Pillow简介

摘要：本文介绍了轻量级多边形建模工具Pillow的编写过程和大体结构。

关键词：计算机图形；多边形建模；细分算法

中图分类号：TP302 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)03-10835-02

1 引言

Pillow是一个我编写的轻量级多边形3D建模程序。目前，这个程序还处于初级阶段，只实现了一些基本的多边形建模操作，比如对点、边、面、体的挪动旋转以及缩放操作、删除、焊接、切割等等。另外还有catmull-clark细分。出于对速度的考虑，目前人为地限定在最大5次细分，实际上细分的次数可以不限。因为这个程序还在起步阶段，仍存在很多需要解决的问题，但是不管怎么说是个不错的开始。据我所知，许多小规模的建模工具都要开发很多年，而我才搞了两个多月。

2 最初的设想

大概是在2004年10月，我开始有自己编一个建模工具的想法。当时是要学DirectX，我觉得学编程必须要动手才行，所以想到写个像silo的程序。因为我觉得silo是一个面向使用的程序，而且是所有3D建模工具里规模比较小的。今年7月大学毕业后，我开始写这个程序。

因为最初是为了练习DirectX，所以最早是想用c#和managed directx来写。当时还用过一个truevision3d的引擎。原因很明显，引擎里屏幕拾取等操作已经都给你做好了。但是因为引擎的数据结构特别大，效率很低，所以后来我就直接用directx来编了。而我现在的这个程序则是重新用c++和opengl写的。最开始有人问我为什么不选择opengl，我的回答是每一个图形库都很有学问，一个尚且学不好，怎么能顾得上学另一个。不过自从接触过opengl之后，我觉得opengl没有directx封装的利害，感觉用起来很直接。我很喜欢opengl，用c++的目的首先是因为要用opengl。当然，tao framework我也试过，不理想。第二个原因是因为效率，交互性强的程序太需要效率了。第三个原因是c++应该是编图形程序的首选语言。至于程序的界面，我选择了wxWidgets。我编程的时候一般都非常在意界面。我认为外观设计不是什么无足轻重的东西，如果苹果公司没有它的工业设计，这样一个不兼容的怪胎早就被淘汰了。不过很遗憾，我找不到满足我要求的c++界面库。我希望能够有一个跨平台，最好开源，可以换肤，控件比较丰富的界面库，但是没有。编这个程序的时候我先后用了cegui，wxWidgets，qt4，但哪个都不满意。最后选择wxWidgets是因为silo也用它。

3 关于程序结构

我的程序大体分成了三个层次，界面层负责和使用者交互，并且把操作的结果显示出来。中间的控制层负责管理整个场景，负责将图形的操作转换成对于数据的操作。这部分实际上是整个程序的核心。最里面的是数据层，存储的是场景的图形数据。场景管理器和数据层之间的交互被严格定义为一组命令，并且每一个命令都会被一个叫做历史管理器的东西记录下来，便于随时将操作进行回退。在图中，蓝颜色的箭头表示的是命令的走向，紫颜色表示的是记录命令，红颜色是显示数据的走向。

目前我的程序还不具备undo和redo的功能，但实际上我在程序中已经实现了。但是和界面结合的时候我没有把它添上，因为这部分程序写得有点乱。之前对于如何实现程序的核心部分，我考虑了很长时间，但如何与界面结合，我考虑的不多。另外一个原因是我没有找到一个得心应手的界面包，我尝试了很多的界面方案，几乎每一种界面都有自己的一套编程风格。由于历史记录是比较容易出问题的部分，尤其是容易内存泄露，我因此暂时没有把它包含进来。

当初要实现undo和redo的时候我想到要用命令的方式，每个命令都有个逆命令，操作的时候记录每条命令，需要回退的时候再调用相应的逆命令。但是很多操作，比如说求平均，是没有逆命令的。把求平均之前的情况都记录下来，显然也是个比较笨的办法。后来我想到把操作分层，因为不管一个图形操作的过程有多么复杂，归根结底都是要改变数据，改变数据的方式无非就是添加、删除和改动这几种，所以我只要记录这些简单的操作，就可以应对复杂的图形操作了。实际上，在我的程序中定义的简单操作有几十种，并不只是添加、删除和修改这几种。

图3

什么是历史管理器呢，实际上是一个队列和栈的结构，命令被压入一个叫undo的队列头部，如果超过了队列的长度，则从队列的尾部直接抛弃。如果用户想要回退一步操作，就直接弹出在队列头部的一个命令进行回退，同时把这个命令翻译成逆命令放到redo中去。这个redo是一个栈的结构，如果要重做这步操作就弹出redo栈，执行，然后把命令翻译成逆命令再次放到undo队列中。

如何防止内存泄露，我的设计是这样的：把所有在堆中的数据的指针进行统一管理，这个结构我叫做data pool，实际上是个动态数组。任何其它的操作只能够引用这些数据，引用是通过数组的下标，而不是指针。释放指针由这个data pool统一进行。有两种方式，一种是直接释放，另一种是当需要记录删除操作的时候，把这个指针交给历史管理器，然后当历史管理器也不需要这个指针的时候，再释放掉它的空间。这样就可以防止指针已经丢失但空间仍没有释放的情况，因为任何时候被分配的空间都至少在data pool中保留了一个指向它的指针。然后通过data pool释放这个指针，就可以释放掉这个空间。

