例谈Rhino与3DsMax在建模方式上的区别

2020-09-14 12:23:19 中学理科园地 2020年4期

林琼昭

摘   要:现如今,“3D建模”技术的应用已经十分广泛,而Rhino和3Ds Max则是3D建模领域最常见的两款软件。这两款软件有着共通性,也有各自的特殊性。而其中最重要的特殊性便是Polygons建模和NURBS建模的本质区别。通过软件分析实例操作演示可以看出,虽然两种软件都可以达到相似的建模效果,但建模过程有着各自的特点与区别。讀者应根据自己的学习及工作需要选择合适的软件,更好地提升工作效率和竞争力。

关键词:3D建模;Polygons建模;NURBS建模;实例解析

引言

“3D建模”技术是当今发展迅速、应用广泛的一门技术。“3D建模”顾名思义,就是通过三维制作软件通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型[ 1 ]。如今,3D技术的应用已经在生活中随处可见。电影中那些现实中不存在的特效场面,游戏中逼真的虚拟人物和虚拟场景,建筑设计中常见的效果图,工业设计中的各类零部件图纸,地理信息系统中的三维地形图,这些都要通过3D建模技术来实现。3D建模技术已经被广泛运用于影视、游戏、建筑、工业、军事、地理和医学等各行各业中。

随着3D建模技术的发展,相关的软件也日渐丰富。现如今流行的3D软件包括3Ds Max、Maya、C4D、ZBrush、Rhino等等。它们建模的方式不同,操作特点不同,适用的范围也不同。本文着重选取了两款典型的三维软件:3Ds Max和Rhino,比较它们各自的特点和应用的领域,并通过实际案例的操作来呈现它们的不同之处。

1  软件介绍

1.1  3Ds Max

3Ds Max是美国Autodesk公司旗下的一款知名的三维建模、渲染和动画制作软件。它的历史十分久远,可以追溯到1990年在DOS系统上推出的3D Studio软件,至今已经历了近30年的发展,可以称得上是最老牌的三维软件[ 2 ]。3Ds Max最大的特点是它的功能极其丰富,包含了数十种甚至上百种的建模、渲染和动画命令,加上诸多为其量身打造的第三方插件,使得3Ds Max的应用范围覆盖了广告、影视、游戏、三维动画、工业设计和建筑设计等领域。

在建模方面,3Ds Max分为基础建模和高级建模两类。除了各种基本几何体和图形的建模之外,高级建模也分为3种:网格多边形(Polygons)建模,面片建模和NURBS建模。其中Polygons建模是3Ds Max中最传统,最经典,也是最常用的建模方式。Polygons建模简单来说,就是将一个对象转化为可编辑的多边形对象,多边形对象只保留基本的点线面几何关系,通过各种命令调整点线面关系来实现对物体的编辑。从理论上来说,只要是有一定体积的物体,无论其形态多自由、多复杂,都可以转化为近似的多边形对象,只是随着物体自身的复杂程度和对物体的拟合程度增加,多变形的对象的面数也会相应地增加。

Polygons建模方式,可以说类似现实中的“捏泥塑”。通过鼠标、键盘的操作不断调整多边形对象的点、线、面关系,使其越来越接近我们想要的造型,这与雕塑家用手和工具把模坯塑造成最后想要的样子,本质上是相同的。只不过,软件将一些“雕塑家”们常用的手法编成了各种命令来简化建模的过程。Polygons建模中常见的切分(Chamsfer),倒角(Extrude Edges),车削(Turning),挤压(Squeenze),放样(Soft)等命令,同样来自现实中手工加工或机械加工的术语[ 3 ]。正因Polygons建模这种非常表观的操作方式,它具有易理解、易上手、易掌握、适合初学者的特点。同样的,Polygons建模的适用性也更强,因为现实中的任何物体,都能用多边形的方式近似模拟出来,只是建模的难易度和效率有所区别。

