关于三维仿真材质的研究与探讨

摘要：该文着重探讨并提出了一种综合改进三维仿真材质的全新方案，这套方案可以应用在多种三维制作软件上，并且可以很好的解决当前三维特效动画所面临的三维制作的影像与实际物体真实性存在较大差距的问题。

关键词：仿真材质；三维；影视特效

中图分类号：TP37 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)07-1632-03

About Three-dimensional Simulation of Materials Research and Discussion

CHEN Hong-hong1, GU Hong-fei2

(1.School of Mathematics and Computer, Xihua University, Chengdu 610039, China; 2.School of Architecture and Civil Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

Abstract: This article focuses on and presents a synthesizing improvement of three dimensional simulation of new materials, this set of plans can be used in a variety of three-dimension on fabrication software, and can be a good solution to the current three dimensional special effects of animation, which faces of authenticity there is a large gap issues with images and the actual objects.

Key words: simulation of materials; three dimensional; specially good effect of video

1 概述

三维仿真材质真是一种专门用来模拟真实物体表面纹理的一种高级材质，它对影视特效的影响和作用非常重要。电影特效已从过去单一简单的编辑合成，转变为以写实仿真风格为主的综合性多媒体运用。相对于二维合成，三维特效有一个很致命的弱点, 就是三维模型的真实性始终与真实拍摄的素材有差距，这严重影响了影视作品的效果。出现这种情况的原因很多,它包括光线,材质,模型的细节等。完全的视觉真实感已成为特效制作的主流,但现在的三维作品或多或少的存在真实感不强的缺陷，为此，许多研究者都纷纷提出了一些不同解决方法，但效果都不太理想。

传统意义上给模型赋予材质的方法，多数是为建筑装饰效果图而设计，并没有抓住物体真实性的实质，从而使得这些材质并不能达到电影级的标准。为此，我们提出这个新的材质解决方案，可以很好的解决三维模型真实性的问题。

2 新方案设计

材质的编辑是很复杂的，而调节好一个成功的三维仿真材质，就更需要大量时间和精力。我们根据仿真材质的一些特点，设计出新方案，主要分为四步：

2.1 颜色贴图的运用

把制作好的材质赋给建模数据的过程你为贴图（MAPPING）。颜色贴图就是对象建模之后在对象的表面覆盖颜色或者是图片的过程。

不论Blinn还是Phone，他们都具备一个基本颜色属性（color maps），它是材质编辑中一个重要并且使用频率最高的一种贴图类型。颜色贴图是物体在光线漫反射的作用下所呈现出来的表面色彩。一般颜色贴图并不过多的使用单一的颜色调色板，它只是作为一般制作过程的一种中间过程的临时材质，这样可以快速的进行制作。一般颜色贴图都会赋予它不同的纹理效果，通常在不同的三维软件中纹理的种类也不会差别太大，比如cloud、noise、file、ramp、brick、checker、marble、smoke、wood等等，他们都可以作为颜色贴图的纹理特征，值得注意的一点是，除文件调用纹理外，其他纹理都属于程序纹理。程序纹理比一般的文件调用纹理的速度要快一些，并且它的贴图也比文件调用纹理的贴图坐标要容易一些。但对于制作仿真材质来说，调用位图文件作为颜色贴图要比其他人造纹理真实的多。

所谓文件调用纹理，就是用事先准备好的图像文件作为纹理贴图。其实在大多数三维软件中，它不仅支持众多图像文件格式，还支持用各种动态动画作为纹理。人为的手画纹理既费时又没有真实事物表面的多样化，实践表明，更多的依赖数码设备进行现实采样，从真实的物体上取材的纹理真实度会在三维材质尤其明显，例如在“兵临城下”中，多处运用了三维建造的二战时期的飞机，它的材质就主要取材于博物馆的实物飞机各种纹理照片。

