计师广泛应用[1]。

2 3ds max三维建模技术在工业设计中的应用[2]

“欧氏几何造型、样条曲面造型、分形几何造型是计算机图形学的基本造型原理”[3]基于这三种基本造型原理,在3ds max中形成了与之相对应的三维建模技术,从最基础的三维建模到最复杂的NURBS建模,可以让设计师随心所欲地完成各种产品的模型建造工作。

2.1 基础建模

3ds max为用户提供了一些常用的三维形体,可用来快速建立一些基础模型。这些三维形体包括10种标准基本体如圆柱、圆锥、球、立方体等;13种扩展基本体如异面体、切角长方体、环形波等;以及一些常用的建筑对象如门、窗、楼梯等。但在真正的建模过程中,这些参数化三维形体并不能满足设计需求,为此,3ds max为用户提供了大量的编辑修改器,可用来改变基础三维形体的外形,以达到用户对建模的要求。这种建模方法是3ds max中最为基础也是最简单的建模方法。

图1所示的长椅模型,即是用这种方法将基本形体通过施加修改器生成的。

2.2 样条建模

样条建模,即二维形建模,是3ds max中一种常用的建模方法。该方法主要是利用二维图形配合编辑修改器来建模的,即按照要求将二维图形编辑成需要的形状后,利用编辑修改器对二维图形执行延展、旋转或挤压等操作,从而将二维图形生成一个具有高度、厚度的三维形体。该方法具有操作简单、建模精确、编辑方式灵活等特点,其难点在于熟练地编辑二维图形。

图1所示的笔记本电脑模型的主体即利用该方法建立的。

2.3 复合建模

复合建模即复合对象建模,是3ds max中一种较为特殊的建模方法。它不能在场景中直接创建对象,而是通过将两种或两种以上的对象进行组合,创建出更为复杂的模型。3ds max9 中提供了12种复合对象类型,其中的“布尔”和“放样”是最常用的复合对象建模方法。

布尔运算是指对两个或两个以上的对象进行交集、并集和差集的运算,以得到新的对象形态。

3ds max中的放样造型是功能极为强大的一种造型方法, 能够对极为复杂的形体进行造型, 如车、船、飞机等, 对其它方法不可能造型的形体几乎都可以通过放样得到。它的思想是将一些二维图形通过一定的路径扫描从而生成三维造型。放样之后的造型亦可以进行布尔运算得到复杂的形体。放样之后的物体还可以通过变形曲线命令进行编辑修改,3ds max针对放样截面提供了5种变形曲线,即“缩放”、“扭曲”、“倾斜”、“倒角”和“拟合”,这些变形曲线命令大大增强了放样的功能。

图2所示的吧台椅模型即是通过运用放样和布尔运算得出的,而电脑显示器则是通过放样物体的拟合变形实现的。

2.4 网格建模

网格建模可以进入到三维形体的子对象层进行编辑。在能够编辑子对象层的建模方法中,它是最简单、也是最易于掌握的建模方法。与其它建模方式相比,其更为自由的编辑模式使用户拥有了更为广阔的创作空间,能够创建更加复杂、漂亮的模型。但这种建模方法随机性强,建模时主要是依靠操作者的经验和对形体的把握能力。

网格对象是不能直接在场景中创建的,必须通过塌陷对象或为对象添加编辑修改器的方法将基本型或其它类型的对象转化为网格对象。该建模方法中主要涉及到的技术是推拉表面,在编辑过程中要大量使用点、边、面的编辑操作。它通常与网格平滑修改器配合使用,以使编辑过的对象更加圆润、平滑。

图3即为利用该方法将一个简单的长方体在多边形次对象层级经过一系列的拉伸和网络平滑之后所得的沙发模型。由此可看出,该方法类似于“捏橡皮泥”,能够创建出非常丰富的三维模型,如各种家具、动物、交通工具等。

图3网格建模实例:长方体—沙发[5]

2.5 多边形建模

多边形建模与网格建模较为相似,不同的是它更优于网格建模方法,它可以定义多边形面、细化规则的面次对象、通过切片工具添加节点增加对象的分段数等操作,而且它还取消了三角形基础面的概念,同时增加了“边界”次对象编辑模式。它与网格建模一样,都有占用系统资源较少、易于控制、易于掌握等优点。