然而,Polygons建模也有很大的局限性。首先,Polygons建模无法做出真正的曲线效果。甚至做出一个真正的“球体”都是不可能的,因为Polygons建模中没有“曲线”和“曲面”的概念,任何的线都是直线和线段,任何的面都是平面,而曲线和曲面,只能通过一定数量的线段和面片近似地表现。而今天随着模型的精度要求越来越高,模型的线段数和面数也在成指数级地增长,一个成品模型可能包含数十万、甚至数百万的面,这导致Polygons建模变得越来越占用电脑内存资源。而想要对面数如此之多的模型进行编辑也变得非常困难。Polygons建模的另一个局限性在于,随着工业技术的迅速发展,具有流畅曲线和几何美感的工业产品造型逐渐占据了主流,而这样的造型用Polygons建模难以做到的。前面也说过,Polygons建模的操作方式类似于“做手工”,想用它建出优美的曲面,就像用手捏出流线型跑车一样困难。即使最后做出了近似的曲面效果,也会充满手工的粗糙感。因此,为了满足工业产品的设计需求,人们开始寻找更好的建模技术替代Polygons建模。

1.2  Rhino

Rhino是美国Robert McNeel & Assoc公司开发的专业3D造型软件。相比于3Ds Max这样的老牌软件,Rhino的历史要短的多,体量也比占用几个GB的3Ds Max小得多,只有几十MB。较小的体量决定了Rhino的功能要少于前者。Rhino的功能以建模为主,同时也有简单的动画功能,不具备渲染功能。但是Rhino的建模功能却是非常强大,且有着鲜明的特点。与3Ds Max不同的是,Rhino使用NURBS建模技术。NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines(非均匀有理B样条曲线)的缩写[ 4 ]。NURBS建模技术是近年来兴起的一种三维建模技术,与Polygons建模不同,NURBS建模是通过曲线、曲面来定义和编辑对象的。正因如此,NURBS特别适合用于创建光滑且复杂的形体,尤其是具有强烈几何感的拓扑结构,比如珠宝、跑车和工业零件等等。Rhino的NURBS建模功能十分全面,且操作简单便捷。虽然3Ds Max也包含了NURBS建模,但因为其功能单一,操作不便,远不如它的Polygons建模那般强大,因此早已被Rhino这样的软件所取代。

Rhino自身的NURBS建模技术有着独特的优势。首先,NURBS技术允许建模者从一开始就能绘制各种形状的曲线和曲面,用户通过控制顶点、权因子或者节点的值从而严格控制曲线或曲面的形状,这表示所有的曲线和曲面都是被精确定义的,而非用多边形近似模拟的结果;其次,Rhino的NURBS建模工具十分丰富,功能强大,具有众多强有力的几何造型配套技术(如节点插入、细分、升阶等),用户只需要一些简单的操作就能完成复杂的曲线或曲面编辑工作,建模过程变得更加快捷;除此之外,NURBS建模还有一大优势,就是在机械自动化和3D打印方面应用广泛,世界领先的库卡(KUKA)机械臂,只要通过Rhino平台和相关插件就能完成产品加工的工作。这也是为什么在今天,Rhino这款软件受到了制造业的广泛青睐。

2  建模实例

这一部分将通过实例操作来直观展现3Ds  Max与Rhino在建模方式上的不同。选择建模的对象是如图所示的一个创意水壶(图1)。该水壶的形态是富有动感和曲线美的几何形。上文中说过,对于这种光滑的曲线结构,更适合用NURBS建模技术来完成,但实际上Polygons建模技术同样能做出这样的模型。

