基于3ds max的三維建模技術在工業(yè)設計中的應用

摘要:在工業(yè)設計活動中，三維數(shù)據(jù)模型的建立可方便地生成產(chǎn)品的平面和立體效果圖以及三維動畫效果。該文系統(tǒng)總結了3ds max中的建模方法，將其歸納為7種，即基礎建模、樣條建模、復合建模、網(wǎng)格建模、多邊形建模、面片建模和NURBS建模。介紹了每一種建模方法的特點和在工業(yè)設計中的應用，最后對建模方法的具體選用提出了建議。

關鍵詞:3ds max; 三維建模技術; 工業(yè)設計

中圖分類號:TP37文獻標識碼:A文章編號: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 三維模型在工業(yè)設計中的作用

工業(yè)設計是一種有目的有計劃的創(chuàng)造活動，它本身有著嚴格的設計程序。完整的工業(yè)設計包括市場定位設計、概念的創(chuàng)造設計及產(chǎn)品的可制造性設計等多個環(huán)節(jié)，在當今信息化時代，每一項設計的表現(xiàn)都離不開計算機輔助設計的支撐。設計師借助計算機三維模型可以準確地將其設計思想貫穿到最終的產(chǎn)品中。三維數(shù)據(jù)模型的建立可方便地生成不同的平面和立體效果圖及三維動畫效果，不但可用于產(chǎn)品設計前期的評審， 而且可以廣泛地應用于產(chǎn)品設計后期的宣傳、推廣及營銷等各個方面， 因此建立有效的三維數(shù)據(jù)模型在工業(yè)設計活動中是非常重要的。

目前可用于工業(yè)設計的三維建模及渲染軟件主要有兩大類:其一是專業(yè)的設計及動畫軟件， 如3ds max、Rhino、Cinema 4D、Alias、Maya等。另一類主要是指中高檔的三維工程設計軟件，如Pro/E、UG、Solidworks等。其中，3ds max 是Autodesk 公司推出的面向PC機的中型三維動畫制作軟件。它有著強大的效果圖和動畫制作功能，有300多家第三方廠商為其設計渲染插件， 使其在效果圖制作方面，很輕松地就可以達到照片級的效果，其強大的動畫制作功能， 為產(chǎn)品的后期宣傳起到了如虎添翼的效果。因此在工業(yè)設計領域它已作為一種重要的三維建模手段被設計師廣泛應用[1]。

2 3ds max三維建模技術在工業(yè)設計中的應用[2]

“歐氏幾何造型、樣條曲面造型、分形幾何造型是計算機圖形學的基本造型原理”[3]基于這三種基本造型原理，在3ds max中形成了與之相對應的三維建模技術，從最基礎的三維建模到最復雜的NURBS建模，可以讓設計師隨心所欲地完成各種產(chǎn)品的模型建造工作。

2.1 基礎建模

3ds max為用戶提供了一些常用的三維形體，可用來快速建立一些基礎模型。這些三維形體包括10種標準基本體如圓柱、圓錐、球、立方體等;13種擴展基本體如異面體、切角長方體、環(huán)形波等;以及一些常用的建筑對象如門、窗、樓梯等。但在真正的建模過程中，這些參數(shù)化三維形體并不能滿足設計需求，為此，3ds max為用戶提供了大量的編輯修改器，可用來改變基礎三維形體的外形，以達到用戶對建模的要求。這種建模方法是3ds max中最為基礎也是最簡單的建模方法。

圖1所示的長椅模型，即是用這種方法將基本形體通過施加修改器生成的。

2.2 樣條建模

樣條建模，即二維形建模，是3ds max中一種常用的建模方法。該方法主要是利用二維圖形配合編輯修改器來建模的，即按照要求將二維圖形編輯成需要的形狀后，利用編輯修改器對二維圖形執(zhí)行延展、旋轉或擠壓等操作，從而將二維圖形生成一個具有高度、厚度的三維形體。該方法具有操作簡單、建模精確、編輯方式靈活等特點，其難點在于熟練地編輯二維圖形。

