植物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫關(guān)鍵技術(shù)研究

李輝　張霞　葉煜

摘 要： 植物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、影視娛樂、廣告宣傳等。對(duì)植物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫的研究?jī)?nèi)容、演示方式、動(dòng)畫特點(diǎn)進(jìn)行歸納與概括。從軟件技術(shù)的角度對(duì)植物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫的表現(xiàn)形式、研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、制作方法、適用對(duì)象、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行研究、分析和比較，對(duì)該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。為有效推進(jìn)植物數(shù)字可視化建設(shè)和提高動(dòng)畫創(chuàng)作效率提供參考。

關(guān)鍵詞： 三維技術(shù)； 植物； 生長(zhǎng)； 動(dòng)畫

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2015）08-18-02

Research on key technology of plant growth 3D animation

Li Hui， Zhang Xia， Ye Yu

（Department of Electronics and Information， Chengdu Vocational College of Agricultural Science and Technology， Chengdu， Sichuan 611130， China）

Abstract： 3D animation of plant growth has been more and more widely used in many fields， such as urban planning， film and television， entertainment and advertisement. This paper presents an overview on the plant growth animation pattern， the status quo of research， key technology， principle and methods， applicable objects， advantages and disadvantages. The development trend of this field is prospected. It is useful to effectively promote the construction of digital visual and improve the efficiency of animation production.

Key words： 3D technology； plant growth； animation； digital visual

0 引言

植物是大自然的重要組成部分，隨著計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展，植物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫被廣泛應(yīng)用于教育、科研、遙感、游戲、數(shù)字影視等眾多領(lǐng)域。

1 植物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫的生長(zhǎng)方式

經(jīng)過大量的理論和實(shí)證研究，總結(jié)了植物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫方式，主要有以下幾種。

⑴ 破土而出式

植物最初是生長(zhǎng)在暗地里的一顆種子，慢慢破土而出，拔節(jié)而長(zhǎng)，枝繁葉茂，開花結(jié)果。這類生長(zhǎng)動(dòng)畫便于演示植物動(dòng)態(tài)的生長(zhǎng)過程，營造出生命和希望爆發(fā)的活力。

⑵ 藤蔓伸展式

不少影視作品和建筑藝術(shù)動(dòng)畫中都能看到藤蔓植物慢慢伸展，絕強(qiáng)地依附攀援，增加場(chǎng)景生機(jī)和活力的景象。除了綠化的作用，這類動(dòng)畫給人以在逆境中不屈服，頑強(qiáng)展示生命力和活力之意。

⑶ 層疊上升式

層疊上升式比較符合林木類植物的生長(zhǎng)規(guī)律。植物按照一定的層次從地面節(jié)節(jié)往上拉升，葉子、花、果等則以粒子形態(tài)般急劇增長(zhǎng)，就像地面賦予無窮無盡的生命力和活力一樣，給人以強(qiáng)烈的視覺沖擊和神奇的創(chuàng)意享受。

⑷ 迷幻障眼式

迷幻障眼式是植物生長(zhǎng)中比較虛幻、神化的方式，好比變魔術(shù)，往往借助于強(qiáng)烈光效、迷幻煙霧等效果來實(shí)現(xiàn)，光效、煙霧之后植物出現(xiàn)在面前。

圖1 植物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫方式

2 植物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫關(guān)鍵技術(shù)

植物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫有許多方法。3ds max、MAYA等三維軟件都帶有植物模型，粒子系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)動(dòng)畫效果。但是三維軟件自帶的植物模型種類較少，粒子系統(tǒng)又難以實(shí)現(xiàn)較為真實(shí)、自然的生長(zhǎng)動(dòng)畫效果。植物插件的出現(xiàn)，能有效解決動(dòng)畫效果和創(chuàng)作效率上的問題，成為三維動(dòng)畫創(chuàng)作的熱門工具。下面就幾款主要的植物插件進(jìn)行分析和比較，以助于提高應(yīng)用者的動(dòng)畫創(chuàng)作效率。

2.1 Ivy Generator和Guruware Ivy插件

Ivy Generator是德國康斯坦茨大學(xué)開發(fā)的一款藤本三維軟件，主要用于模擬以攀爬為主的藤本或草本植物的生長(zhǎng)。通過對(duì)生長(zhǎng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，可隨機(jī)生成不同形態(tài)的藤本植物模型。其特點(diǎn)是不需要應(yīng)用復(fù)雜的植物生長(zhǎng)機(jī)理模型，側(cè)重于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，迅速生成逼真的植物模型，追求基于視覺效果的真實(shí)性[1]。但I(xiàn)vy Generator不能直接實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)動(dòng)畫，只有將模型輸出成OBJ和MLT材質(zhì)物體，再導(dǎo)入3ds max等三維軟件中制作動(dòng)畫效果。該插件的系統(tǒng)耗用較大，不適合表現(xiàn)大規(guī)模的植物場(chǎng)景[2]。

Guruware Ivy是Ivy Generator的改進(jìn)版本。Guruware Ivy使用更方便，功能亦有增強(qiáng)，通過為Age（藤蔓年齡）屬性設(shè)置關(guān)鍵幀可以輕松實(shí)現(xiàn)藤蔓生長(zhǎng)、攀爬的動(dòng)畫效果[3]。

