基于3D MAX技术的烟草生长过程动画设计探究

摘要：为了快速、形象、逼真地模拟植物的生长过程，从动画真实感以及植物模型构建思想出发，提出基于3D MAX技术的烟草生长过程的动画设计方法。在现有植物生长模型研究基础上，探讨NURBS建模、贴图、动画制作等实现烟草生长过程动画的关键技术，以此为基础分别制作种子萌芽的动画、烟草生长前后期的两个动画、烟草开花的动画，再通过VP视窗融合四个单一动画，实现形象、逼真的烟草生产过程的完整3D动画。

关键词：3D MAX；植物模型；动画设计；烟草

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2012)29-7101-04

植物生长过程包括种子的发芽、植物的生长发育和植物的开花结果及其对环境的反应的整个过程。快速、形象和逼真地模拟出植物的生长过程，能够促进植物的健康生长和发育，从而提高植物生产和粮食生产，对自然环境、资源和能源的长远发展有着重要的意义。

随着三维技术的飞速发展，3D模型在农业领域的应用越来越广泛。选用系统3D仿真平台以及建立合理的3D模型能够为植物的生长过程的展示和评价提供可视化平台。Autodesk公司的3D MAX具有良好的扩展性、流畅的实时反馈性、灵活的操作性和动画记录的广泛性等几大特点，被业界人士称之为三维动画创作的顶级软件。其功能相当强大，集成了建模、材质、灯光、摄像透视、渲染以及动画等几大功能，成为诸多三维设计师首选的软件。而且，3D MAX的动画功能集成了非凡的粒子动画、对象动画和视频合成工具，使模型的效果更加的逼真，为动画制作提供了广阔的天空，深受国内外众多设计师的青睐。

为了实现植物生长数字化表达以及深入认识植物的生长规律，近年来，一些学者提出了不同的方法，但所构建的模型在一定程度上都难以真实反映植物生长机理和规律，如L系统及其扩展理论、参考轴技术、双尺度自动机等[1-4]。本文在深入研究植物生长的基础上，结合3D MAX强大的动画功能和逼真的效果的特点，以烟草为例，开展了基于3D MAX技术的植物生长过程的动画的设计研究，快速、形象和逼真地模拟出烟草的整个生长过程的3D动画。

2 动画设计的关键技术

2.1 NURBS建模

NURBS是Non-Uniform Rational B-Spline(非均匀有理B-样条)的缩写，其方法的主要特点在于将自由曲线和自由曲面的B样条与精确表示二次曲线与二次曲面的数学方法相互统一[5]。NURBS扩展了建模功能，同其它的实体建模方式相比，NURBS可通过在视窗中交互地调整曲面的点来达到曲面模型的构建，这样就可以更好地控制模型表面的曲线度，从而能够更加简单方便的构建复杂光滑曲面。因此，NURBS特别适用于复杂曲面模型的创建，为当下流行的“流线型”物体的制作提供了一种简单的创建方法。本文中烟草叶就是典型的“流线型”曲面。

NURBS建模提供了曲线和曲面的构建，其中曲面由曲线组成。NURBS曲线和NURBS曲面都有Point Curve和CV Curve两种创建方式。本文中烟草叶和花朵的构建都是采用NURBS曲面的CV Curve创建方式，结合不等比例放缩工具，运用自由变形和基于参数曲线构建曲面的构建技巧，使几何形状转变成烟草叶、花朵的形状。此建模方法灵活快速，但是须依靠丰富的经验和熟练的技巧才能精确控制。

2.3 动画制作的三大关键技术

为模型中的各个对象添加动画，是动画设计工作中最重要、最困难的一步。在3D MAX中，参数和修改都可以设置为动画，如尺寸、位置、贴图、灯光以及色彩。动画的制作是整个动画的灵魂，决定了动画的质量、逼真度。植物生长过程的动画制作主要是要实现关键帧的制作、运动的同步性和平行性、生长时间的连续性。