多边形建模与网格建模最大的区别在于对形体基础面的定义不同。网格建模将面的次对象定义为三角形;而多边形建模将面的次对象定义为多边形,即无论被编辑的面有多少条边界,都被定义为一个独立的面,这样就可将任何独立的面定义为一个独立的次对象进行编辑,有效地避免了网格建模中常易出现的褶皱和撕裂现象。此外,多边形建模中的平滑功能,可以很容易地对多边形对象进行光滑和细化处理。多边形建模的这些特点,大大方便了用户的建模工作,使多边形建模成为创建初级模型时首选的建模方法。

图4即为利用该方法将一个简单的圆球体在多边形次对象层级经过一系列的变化之后所得的水杯模型。

图4多边形建模实例:圆球—电热水杯

2.6 面片建模

面片建模也是一种基于次对象编辑的建模方式,它比网格建模和多边形建模更为复杂,面片建模有以下两个特点:1)面片建模能够基于Bezier曲线创建平滑的曲面。这一特性使其在角色建模和不规则光滑形体建模方面大大优于网格建模和多边形建模;2)面片建模比NURBS建模更容易控制并且可以大大地节省系统资源。所以,面片建模成为一种深受用户欢迎的建模方式,常被用来创建光滑的流线型对象,如陶瓷制品、金属用品等。

面片对象也是不能直接在场景中创建的,必须通过塌陷对象或为对象添加“编辑面片”修改器的方法将基本型或其它类型的对象转化为面片对象。它通常与“曲面”修改器和“横截面”工具相结合以完成模型的建造。

图5即为利用面片建模方法分别建立钥匙扣的顶部模型和主体模型之后,将其组合在一起所得的钥匙扣模型。

图5面片建模实例:钥匙扣

2.7 NURBS建模

NURBS,全名为Non-Uniform Rational B-Splines(非均匀有理数B样条线),它是3ds max中最复杂、最占用资源的建模方式。它是基于控制点来调节对象表面的曲度,创建出光滑的曲面。它可随时对模型在空间内进行调节造型,而且自身具备一整套完整的造型工具,根据不同的需要,创建不同类型的次对象。

NURBS建模方法是当前用途比较广泛的一种建模方法。在创建人体器官、流线型车体等平滑曲面时,尤为得心应手。目前流行的几大三维软件如Maya、SoftImage、3ds max中都包含了一整套NURBS建模工具。

NURBS建模也是基于对次对象的编辑来创建对象的,它包含5种次对象:“CV曲面”、“曲面”、“CV曲线”、“点”、“曲线”,在对这些次对象的编辑操作中实现了NURBS的强大功能。

图6即为利用NURBS建模方法创建的MP3播放器模型。

图6NURBS建模实例:MP3播放器

3 结论

在以上7种3ds Max三维建模技术中,基础建模和样条建模是最基本也最易掌握的,它们直接利用3ds Max提供的三维或二维形体,通过施加适当的编辑修改器来完成建模。复合建模中的布尔运算即基本体素法,即用系统所提供的基本几何形体或自己创建的三维形体来构造复杂造型,它一般用于相对简单的形体,通过布尔操作,可以使建模过程快速有效。复合建模中的放样建模功能强大,可以实现单截面或多截面放样,结合放样变形曲线,能够完成相当复杂的建模工作。而网格建模、多边形建模、面片建模和NURBS建模都是基于次对象编辑的建模方式,其中的网格建模和多边形建模较为相似,主要区别在于对面的定义不同;面片建模和NURBS建模则更为复杂,通常用来进行具有较多平滑曲面的模型创建。

在实际建模工作中,需要根据产品的具体形态选用合适的建模方法,一个产品的建模方法并不是唯一的,常需设计者根据个人的使用习惯正确选用,而且,对于非常复杂的造型, 一般不仅仅使用上述的某一种方法, 而需先使用上述某种方法各自构造形体, 然后将所构造的各个形体合并得到所需造型。 总的原则是:以尽可能少和简单的操作,在尽可能少的CPU 时间内满足设计要求。

参考文献:

[1] 陶转良,高瞩.CAD 在工业设计中应用方式的探讨[J].常州工学院学报,2006,19(6):48-52.

[2] 孟滨.3ds Max 9中文版三维设计完全自学手册[M].北京:机械工业出版社,2008.

[3] 陈元琰,张晓竞.计算机图形学实用技术[M]. 北京:科学出版社,2000.

[4] 杨勇.3ds max 6精彩设计百例[M]. 中国水利水电出版社,2004.

[5] 马凌云.3ds max 5三维动画制作教程[M]. 北京:人民邮电出版社,2004.

[6] 袁承武,袁丽娜.3ds max 5基础教程[M].北京:机械工业出版社,2004.