【Maya】从原理上诠释三维动画技术1（模型篇）

雨辰

【三维动画要素】
Three-Dimensional Animation，具有三种维度技术的动画，简称三维或3D动画。和另一个概念“3D立体电影”不同，三维动画是制作的技术范畴，而不是直接的视觉效果。三维动画设计固然需要一定艺术基础，但初学者也可以通过三维软件来反向学习基础的色彩、透视、构图、形体等。
无论是静帧还是动画，三维画面的原素均包含模型、材质、灯光、镜头，辅助的要素有骨骼动画、表达式控制、动力学特效、后期画面滤镜等。尽管以下将以maya为平台进行说明，但大部分原理也适用于其他三维软件。

模型篇

   【构成】

模型是三维动画最不可或缺的起步原素。计算机图形学中经常会用到的术语“矩阵”，简而言之，就是虚拟三维空间中的点。规定的三维空间中会存在一个零点坐标，它周围的点以XYZ坐标来表示方位，而这些点彼此之间可以连线形成线段；当不同的线段对接，就构成了三维线框结构--这就是三维模型的最原始形态。闭合的线段中间填补虚拟平面，于是三维结构有了体积。

模型由点线面（围绕零点的空间点，点连成的线段，线段围成的面）组成。
Maya中分NURBS（工业曲面）和Polygon（多边形）两种模型。这两者的本质同样都是三维线框构成，不同的是NURBS的点和点之间有曲线插值，可以通过重建曲面（RebuildSurface）做出无限圆滑的带弧度曲线，适合高精度的工业模具产品；而Polygon是两点直连，如果需要圆滑，则需要使用smooth（平滑）命令进行后期插值计算（会缩小模型），适合影视动画游戏的各种模型。同样显示级别，由于点插值的默认存在，NURBS会比Polygon更缓慢。


【尺寸】
三维空间是个矢量集合的区域，在软件自身限制下，模型是可以任意放大缩小的。以预设的软件长度单位为空间点坐标单位，可以精确规定模型的长宽高。maya默认以公制单位“厘米”为基本长度单位，场景中的模型的高度值也就是现实中的厘米高度。不过因为动画本身是种“后处理结果”，并不像工业建模那样必须精准的尺寸，所以软件的建议或者用户的习惯都可以改变默认的尺寸标准（maya的动力学系统是将厘米当做现实的米来用，容易和模型比例产生矛盾）。
仅以模型尺寸为例，maya中创建的基本几何体就是以厘米进行的。例如Sphere基本球体的Radius属性数值为1，就表示这是个半径为1厘米的球体；

  
cube基本方体的Width、Height、Depth为2，就表示这是个宽度、高度、深度分别为2厘米的长方体。


除了使用基本几何体做测量参考，也可以使用maya的测量工具来测量模型尺寸：
Create->MeasureTools->DistanceTool。不过在建模的时候，使用标准几何体的数值要比测量工具效率更高。

*maya场景默认的网格，一个方格的长宽为1厘米*1厘米。


【UVs】
除了自身结构和基本的材质效果，当我们要展现模型很丰富的纹理的时候，就需要UV贴图，例如带划痕的墙壁。

  
UV贴图其实也就是一张普通图片，经过软件的坐标映射，将这张二维图片在三维模型上呈现出来。UV贴图就好像一个物体的外包装。


因为XYZ已经用来表示三维坐标，二维贴图上的坐标就使用UV来替代XY（U=X，V=Y），而使用到四元数的时候还会增加一个W参数，所以通常也叫UVW贴图（3dsMax中的叫法）。
*UVWXYZ……很通俗简单的英文字母排序取名法。
UV只是一个坐标符号（NURBS中表示方向），maya将UV加上复数形式表示模型上的UV点，也就是UVs。UVs指的是Polygon（多边形）特有的UV点，而NURBS（工业曲面）也存在UV点，只是在你将它转换为多边形之前，这个UV点集合是无法编辑的，仅作为贴图位置参考--不少人误以为NURBS没有UV点。

UVs在创建多边形的时候就一直依附于模型点上，一个模型点可以有无数个UVs，取决于UV线是否断开--UVs的数量是大于等于模型点。赋予模型贴图时，UVs应尽可能分布于第一象限（UV编辑器的右上方区域），这样在绘制贴图和导出到其他程序的时候不容易出错；如果使用重复（四方连续）贴图，UVs则可以任意遍布。当一个模型上使用了多重纹理，也就是多个贴图的时候，根据需要我们还可以创建UV Set（UV集），用来管理模型上不同的UV贴图。例如一个重复纹理的墙面贴上一张小广告插画。