2.3.1 关键帧动画制作

关键帧的制作是以建立的三维模型为初始关键帧，在此基础上再建立其他的关键帧。植物生长过程中的一系列变换（如尺寸、形状、颜色等属性）可能都处在动态的变换中，设计者只需抓住关键点，修改一个阶段内关键帧的运动状态，中间帧的过渡状态则由软件三维形体插值完成。然后通过轨迹检阅器(Track View)、运动面板(Motion Panel)和关键帧行设置关键帧的属性、状态、时间位置等。对三维场景中的各元素所进行的变换可以通过Track Info和Key Info来实现跟踪和修改[7]。

2.3.2 同步性和平行性问题

实现同步性和平行性的运动是动画制作中最困难的问题之一。植物生长过程中有多种不同类型的动画运动，如植物的形状、尺寸、色彩等变化，应得以同步和平行控制。利用光照模型的计算，通过指定物体颜色、材质可以实现色彩的控制；通过相应的物理变换或物理规则。通过物理变换或物理规则来实现尺寸和形状的控制。

2.3.3 时间的连续性的问题

每个动画作品是以单一片断的形式分别独立存在的，各个片段必须通过剪接、特效处理等后制后，才能呈现出一部完整的植物生长过程的动画。能够完成动画后制的软件数以百计，同样，强大的3D MAX也提供了后制的功能，主要是在Video Post（VP）视窗中完成。VP的功能非常强大，VP的对话框可以对各个不同的场景、动画，摄像机之间的过渡与衔接进行处理，从而制作出满足需要的产品。在本文中就是利用VP将种子发芽、植物生长、植物开花这三个单一动画编辑处理成一个完整的植物生长过程的动画。

3 动画的实现

3.1 种子萌芽的动画设计

在种子的萌发期，种子的右上方慢慢萌发出乳白色的新芽，随着萌芽时间的推移，新芽变长变大，破土而出，最终长成一株小小的烟草幼苗，这是种子萌芽动画设计的思路。种子模型的创建可以通过Select and Non-uniform scale功能，将Sphere转换为如种子形状的椭圆，颜色设置为深褐色；选择Chamfer Cylinder命令可以建立新芽的模型，再根据种子的大小分别在各个视图中调节其尺寸、形状和位置，使其与椭圆融合在一起，如种子萌芽了一样；动画制作由动画控制区来完成。

新芽的生长过程以及生长过程中新芽由白变绿的颜色变化是种子萌芽动画制作的难点。应用缩放命令单独作用于新芽可以形象的描述新芽的生长过程，新芽的颜色变化可以在动画控制区的轨迹栏设置一个关键点来实现颜色的转化。

为了达到逼真的效果，种子（椭圆）的尺寸要设置为恰当的值,既要使观察者能清晰地观赏到种子及其萌芽初期的发芽，又要在萌发后期通过新芽较大的尺寸弱化相对较小的种子，使椭圆作为新芽的一个部分。合理的时间分配和恰当的关键点设置是这一动画的制作关键点，要适当缩短种子萌芽初期的时间，而种子萌发后期有颜色的变换，分配给它的时间要相对的延长。

3.2 烟草生长发育动画的实现

烟草叶片不能由平面简单创建，需要在Sphere创建基础上，通过NURBS将球体转换为NURBS物体，选择Select and Non-uniform scale等工具在各个视图中调节其长宽高和弯曲度等参数，将其具备烟草叶的各种形状，再使用Attach命令将NURBS状的叶柄融合于一体，对造型进行进一步修改完善，这样才能制作出各式各样的烟草叶片。为了使烟草叶片更具有真实感，需要进行材质编辑和添加叶片纹理，纹理的添加可以通过纹理贴图来完成，通过Material Editor把制作好的漫反射贴图和凹凸贴图赋予烟草叶片，施加一个UVW Map修改器调节贴图位置，使叶片材质显示正确。

此动画制作需要解决两个问题：其一，随着烟草的生长，烟草叶越长越多；其二，老叶生长的同时，植株有新叶长出。为了有效地解决这两个问题，增加动画的层次感，综合考虑形象度、制作难度等各方面因素，最后决定把烟草生长发育动画的实现分为两个动画来完成。一个动画实现烟草生长前期，此动画的模型中烟草叶较少较小；另一个动画实现烟草生长的后期，这个动画中的烟草叶相对要较多也较大。