细分算法是多边形建模工具的关键。商业的多边形建模工具都具备很好的交互性，用户在模型细分的情况下进行编辑仍然可以立刻得到效果，这就要求细分算法的速度比较快。从理论上讲，细分算法由增加细节和求取平均两步来完成。但是在实际的操作中，严格按照这两步来操作并不明智，因为这样会增加遍历整个数据的次数。因为你可能需要分别遍历所有的点，边和面的数据。在我的程序中，我想办法只遍历一次所有的面，在遍历过程中计算好所有的数据。另外一点就是要尽量减少重复计算，比如：现在要遍历所有的面，对于每个面，都将它的邻接边一分为二，这样对于两个面的公共边，有可能出现重复计算的情况。我曾经看到上的专家建议用哈希表来避免重复，但我认为这个方法也不太好。在我的数据结构中，每一个图形元素都有一个细分编号。每一次细分开始的时候，程序都生成一个新的细分的编号，遍历的过程中，不断地比较这个编号和图形元素拥有的编号是否一致，如果不一致则认为是第一次运算进行处理，然后将这个图形元素的编号更新成新生成的细分编号。另外，很多时候使用者习惯先进行细分，然后再调整控制点来改变造型。这就需要增加交互性。我采用的方法就是局部的细分算法。当使用者选定一些控制点准备操作的时候，我的程序要先判断在当前的细分层次下的操作范围并且缓存，然后当操作发生的时候，只对缓存的面进行更新。

4 结束语

最初我把我编这个程序的想法告诉别人时，有人问我，这个程序到底有什么创新的地方，既然天下多边形建模工具已经那么多了。应该说目前还没有，但是以后会有的。现在这个程序虽然很普通，但是这是今后创新的一个平台，未来有可能在这个基础上做一些真正自己的东西。通过编这个程序我学到了不少东西，也多了不少认识。我感觉c++是一个陷阱，确切地说指针是陷阱，用的时候觉得很方便，肆无忌惮，但是当程序大到一定程度，就会突然发现它已经是千疮百孔了，处处都有可能造成泄露。但是一个图形的程序又怎能不用指针呢。我也想过把它都换成smart pointer，但是不知道效率上会打多大的折扣。

5 操作方法简介

下面介绍一下这个建模程序Pillow的基本操作方法。模型做的比较粗糙，上面这幅作品是完成之后经3D Max简单渲染的效果：

Pillow是一个模仿silo的程序，因而在操作方法上与其高度一致。silo把建模的操作合理分配到左右手，我觉得能很好地提高工作的效率。简单的来说是这样的：

alt健加鼠标左键拖动用来旋转视角

alt键加鼠标中建拖动用来平移视角

alt键加鼠标滚轮用来缩放视角

鼠标左键拖动用来单面选择

鼠标中键拖动用来双面选择

c为增加细分

v为减少细分

ctrl为沿视平面进行平移，前提是选择了物体

shift为增加选择内容

z为突出面或者边

w为移动模式

e为旋转模式

r为缩放模式

1-7为切换不同的视角

delete为移除点或边，其中点只能是有两个邻接边的点，这个操作目前有bug。

所有的操作都集中在菜单里面，而编辑窗口有几个我用OpenGL做的工具栏，这里面都是最常用的一些操作。把界面设计成这样是因为我曾经用过的一个silo的界面，记得当时我在cgfinal发过。silo可以自定义部分界面以及快捷键，但是我这个还不行。左侧的按钮选择编辑物体的编辑层次。右面的是选择窗口的层次。上面一条是文件操作，建立新物体和编辑新物体，还有截图快捷键和帮助。下面是选择显示的形式和选择照相机的形式。

建模的过程：

我做模型的时候比较喜欢box modelling的方式，总是从一个盒子的形状开始，这样比较容易从大局上把握形状，但是也容易让人忽视掉细节。我做模型的时候比较喜欢用参考图。关于 参考图，我的经验是从电影电视剧或者mv中去找，因为这样比较容易找到不同角度的参考，而如果直接去找照片的话，正面照好找，侧面照就比较少了。有了参考 图之后，要对正面和侧面的图进行一定的缩放和旋转，使得它们的比例一致。在这个过程中我比较喜欢用photoshop的标尺，在photoshop中让两 个参考图的下巴和头顶处于水平，鼻尖和眼睛的高度一样，还有嘴角和耳根也要一样。我的这个侧面参考图不完整，所以我用鼠标补了一些脑袋。对齐之后剪裁成两个高度一致的图。

然后开始建模。首先就是要在Pillow中指定参考图(option->set viewport image)，silo中可以直接用鼠标来调节参考图位置，但是我这个还不行，需要手动输入位置。然后新建一个box(create-> cube)。然后对这个方盒子分别在前视图和侧视图中进行调节，使得在前视图近似为头的一半大小，在侧视图中刚好覆盖头部。调整好之后在透视图中删除中间 的面，也就是说我们要镜像复制一个当前的模型，因为脸是对称的。点击菜单上的（create->mirror instance）复制出镜像，对称平面为默认。