圖1所示的筆記本電腦模型的主體即利用該方法建立的。

2.3 復合建模

復合建模即復合對象建模，是3ds max中一種較為特殊的建模方法。它不能在場景中直接創(chuàng)建對象，而是通過將兩種或兩種以上的對象進行組合，創(chuàng)建出更為復雜的模型。3ds max9 中提供了12種復合對象類型，其中的“布爾”和“放樣”是最常用的復合對象建模方法。

布爾運算是指對兩個或兩個以上的對象進行交集、并集和差集的運算，以得到新的對象形態(tài)。

3ds max中的放樣造型是功能極為強大的一種造型方法， 能夠對極為復雜的形體進行造型， 如車、船、飛機等， 對其它方法不可能造型的形體幾乎都可以通過放樣得到。它的思想是將一些二維圖形通過一定的路徑掃描從而生成三維造型。放樣之后的造型亦可以進行布爾運算得到復雜的形體。放樣之后的物體還可以通過變形曲線命令進行編輯修改，3ds max針對放樣截面提供了5種變形曲線，即“縮放”、“扭曲”、“傾斜”、“倒角”和“擬合”，這些變形曲線命令大大增強了放樣的功能。

圖2所示的吧臺椅模型即是通過運用放樣和布爾運算得出的，而電腦顯示器則是通過放樣物體的擬合變形實現(xiàn)的。

2.4 網(wǎng)格建模

網(wǎng)格建模可以進入到三維形體的子對象層進行編輯。在能夠編輯子對象層的建模方法中，它是最簡單、也是最易于掌握的建模方法。與其它建模方式相比，其更為自由的編輯模式使用戶擁有了更為廣闊的創(chuàng)作空間，能夠創(chuàng)建更加復雜、漂亮的模型。但這種建模方法隨機性強，建模時主要是依靠操作者的經(jīng)驗和對形體的把握能力。

網(wǎng)格對象是不能直接在場景中創(chuàng)建的，必須通過塌陷對象或為對象添加編輯修改器的方法將基本型或其它類型的對象轉化為網(wǎng)格對象。該建模方法中主要涉及到的技術是推拉表面，在編輯過程中要大量使用點、邊、面的編輯操作。它通常與網(wǎng)格平滑修改器配合使用，以使編輯過的對象更加圓潤、平滑。

圖3即為利用該方法將一個簡單的長方體在多邊形次對象層級經(jīng)過一系列的拉伸和網(wǎng)絡平滑之后所得的沙發(fā)模型。由此可看出，該方法類似于“捏橡皮泥”，能夠創(chuàng)建出非常豐富的三維模型，如各種家具、動物、交通工具等。

圖3網(wǎng)格建模實例:長方體—沙發(fā)[5]

2.5 多邊形建模

多邊形建模與網(wǎng)格建模較為相似，不同的是它更優(yōu)于網(wǎng)格建模方法，它可以定義多邊形面、細化規(guī)則的面次對象、通過切片工具添加節(jié)點增加對象的分段數(shù)等操作，而且它還取消了三角形基礎面的概念，同時增加了“邊界”次對象編輯模式。它與網(wǎng)格建模一樣，都有占用系統(tǒng)資源較少、易于控制、易于掌握等優(yōu)點。

多邊形建模與網(wǎng)格建模最大的區(qū)別在于對形體基礎面的定義不同。網(wǎng)格建模將面的次對象定義為三角形;而多邊形建模將面的次對象定義為多邊形，即無論被編輯的面有多少條邊界，都被定義為一個獨立的面，這樣就可將任何獨立的面定義為一個獨立的次對象進行編輯，有效地避免了網(wǎng)格建模中常易出現(xiàn)的褶皺和撕裂現(xiàn)象。此外，多邊形建模中的平滑功能，可以很容易地對多邊形對象進行光滑和細化處理。多邊形建模的這些特點，大大方便了用戶的建模工作，使多邊形建模成為創(chuàng)建初級模型時首選的建模方法。