2.2 XFrog

XFrog是德國Greenworks公司開發(fā)的三維植物軟件，可實(shí)現(xiàn)植物的直觀交互建模和生長(zhǎng)模擬。XFrog所有的樹葉、枝干、花朵等都采用實(shí)物掃描，使得模型更加真實(shí)，開放的光年系統(tǒng)和層級(jí)的表現(xiàn)方式，使其操作性更簡(jiǎn)便，可控性更強(qiáng)[4]。XFrog在植物生長(zhǎng)模擬過程中，通過關(guān)鍵幀動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)，有兩種方法。①起始和結(jié)束關(guān)鍵幀為同一關(guān)鍵幀?？梢员ＷC模型擁有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成動(dòng)畫較為平滑。但應(yīng)盡量減少直接修改植物參數(shù)的操作，否則會(huì)大大降低動(dòng)畫的真實(shí)感。②起始和結(jié)束關(guān)鍵幀為不同關(guān)鍵幀。可以把起始關(guān)鍵幀的模型細(xì)化，缺點(diǎn)是XFrog插補(bǔ)的部分較多，不如第一種方法的動(dòng)畫效果平滑自然[5]。

2.3 GrowFX

GrowFX是俄羅斯Exlevel公司基于3ds max平臺(tái)開發(fā)的一款植物插件，可創(chuàng)建參數(shù)化的樹木、花草及其他植物模型，自由創(chuàng)建風(fēng)力和生長(zhǎng)動(dòng)畫效果，前提是要有GrowFX調(diào)節(jié)出來的未塌陷的文件[6]。GrowFX除了可使用官方的植物庫資源，還有靈活的自由度。通過植物年齡、生長(zhǎng)方向、風(fēng)效、動(dòng)畫效果等隨機(jī)參數(shù)的調(diào)節(jié)，快捷得到植物的其他形態(tài)。

2.4 Vue

Vue是一個(gè)專業(yè)的CG景觀設(shè)計(jì)工具套組，可以制作出逼真的自然環(huán)境，還可以和3ds max等三維軟件套用。Vue可以在現(xiàn)有植物庫基礎(chǔ)上進(jìn)行再加工和改造，容易產(chǎn)生新的植物形態(tài)和物種，根據(jù)用戶實(shí)際需要自由形成植物生長(zhǎng)、形態(tài)變化等動(dòng)畫效果。Vue操作簡(jiǎn)便、場(chǎng)景表現(xiàn)逼真。云計(jì)算的建模方式、快速的渲染時(shí)間等特點(diǎn)，使得它特別適合表現(xiàn)自然空間大場(chǎng)景，主要用于中、遠(yuǎn)景表現(xiàn)[7-8]。

2.5 T-Gen插件

T-Gen是第一個(gè)完全整合進(jìn)SoftImage|XSI的植物生成插件，擁有強(qiáng)大的靈活性和無窮的可能性?？梢允褂脦缀跛蠿SI工具對(duì)其產(chǎn)生的植物模型、材質(zhì)、層級(jí)結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步修改。T-Gen各類參數(shù)幾乎都可用于設(shè)置動(dòng)畫效果，強(qiáng)大的優(yōu)化工具使其在植物生長(zhǎng)動(dòng)畫方面有著快速、高效的優(yōu)勢(shì)。

2.6 SpeedTree、TreeStorm和Forest Pack Pro

SpeedTree、TreeStorm和Forest Pack Pro都是目前在建筑漫游動(dòng)畫和園林設(shè)計(jì)中比較常用的植物插件，擁有強(qiáng)大的植物庫，模型真實(shí)感強(qiáng)，繪制效率高，支持植物動(dòng)力學(xué)，可模擬風(fēng)吹植物動(dòng)畫效果，分別適宜表現(xiàn)中近景和大片的遠(yuǎn)景植物[9-10]。但它們沒有植物生長(zhǎng)動(dòng)畫功能，憑借豐富的軟件開發(fā)接口可以和3ds max等三維軟件結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)動(dòng)畫效果。

3 結(jié)束語

植物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫將緩慢的植物生長(zhǎng)過程動(dòng)態(tài)化、形象化展現(xiàn)。本文所介紹的幾種植物三維生長(zhǎng)動(dòng)畫關(guān)鍵技術(shù)，因各自不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在表現(xiàn)一些大型的自然場(chǎng)景中，往往需要把多種方式相結(jié)合。

由于植物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面細(xì)節(jié)豐富，使其無論在三維建模、動(dòng)態(tài)模擬方面都存在較大難度，以下問題有待進(jìn)一步深入研究：①當(dāng)前主要實(shí)現(xiàn)單株植物的三維模擬，缺乏對(duì)于大規(guī)模植物生長(zhǎng)動(dòng)畫場(chǎng)景的模擬研究；②植物形態(tài)受到光照、風(fēng)力、溫度等自然環(huán)境因素影響，對(duì)更為復(fù)雜、逼真的植物生長(zhǎng)交互模擬將是未來的一個(gè)重要研究方向。

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