对UV偏移值设置关键帧可以制作有趣的贴图动画，常见于游戏的广告牌、河流、瀑布、坦克履带等。

【贴图映射】
先简单区分一些英文术语：
Shader（材质），Texture（纹理），Map（贴图），Image（图片），Bitmap（位图）。
[Shader]
材质通俗的说也就是材料，它表现出显而易见的视觉特征，例如：闪亮的金属器皿，潮湿的泥土，生锈的铁器，炽热的熔岩，腐烂的树皮等。也就是说材质本身是一种可形容的物体。



[Texture]
纹理是物体表面的纹路，它不是具体的物体，而表示一类特征，可强化材质的表现。例如同样质地的木板上不同风格的木纹，人物不同的皮肤，墙面不同的破损等。



[Map]
本意是地图，Mapping有映射绘制的含义，因此Map可以认为是有针对用途的具体图片，它在maya中是服务于模型渲染的。



[Image]
计算机上的图片通称，它可以是通常的jpg，bmp，png，GIF格式，也可以是HDRI，EXR，IFF等包含特殊信息的专有格式。

   [Bitmap]
位图也称点阵图像，用来解释图片的像素组成。事实上多数计算机图片都是位图，因为Vector（矢量图）需要专门软件处理。BMP是无损的位图，而jpg，png等是经过压缩的位图。


以maya的惯例来说，Shader和Texture使用频率较高。前者是必不可少的构成，后者通常指所有附加到材质上的纹理贴图（含程序纹理和外部图片）。Map和Image一般只有在展UV和贴图赋予的操作步骤中才会提到。


在maya中纹理分为2D纹理和3D纹理，前者依赖于模型UVs的分布情况，而后者是直接在填充于三维空间中的函数图形，效果直接显示在模型表面。2D纹理使用较为广泛，包含外部的图片和软件的程序纹理；3D纹理是maya内置程序纹理，用于一些三维特效的细节辅助，如烟尘飘动、天空云彩分布、导弹尾烟等。


maya中创建3D纹理时候场景会多出一个方块图标，可用于控制纹理的朝向和运动。


如果使用2D纹理的时候选择投影模式（纹理图标上右键：Create as projection），也可以忽略模型UVs将平面贴图应用于三维投影。

  贴图的投影方式有平面Planar、可调球形Spherical、圆柱体Cylindrical、圆球Ball、立方体Cubic等，由模型的外轮廓或者用户特殊的贴图需要进行更改。


无论2D纹理还是3D纹理，投影模式如果在动画模型上使用，很容易发生纹理偏移，并且显示效果较难控制。
  
  
这里仅介绍2D贴图的UV映射。
将模型的UVs进行分割缝合伸展移动，就是展UV的工作。不管采用何种初始UV映射，在UV编辑器中的操作效果都是一样的，这个由用户的习惯和技巧决定。Maya2015后新增的Unfold3D展UV插件，极大的提高了工作效率。
*Unfold3D原是独立的外部模型UV展开软件，被Autodesk收购后成为maya的内置功能。
展UV常有这样的规则：平均分布，无重叠面和反面。除了显示正反面（蓝色正面，红色反面），我们还可以在maya的UV 编辑器中查看UV的伸展情况：白色表示范围内贴图匹配图片尺寸（合理），红色表示范围内贴图将被拉伸（模糊），蓝色表示范围内贴图将被压缩（锐化）。

  不过很多时候，我们可以根据细节要求，将模型上的UV进行不对等缩放，也可以在某些不需要在意的地方随意处理UV，甚至游戏中为了节省贴图容量而采用重叠使用的UV布线。大致上，除了平均分布，我们很多时候需要在意的是UV接缝--断开UVs区域的贴图连续性。UV接缝常分布在模型隐蔽处，例如人物头部模型的后脑中间，大腿模型的内侧中线等，这样做是为了减少后期贴图绘制时候的工作量，尽可能的减少接缝对模型贴图效果的不良影响。


【明暗关系】
没有灯光我们是看不到三维场景中的模型的，之所以能在maya默认视图中看到模型的明暗，那是因为软件默认就提供了一个和摄像机同方向的平行光，这个默认灯光会在加入新的灯光后自动关闭，避免影响渲染结果。
*如果渲染时完全不考虑默认灯光的影响，可以在渲染设置窗口的RenderOptions栏去掉EnableDefaultLight的勾选。
模型的面是如何计算出光照的明暗效果呢，于是引入一个数学概念：法线。数学中的法线指的就是平面的垂直虚线，对于圆弧曲面是垂直于点切线的直线。在计算机图形技术中，除了面，每个顶点也具有法线向量，并且法线是以射线的几何概念存在。因此，Maya中，法线分为面法线和顶点法线两种，并且由射线的朝向来区分正反方向。
三维软件中的灯光就是数学上的射线（光源点+发射的光线），当它无限延伸的一端接触到模型表面，会类似物理上光在平面上的吸收和反射，将模型表面照亮。