然后按图进行切割，这个切割线分别对应了头的眼睛位置和耳朵的位置。目前Pillow只支持在一个边的中间进行切割，其实核心的程序允许在任意位置切割，但 是和界面整合的时候我偷了点懒。然后将显示模式切换到线框模式，分别在前视图和侧视图中调节点的位置，使得这个造型和参考图近似。

可以随时对模型细分进行观察，目前Pillow在编辑模型的时候还不能实时地更新法线，主要是我还没有想好有什么快的局部更新法线的算法。所以如果想观察光照效果需要从 菜单执行更新法线的命令（modify->update normal）。然后新增加一条竖线，这条线要对应人的瞳孔和嘴角。

然后要不断的调节点的位置，使得模型接近参考图。现在继续切割出两条线，一条是在额头，另一条在嘴的位置。同样要在各个视图中调节位置。让线条过渡自然一点。

然后横向切割出鼻子，并且调节。随时可以细分进行观察。在调节好点的位置之后要切割出眼睛和嘴的大致形状。

然后在视图中调节，同时增加眼睛的细节。继续增加细节和调节点。调节点，可以用线框模式来显示，这样比较便于观察。

仍然是增加细节和调节点的工作。继续增加细节，但是这个时候要清楚线条的走向。建模有个原则--线条要符合肌肉的走向，就是图中我用红线画出来的线条。眼睛和嘴的线条要形成一个圈。

在增加线条的同时要不断切割出新的边，但是同时还要删除旧的边。因为我们是盒子建模，一开始的边都是横平竖直的，这个会对我们的最终模型产生一定影响。所谓盒子建模不容易把握细节，很大程度上就是这个原因。其实我觉得懂得如何删要比懂得如何添要重要的多。

如果你最后的成品依然有很多横平竖直的线条，那一定是很失败的作品。继续添加鼻翼附近的线条，这样也是为了增加嘴部的细节。

当嘴的细节到达一定的程度就可以进一步刻画了。要做出黑人厚嘴唇的效果。在眼睛的位置切割出更多的边。

在鼻子上切割更多的边，这个是为了增加细节好开出鼻孔。现在可以依据参考图开出鼻孔了。首先切割出一个矩形的区域。

在这个区域上使用突出(modify->extrude)几次，做出洞来，然后要调节点。时不时细分一下来观看效果。继续增加鼻子的细节，一方面要做出鼻翼凸起的效果，另一方面是修改三角面，尽量把三角面改成四边形。

继续制作鼻翼。现在增加眼睛周围的圈数，增加细节准备做眼睛。

不断调整眼睛周围点的位置，然后选中眼睛上的面删除。删除之后就形成了眼眶。

如果把握不好眼睛的造型，可以生成一个球体作为眼球，放在眼睛的后面作为依据。细致刻画眼睑的效果。

选中眼睛镂空的一圈边，然后将视角转动到头的里侧，按住z键，拖拽出眼睛没入脑袋的部分。继续调节点的位置，让模型有厚度，不是像面具一样只是一个面片。

这是目前侧视图的效果。将嘴上的一组面删除，将嘴裂开，同时增加更多的边，做出嘴唇鼓起的效果。

要在侧视图中进行调节，细分观察效果。做出镜像的效果观察。

调节脸型鼻子和嘴上的点。和做眼睛类似，选择嘴镂空的一圈边之后将视图转动到脑袋里侧，按住z键突出处一些面。

然后调节这些面。现在要做出下巴骨，不知道应该怎么说。让这个地方的线条更加明显，这个线条要成直角。

如图红色的地方，让点往里缩，这样可以显现出下巴骨的线条。然后要制作脖子了，选择脖子位置的面删除。然后再脖子镂空的地方，选择一圈边进行突出。

突出以后在前侧视图调节点的位置，使得它们契合参考图。不要忘了在透视图中进行调节。注意途中红线的位置，这个地方要做出一个凸起。

如图增加细节，做出凸起的效果。调节，细分。

换个角度。复制出镜像来观察。

下面做耳朵，在侧视图中删除耳朵位置上的面。在侧视图中调整出一个耳朵的轮廓。选择一个边突出一小部分，然后以这个突出的部分为基础按照图中的顺序继续突出记下，形成一个耳朵的轮廓。

还要到头视图里面调整这个轮廓的位置。然后细分进行观察。

这个地方我做的比较糙。实际上应该做出耳朵里面的褶皱，但是我偷懒了。我这里简单的把耳朵的轮廓进行了延展，然后焊接，也就是把上面的框框给封起来了。不要忘了调整耳根后面的点，这个地方的点要往里收缩。

这个时候要把脑袋后面一些刚才忽略的细节给补上。基本就算完成了，然后细分一下，使一个重新定义控制点（subdivision->redefine control mesh），把模型定格在细分的状态，如图：

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