3.3 烟草开花的动画设计

烟草开花的动画是建立在烟草生长发育动画的基础上实现烟草花的生长开放，因此，烟草开花的模型是在烟草生长后期模型上添加花开的模型，如图5所示。花朵的创作也是通过NURBS建模调节加以实现，并把制作好的色彩贴图加在花朵上。形象的花朵模型，主要取决于花朵的材质和色彩贴图，设计者需要细心的采集有代表的花朵图像和精湛的图像编辑处理技术才能实现。同时，考虑到烟草在开花结果期烟草叶的颜色会由绿色变成黄色，动画制作过程中要有颜色的变化，这点可以添加关键点的设置来实现。

3.4 渲染动画

渲染就是依据所指定的材质，所使用的灯光，以及诸如背景与大气等环境的设置，将在场景中创建的几何体实体化显示出来[8]。渲染是一个动画作品的总结性完结点，渲染器的选择与调试决定了最终视觉效果的等级。在烟草生长动画中，建立了植株、太阳、水滴诸多模型，设置了复杂的材质和灯光，在综合分析了渲染时间、渲染效果和硬件资源等因素下，烟草动画选用R-Ray渲染器在Animation render模式下进行动画的渲染。

3.5 烟草生长过程动画的实现

通过VP视窗，把以上四个单一的动画作品融合成一个完整的作品，才能实现完整的烟草生长过程动画设计。动画作品的融合衔接，对整个动画的自然、协调至关重要。在这一过程中，要注意后一个动画的关键点设置时，它的初始关键点就是前一个动画的结束关键点。

考虑到现实中幼苗生长比较缓慢，从幼苗发育到小植株需要较长的时间，因此在种子萌芽动画与烟草生长动画之间的衔接处，时间应处理得缓和些，使其遵循现实生活中烟草的生长规律。而烟草生长前期烟草叶的尺寸、数量与烟草生长后期的烟草叶之间有一定的落差，为使整个动画更具美感和协调性，在衔接处的时间要处理的快速些才能达到预期的效果。

5 结束语

随着数字农业和虚拟植物的快速发展，一般的平台和插件制作的动画再也无法满足植物生长仿真模拟的需要，植物生长动画对动画的质量和真实感提出了新的要求，在此同时，也要求提高动画制作的速度。但由于植物叶片创建的复杂性以及生长动画难以真实实现等各方面的影响，给植物生长动画的制作带来了比较大的困难。在动画设计开展过程中，研究了植物不同时间段和生长期的生长规律，分析了各类3D软件和植物生长插件的特点。为此，本文以烟草为例，设计制作了基于3D MAX技术的完整的烟草生长过程的3D动画。

然而，植物的建模和渲染中没有考虑叶片边缘、植株根系、枝节以及阴影。另外，由于现实自然界中烟草的生长过程难以描述以及动画融合间存在一定误差。所以，本文实现的3D生长动画跟自然界中烟草生长过程有一定的差别。

参考文献：

[1] 唐卫东,刘昌鑫,李萍萍,等.基于Open-L系统及递归表示的虚拟植物模型[J].农业机械学报,2009,40(1):167-170.

[2] Fourcaud T,Blaise F,Lac Petal.Numerical modeling of shape regulation and growth stresses in trees PART II: implementation in the AMAPpara software and simulation of tree growth[J].Trees Structure and Function,2003,17(1):31-39.

[3] Allen M,Prusinkiewicz P,DeJong T.Using L-systems for modeling source-sink interactions, architecture and physiology of growing trees:the L-PEACH model[J].New Physiologist, 2005,166:869-880.

[4] 施干卫,范菁,董天阳.基于环境敏感的植物动态生长模型研究[J].计算机应用研究,2007,24(3):223-225.

[5] 蒋维刚.3D MAX＆NURBS曲面建模实战教程[M].北京:科学出版社,2004.

[6] ghd_214的空间.基于3ds max的三维物体纹理贴图研究[EB/OL].(2012-01-01). .

[7] 黄少剐.3ds max动画制作高级教程[M]. 北京:清华大学出版社,2004.

[8] 王琦电脑动画工作室.3ds max白金手册:下[M]. 北京:北京科海电子出版社,2003.