圖4即為利用該方法將一個簡單的圓球體在多邊形次對象層級經(jīng)過一系列的變化之后所得的水杯模型。

圖4多邊形建模實例:圓球—電熱水杯

2.6 面片建模

面片建模也是一種基于次對象編輯的建模方式，它比網(wǎng)格建模和多邊形建模更為復雜，面片建模有以下兩個特點:1)面片建模能夠基于Bezier曲線創(chuàng)建平滑的曲面。這一特性使其在角色建模和不規(guī)則光滑形體建模方面大大優(yōu)于網(wǎng)格建模和多邊形建模;2)面片建模比NURBS建模更容易控制并且可以大大地節(jié)省系統(tǒng)資源。所以，面片建模成為一種深受用戶歡迎的建模方式，常被用來創(chuàng)建光滑的流線型對象，如陶瓷制品、金屬用品等。

面片對象也是不能直接在場景中創(chuàng)建的，必須通過塌陷對象或為對象添加“編輯面片”修改器的方法將基本型或其它類型的對象轉化為面片對象。它通常與“曲面”修改器和“橫截面”工具相結合以完成模型的建造。

圖5即為利用面片建模方法分別建立鑰匙扣的頂部模型和主體模型之后，將其組合在一起所得的鑰匙扣模型。

圖5面片建模實例:鑰匙扣

2.7 NURBS建模

NURBS，全名為Non-Uniform Rational B-Splines(非均勻有理數(shù)B樣條線)，它是3ds max中最復雜、最占用資源的建模方式。它是基于控制點來調節(jié)對象表面的曲度，創(chuàng)建出光滑的曲面。它可隨時對模型在空間內進行調節(jié)造型，而且自身具備一整套完整的造型工具，根據(jù)不同的需要，創(chuàng)建不同類型的次對象。

NURBS建模方法是當前用途比較廣泛的一種建模方法。在創(chuàng)建人體器官、流線型車體等平滑曲面時，尤為得心應手。目前流行的幾大三維軟件如Maya、SoftImage、3ds max中都包含了一整套NURBS建模工具。

NURBS建模也是基于對次對象的編輯來創(chuàng)建對象的，它包含5種次對象:“CV曲面”、“曲面”、“CV曲線”、“點”、“曲線”，在對這些次對象的編輯操作中實現(xiàn)了NURBS的強大功能。

圖6即為利用NURBS建模方法創(chuàng)建的MP3播放器模型。

圖6NURBS建模實例:MP3播放器

3 結論

在以上7種3ds Max三維建模技術中，基礎建模和樣條建模是最基本也最易掌握的，它們直接利用3ds Max提供的三維或二維形體，通過施加適當?shù)木庉嬓薷钠鱽硗瓿山！秃辖Ｖ械牟紶栠\算即基本體素法，即用系統(tǒng)所提供的基本幾何形體或自己創(chuàng)建的三維形體來構造復雜造型，它一般用于相對簡單的形體，通過布爾操作，可以使建模過程快速有效。復合建模中的放樣建模功能強大，可以實現(xiàn)單截面或多截面放樣，結合放樣變形曲線，能夠完成相當復雜的建模工作。而網(wǎng)格建模、多邊形建模、面片建模和NURBS建模都是基于次對象編輯的建模方式，其中的網(wǎng)格建模和多邊形建模較為相似，主要區(qū)別在于對面的定義不同;面片建模和NURBS建模則更為復雜，通常用來進行具有較多平滑曲面的模型創(chuàng)建。

在實際建模工作中，需要根據(jù)產(chǎn)品的具體形態(tài)選用合適的建模方法，一個產(chǎn)品的建模方法并不是唯一的，常需設計者根據(jù)個人的使用習慣正確選用，而且，對于非常復雜的造型， 一般不僅僅使用上述的某一種方法， 而需先使用上述某種方法各自構造形體， 然后將所構造的各個形體合并得到所需造型。 總的原則是:以盡可能少和簡單的操作，在盡可能少的CPU 時間內滿足設計要求。

參考文獻:

[1] 陶轉良，高矚.CAD 在工業(yè)設計中應用方式的探討[J].常州工學院學報，2006，19(6):48-52.

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[3] 陳元琰，張曉競.計算機圖形學實用技術[M]. 北京:科學出版社，2000.

[4] 楊勇.3ds max 6精彩設計百例[M]. 中國水利水電出版社，2004.

[5] 馬凌云.3ds max 5三維動畫制作教程[M]. 北京:人民郵電出版社，2004.

[6] 袁承武，袁麗娜.3ds max 5基礎教程[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.