三维制图讲义02 - 三维制作流程

在进入三维软件的学习之前,我们先来了解一下在这方面应用最为成熟的产业之一:三维动画影视制作。

下面是 3D Production Pipeline 的流程图,很好地总结了一部完整的动画影片的制作过程。

我们在这个学期从零基础学起,主要涉及到的是 Modeling 建模和 Texturing 材质贴图部分,也会简单应用一些 Lighting 灯光和 Rendering 渲染的知识。

在整个制作流程中,会涉及很多工具。下面是以 Blender 为例的 workflow(来源):

在新年期间上映的「流浪地球」,已经充分展示出国内影视技术的实力。这篇访谈介绍了大量的前期概念设计,涉及人物、场景、装备等等,推荐感兴趣的同学看一看。

相信绝大部分同学都看过皮克斯出品的动画:玩具总动员、海底总动员、超人总动员、机器人总动员、飞屋环游记、头脑特工队……每一部都是传奇般的经典。皮克斯不但连续制作出高水准的作品,而且为行业积累了大量实践经验,推动着影视动画制作向前发展。而且,皮克斯还推出了一套非常系统的动画制作入门课程,包括故事、角色、场景、材质、动效、灯光等等制作环节,制作精良,墙裂推荐大家观看。

下面的视频会对整个课程做一个导览:

Pixar in Box_腾讯视频

三维制作 3+1

通过皮克斯的介绍视频,大家对整个制作过程有了一定了解。

在这么复杂的过程中,有三样东西是必不可少的。这三样东西也是我们打开 Blender 软件后,在视图区看到的东西:

那么 3+1 的 1 又是什么呢?有了几何体、灯光和镜头,我们还需要渲染,才能生成最终的图像。下面对 3+1 分别做简单的介绍。

几何体

点线面是最基本的造型单位。在三维建模中,点线面有另外的名字:

  • 顶点-vertices:在几何体角落上的点
  • 边-edges:连接顶点的线
  • 面-faces:由若干条边围成的填充区域

任何的几何体,再复杂的模型,无非都是反复增删、调整顶点、边和面而形成的。

如果说点、线、面是基本的操作对象,那么平移(translation)、缩放(scale)、旋转(rotation)就是基本的操作方式。这些是我们在三维设计建模过程中主要的工作。

材质/灯光

材质和灯光决定了一个物体看起来是什么样的。

材质涉及到纹理、粗糙度、反射率、亮度等等复杂的参数。

而灯光需要根据物体在真实光照环境下,对光线的反射规律来计算并呈现。在一个模型的表面,有许多多边形,每一个多边形接收和反射的光并不一样,这与人眼识别立体物体的原理有关。

材质结合光照,组成了千变万化的组合,也给三维世界带来了无数的可能性。

镜头

镜头是大家相对陌生的领域。因为我们天然就有着两个镜头——眼睛。看向哪里、怎么看,几乎不需要经过思考和反应,所以我们感觉不到自己身上这个「镜头」的存在。

但是在虚拟的三维世界中,镜头决定了场景的呈现。

Introduction to geometric transformations (video) | Khan Academy

在影视动画中,镜头是叙事的关键要素之一。如何设置镜头相关的参数,获得我们想要的渲染结果,会在后续的课程中涉及到。

渲染

可以说,渲染是一个令人头疼的词。它意味着费时费力(主要是费计算机的算力)。

为什么需要渲染?相比手绘图像,三维图像其实不是被「画」出来的,而是由很多参数计算并自动绘制出来的成果。渲染就是计算机根据参数计算最终展示结果的过程。

计算机成像有不同的渲染方式。光栅化和光线追踪是常见的两种。

  • 光栅化(Rasterization)是把顶点转换为片元的过程,也就是将图转化为一个个栅格组成的图象,特点是每个元素对应帧缓冲区中的一个像素。
  • 光线追踪(Ray tracing)是三维计算机图形学中的特殊渲染算法,跟踪从眼睛发出的光线而不是光源发出的光线,生成编排好的场景的数学模型显现出来。

在后续的课程中我们还会来讲解。

补充知识:三维投影

计算机是二维屏幕,如何表示三维的物体和世界呢?

这里要借助三维投影的概念。

从字面理解,投影就是物体被光照后投射到一个平面上的影像。计算机图形学里有大量关于光线和投影的研究。

在三维设计中,会经常接触到两种投影:透视投影(Perspective Projection)和正射投影(Orthographic Projection)。

下图可以帮助我们理解两者的区别:

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