颜色贴图要多控制色彩的校正，在不同的软件中有不同的色彩调节方式，对颜色贴图进行调色是必要的，图片多数的色彩会有所改变就需要我们进行校正。

在颜色贴图中还有一个重要的原则，那就是在Diffuse的参数中，不要把Mount设置为1，因为任何生活中的物体都会有一定的光线损失，它又叫做不完全反射，这是一种能量的损失，是自然的想象。而Diffuse的值不为1的目的正是为了实现这种现象。

2.2 使用位移贴图

任何物体的表面都不会是绝对光滑的，他们或多或少的都有凹凸不平的表层，而三维物体本身是绝对光滑的，这是由软件本身程序决定的，所以说三维物体仿真性的关键之一就是如何解决好物体的凹凸问题。通常的凹凸方案是运用材质编辑器中的Bump maps，它是利用图案的明暗强度来影响表面材质，主要是影响表面的光滑度，白色的部分会凸起，黑色的部分会凹下，从而产生一种浮雕效果。这种效果可以大致模拟物体的凹凸，但对于物体的特写，或者要求仿真性较高的场合，这种方法显然就有点力不从心了。产生这样的原因有两方面：一是Bump maps并没有让物体真正产生凹凸，他只是一种浮雕效果而已；二是Bump maps的凹凸深度受到很大限制，不能设置过高的深度。所以要真正意义上使材质仿真性上一个台阶，就需要使用Displacement（位移贴图）。

位移贴图的效果和移位修改的效果基本相同，贴图的黑色区域产生凹下的效果，白色的地方产生突出的效果。位移贴图和移位修改的区别在于，移位修改实际改变了物体的形状，因而会增加系统的计算负担，降低计算速度，而移位贴图只在渲染时才改变物体的形状，因而不会增加系统的负担，计算速度也相差无几。

位移贴图使用简单，只需要在材质“Maps”中，赋予一个贴图给Displacement即可。位移贴图的强度参数可以从-999~999，参数越大，凹下或者突出的距离越远，因为位移贴图的效果很明显，因此大部分情况下，数量参数的取值在30以下。

当然，位移贴图也有其不足，主要是他所耗费的时间要比bumps maps要多一些，但效果却很好。

2.3 高光的把握

在现实生活中，基本上所有的物体在灯光的照射下都会产生高光，没有高光的物体是不自然的。从物理上讲，高光反映了物体表面的粗糙程度和紧密程度。表面越光滑、结构越紧密的物体，其高光的强度越高，表面越粗糙、结构越松散的物体，其高光的强度就越低。例如，人额头和鼻子处的皮肤，其高光强度就比脸部的高光强度高。

对于复杂的物体，需要使用反光度贴图和光泽度贴图来调整高光的范围和强度。另外还需要注意，高光的分布与物体表面的起伏、灯光的设置很有关系。通常，圆角的部位容易产生高光，而平坦的部位不容易产生高光。因此构件模型时，应该有意识的在物体的边缘增加倒角，以利于产生高光。

有一点需要注意，如果物体表面有凹凸的贴图，那样在凹凸表面形成的高光区，会因为凹凸而产生一定的漫反射，从而更加真实。

物体除了反射，有些物体还存在折射，这主要针对玻璃、水、液体等，这些物体因该在材质中假如光线跟踪，特别是对不同物质折射率的把握，一定要根据详细的数据来进行设置。

2.4 新的老化方法

三维动画的材质基本上可以分成两类，一类人造材质，用于模拟塑料、衣物、玻璃、金属制品等人造制作的物体，另一类是自然材质，用于模拟树木，泥土，水等自然界存在的东西。由于结构、产生过程及特性等的不同，这两类的处理过程也很不一样。

三维制作的模型与真实物体之间，有一个关键因素影响两者的差别。这就是三维的动画场景中，物体常常显得十分的干净、完美和鲜艳，然而实际生活中很少有这样的物体。除了少数场合中的物体除外，生活中的大部分物体多会有灰尘、斑点、腐蚀、裂缝等各种的缺陷。这些缺陷一般都是由于物体经历了一段时间的使用造成的。因此，称他们为“老化”（Aging）。材质的老化是模拟仿真的最重要的一步。