在视图菜单上，不勾选Lighting->TwoSidedLighting，场景中的模型反面（法线负方向）以黑色显示。我们可以通过这个设定来判断模型面的正反。

*模型面的正反不只影响建模命令的效果，还和一些材质的渲染效果、特效中粒子的碰撞有关。

有别于现实的物理反射（法线始终垂直反射面），由于三维灯光是根据模型表面的法线方向来判断材质照明的，我们可以在软件中人为的改变法线朝向而“欺骗”灯光对物体表面的判断。因此Maya中对模型执行SoftenEdge（软化边）命令后，在材质和灯光的作用下模型会显示出柔和的过渡。
创建一个基本多边形球体，执行MeshDisplay->HardenEdge（硬化边），我们会发现此时的模型棱角分明，不那么讨喜。事实上，这才是模型真正的初始法线形态，软件默认帮我们进行“美化”而已。
*Maya2015及早期版本的HardenEdge命令在Polygons多边形模块的Normals菜单下。

  菜单Display->Polygon->FaceNormals/VertexNormals，显示模型的面和顶点法线。面法线是由组成它的点的空间分布决定，和顶点法线朝向无关；而一个点上有4根线段相连，所以有4条方向不同的顶点法线。执行SoftenEdge（软化边）后，会发现和点连接的所有线段的法线都统一了方向，这是多条顶点法线均值后的结果。此时模型表面也变得圆滑了很多。
*Display->Polygon->Soft/HardEdges，显示模型的软硬边分布情况：虚线是软边，实线是硬边。


“软边”虽然能给模型效果增色，但是并非什么情况都适用：当面和面之间夹角不大于90度，“软边”会产生一种错误的亮部，模型失去转折处的细节。小于等于90度夹角的面，需要增加线来均摊顶点法线的夹角，至少保持两线以上。

  maya可以选择模型局部线条进行软化，但不推荐使用更改法线工具自行调节，因为容易出现不正确的灯光效果。此外，还可以对多边形法线进行锁定以防止更改。
*不小心使用VertexNormalEditTool的时候，会同时锁定法线（LockNormals），需要解锁法线（UnlockNormals）才能使用硬边和软边修正。
游戏模型通常使用整体“软边”，当遇到需要锐利的转折，例如刀刃，通常的做法是从线条处分割模型，因为模型的边界边（BorderEdges）就是硬边。现在很多游戏引擎也可直接支持模型上的软硬边划分。
*3dsMax中的SmoothingGroups（平滑组）相当于maya的SoftenEdge（软边）。


为了深入解释上述现象--模型法线对灯光和材质的影响，这里顺便提到两个技术概念：
平面着色（FlatShading）和顶点着色（GouraudShading）。
所谓着色，并不是我们通常所理解的贴图显示，而是模型各顶点色调的融合结果--也就是由材质色彩和灯光作用后得到的计算值，UV贴图只是后期的叠加辅助。平面着色时一个面上只有一种材质色彩，模型表面会呈现不同的纯色块，灯光的高亮点在模型上呈现出锐利的边界；顶点着色通过点之间的色彩线性插值，可以平滑多个面之间的色彩过渡，柔和灯光的强弱渐变，不过计算速度慢于平面着色。
*平面着色和顶点着色的平滑效果对比，有点像多边形和工业曲面的区别。
Maya视图看到的模型实时材质效果，属于顶点着色（Shading->SmoothShadeAll）。如果选择视图菜单Shading->FlatShadeALL，则是将全部可见模型转为平面着色显示。

  对于模型自身来说，顶点法线是平面着色和顶点着色的切换关键：平行于面法线的顶点法线不产生插值，硬边模型实时效果采用平面着色；均值化（不平行于面法线）的顶点法线，通过线性插值平滑色彩，因此软边模型实时效果采用的是顶点着色。
从以下图示可以看出“硬边（法线垂直面）”和“软边（法线均值化）”对照明的影响。


【总结】
三维模型由这些要素构成：点线面，UVs，法线。对以上基础概念有了清晰认识之后，接下来材质灯光内容的学习将会很容易。

作者：

WingOfStar☆

DarkKnight

太强大了！！！！！！！！！

maliyanliao

CG游麟网真是个很好的学习天堂！

东方姑娘

神贴降临，吓死本宝宝了！

baiping2015

棒棒的，感谢楼主分享。

zh35766

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pivisy

感謝分享這麼好的資源!

pivisy

常常吸取前輩的實務經驗才能增長自己的實力!

zd5789492

太棒了，感谢楼主

zd5789492

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