2.1  3Ds Max操作过程

(1)在前视图中创建一平面,长宽与参考图尺寸相当,并将参考图作为材质赋予该平面。

(2)在壶颈位置创建一个圆柱体,参照图片调整其直径和高度(图2)。

(3)选中圆柱体,右键选择“转换为—转换为可编辑多边形”。

(4)选中圆柱体底部的面,使用“挤出”命令挤出新的面,并用缩放工具和移动工具调整其大小和位置,使其和背景图吻合。

(5)使用相同方法不断挤出圆柱体,最终得到如图3所示的多边形。

(6)选择壶体顶部的面,使用挤出命令,并用旋转工具调整,作为壶口(图4)。

(7)选中壶嘴部分的线段,使用“连接”命令进行细分。

(8)选中右侧修改列表中的“软选择”,调整该部分的顶点,使其形成壶嘴的形状(图5)。

(9)接下来制作壶柄部分,选择图中的面,使用挤出命令,并参照背景图调整挤出后的顶点(图6)。

(10)用此方法继续挤出和调整,直到形成壶柄的大体形状(图7)。

(11)用“移除”命令删去多余线段,最后得到如图7的多边形。

(12)选中上边缘的线段,使用切角命令,切角值为15。

(13)在右側修改列表中找到“细分曲面”栏,选择“使用NURMS细分”,将下方的迭代次数改为2,最终的建模效果如图所示(图8)。

2.2  Rhino操作过程

(1)在工具栏中选择“工作视窗配置—背景图—放置背景图”,导入水壶的前视图。

(2)用“控制点曲线”描出壶身的轮廓。

(3)在壶口位置画一个圆。并用“切割(Split)”命令切去一半,再用“镜像(Mirror)”命令补全。

(4)用类似方法依次画出其余曲线(图9)。

(5)使用“双轨扫掠”命令,依次选择壶身和壶口的曲线,建出壶身的曲面(图10)。

(6)在壶身的曲面上画出如下曲线,并用“切割”命令切出壶嘴部分的曲面(图11、12)。

(7)使用“缩回已修建曲面”命令,选择部分控制点,用“二轴缩放”命令拉出壶嘴形状(图13)。

(8)制作壶柄部分,选择如图的曲线,并进行“放样”,放样选项如图所示(图14、15)。

(9)接下来制作壶柄与壶身的连接部分,在壶柄交接位置拉出两条直线,并用“混接曲线”命令画出交接曲线。将多余部分剪切删去。

(10)选择曲线,用“双轨扫掠”命令建出曲面。

(11)使用“衔接曲面”命令,将连接部位与壶身的曲面相接,使其过渡更加自然。

(12)使用“镜像”命令复制其余部分,使水壶模型完整。

(13)至此,水壶的大致形体就建模完成了,模型效果如图16所示。

3  结论

通过之前的建模过程可以看出,两款软件的建模方式有着本质上的差别。Rhino的建模是从曲线到曲面的过程。我们先用曲线工具勾勒出壶口、壶身、壶柄的基本形,然后用Rhino自身强大的曲面生成命令,如“放样”“双轨扫掠”等构建曲面,最后用“衔接曲面”“镜像”等命令优化曲面,生成完整的物体,这是典型的NURBS建模过程。而3Ds Max的建模则是从一个标准的几何体(圆柱体)开始,将其转化成可编辑多边形后,用“挤出”“变形”“切割”等命令逐步将其塑造成我们建模对象的近似物体,最后,用3Ds Max自带的NURMS细分,将其转化为光滑的曲面结构,这是Polygon建模最常用的手法。

通过两种建模方式最后都能得到我们想要的模型效果,但比较而言,Rhino的建模过程更加简洁、清晰、直观,而3Ds Max的建模过程则更加复杂繁琐。这是因为NURBS建模更适合水壶这样的规则曲面结构,但对于一些形状不规则的物体,如生物体、地形、布料等等,Polygon建模则更有用武之地。在今后的学习及工作过程中,我们也要善于根据自己的需要,选择合适的软件,才能更好地提升工作效率和竞争力。

参考文献:

[1]何成.虚拟现实场景中三维建模的关键技术研究[J].科技视界,2018(35):244-245.

[2]郑付联.3D MAX建模技术及其优化的研究[J].大众科技,2010(2):43-44.

[3]杜鹤民,张淑梅.基于Polygon的雕塑法计算机辅助造型设计方法[J].计算机技术与发展,2015,25(10):205-208,213.

[4]张廷霞. Rhino3D软件的NURBS建模在日用陶瓷造型设计中的应用[D].景德镇:景德镇陶瓷学院,2010.