不同的材质，其老化程度也不一样，这要根据物体所处的环境，气候，时间等一些因素来决定。主要包括以下几个方面：风化、灰尘、划痕和碎片、烧迹和锈迹。这些是一些老化的典型效果，通常的做法一般来说是在平图形软件上作好材质，在放到三维软件中来，但这样的效果并不好。

我们是用一种“Ramp”的方法可以很好的解决上述的问题。Ramp是一种蒙板（mask），它是一种带有渐变过程的蒙板，这种渐变蒙板可以变化为多种形状比如说：线形渐变，放射渐变，锥型渐变等等。

方案总体思路是：用一种层材质来建立一个复合材质，通过蒙板来融合老化材质与原物体材质。具体来讲，通过颜色贴图对物体赋予本身的主材质，然后用一种你认为合适的老化材质赋予层材质，在混合（bend）的通道中，给他一个ramp（mask）。这样做的主要目的是，通过蒙板来帮助老化材质自然的附着在原材质表面上。如图1所示。

图1 Ramp的方法

这种方法的优点在于，它不同于以前总是在平面软件中先作好材质的过程，它可以很自然的让老化材质通过mask。这种mask可以确定你想要给予老化的具体方位，同时还可以再给予mask一个noise，这样就可以把三维物体提升到一个更真实的层次上。

这种方法可以灵活的处理大多数风化过程，并且这种方法还可以在材质中方便的在嵌套另一些材质，这样就可以进一步完善作品。

以上的四个步骤组成了一套完整并且行之有效解决三维仿真材质的方案，相对于过去的材质方案，更方便，效果也更好。

3 新方案应用

下面用新方案来制作一个手机，主要步骤如下：

1）首先用两张真实手机的照片作为建模前的参考，如图2所示。

2）在场景中建一个多边形cube，将其长宽高调整得与图片相适应。删除四个面，将剩下的两个面分离，分别贴上手机的顶视图和前视图，材质最好使用Lambert。

3）勾画手机顶面上曲面折叠处的两条结构线。先画一条，然后实例复制另外一条,并显示出其EditPoint。

4）Loft出曲面。

5）隐藏曲面，画出手机的侧面轮廓线。

6）上一步骤中，使用复制和调整CV点。 复制顶面曲线，调整其CV，继续复制，调整，Loft ，复制手机侧边曲线，调整。

7）group 镜象复制，Loft，绘制出这一排曲线。

8）Loft出曲面，选择两个曲面执行CircularFillet，在channelBox中调整其参数，把剩下的两个曲面也剪掉，把另一头的曲面也Loft出来。

9）将刚才生成的盖面分别与三个外壳曲面创建交接线，全部Trim掉，选择TrimEdge，复制曲线。

10）缩小一点，调整一下CV ，Loft形成曲面，Freeform Fillet 形成曲面，其他的曲面也作类似处理，画这个椭圆，将曲线沿顶视图投影到曲面上。

11）剪个洞，将TrimEdge复制成曲线，选择曲线上的两个CurvePoint，Edit Curves->Detach Curves将其分成两根曲线，用同样的方法形成次曲面。

12）将手机的个部分进行材质分组，对于机身，我们采用照片上的原金属材质，特别要对高光部分着重进行调节，对于按件，我们采用位移贴图，由于这是一个新手机，所以没有对它进行老化处理。

渲染后效果如下所示，其中，图2为真实手机的照片，图3为采用新方案制作的手机图片。

4 结论

新的材质解决方案，可以很好的解决三维模型真实性的问题。这套方案相对于以前的材质制作有很多优点，它可以快捷并且高质量的制作出真实度很高的特效模型，让三维物体具有相当写实的视觉体验，为影视制作提供有力的技术保障，可以适用于多数主流三维制作软件。

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