（1）数字三维动画概述
数字三维动画，简称3D动画，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的新兴动画制作技术及其成果的代名词。通常人们常说的“三维动画”有两种指向：一是用计算机制作的、三维立体的动画视觉作品，二是指用来制作三维立体动画的计算机技术。
计算机三维动画的获得是通过三维动画软件在计算机中建立一个虚拟的世界，并通过计算机的运算将虚拟世界还原成视觉的画面。在此过程中，设计师要在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景；再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数；然后按要求为模型贴上特定的材质，并打上灯光；最后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面。这一过程中用到的方法和技术手段，可以统称为数字三维动画技术，或者计算机三维动画技术。

（2）数字三维动画的制作流程
动画的制作过程可分为四个阶段：总体设计阶段、设计制作阶段、具体创作阶段和拍摄制作阶段。对于3D动画而言，总体设计和设计制作这两个阶段可统归为前期制作期。
前期制作阶段，在影视动画艺术范畴的三维动画和平面动画没有区别。而对于游戏中的3D动画角色和场景的建设而言，同样也要经历该阶段。在这个阶段，动画创作者需要创意、策划、预算、创作剧本、设计分镜头、角色、机械造型和场景等。创意、策划、预算和剧本等程序通常是决策层的事情，不涉及视觉范畴；而分镜头、角色、机械造型和场景等设计，则需要有经验的动画设计人员甚至工业造型、环境艺术专业人员的参与。在这些阶段不涉及三维技术，是以手绘为基础的创意视觉化过程。

具体创作阶段则是利用计算机和三维动画软件进行具体实现的一个过程。在此过程中，计算机中三维图像的获得类似于雕刻，摄影布景及舞台灯光的使用，在三维环境中控制各种组合。作为一个完整的3D作品制作过程至少要经过三步：造型、动画和绘图。
①造型
造型是利用三维软件在电脑上创造三维形体，称为建模。例如：制作三维的人物、动物、建筑、景物等造型，即设计物体的形状。
最简单的方法是使用图形造型。图形通常是简单的三维几何形体图像，附带在软件的命令面板中。这些立方体、球体、圆柱体、圆锥体、金字塔形体等图形能够结合在一起，在不同的修改命令下可以产生更为复杂的物体形状。然后通过不同的方法将它们组合在一起，从而建立复杂的形体。

另一种常用的造型技术是先创造出二维轮廓，然后旋转、拉伸等方法将其拓展到三维空间（如图6-14）。或者通过放样技术，用二维样条曲线作为造型的骨架，利用表面的修改编辑功能，将基本面片依附在造型骨架上，形成复杂的面片模型，从而创造出立体图形。

②动画
动画就是使各种造型运动起来，获得运动的画面和效果。为了使它们动起来，需要时间要素，为三维立体的静态造型引入第四维的属性。有了时间的属性，工作人员可以不断地改变目标的动作、虚拟摄像机的位置、灯光的方向和强弱，甚至还可以改变构图，包括近、中、远景、特写、大小范围、方位、节奏和旋转等等一系列手段来获得变化的画面。在改变目标的动作和状态时可以直接通过计算机中的鼠标键盘调节模型、也可以用传感器去捕捉真实演员的动作表情，再将其赋值于三维模型，以获得逼真的、连贯的动作状态。

③绘图
绘图包括贴图和光线控制，相当于二维动画制作过程中的上色过程。造型确定了物体的形状，质地则确定了物体表面的形态，那么贴图则是确定物体表面形态的过程。
灯光是三维动画制作的重头戏。三维软件提供了方便设置灯光的功能，但设置的合适与否将直接影响动画的最后效果。既要保持合适的景物基调，又要照亮景物，还要调整、渲染、营造动画气氛，这需要长时间的实践和不间断的试验。
（3）三维动画的动画类型
①几何变换动画
几何变换动画，也称为“刚体动画”，是通过对场景中的几何对象进行移动、旋转、缩放的几何变换操作，从而产生动画的效果。其特点是几何对象是自身大小或在场景中的相对位置发生变化，而本身形状并不改变。可采用的技术有：关键帧技术、指定运动轨迹的样条驱动技术、实现几何对象间精确的相对运动的反向动力学技术等。
②变形动画
变形是一门基于节点的动画技术，是通过物体节点序列的变换矩阵来实现的。相对于刚体动画缺乏生气的不足，变形动画通过赋予每个角色以个性，并以形状变形来渲染某些夸张的效果。

③角色动画
角色动画最主要指人体动画，也包括拟人化的动植物及卡通角色。在电脑三维动画中，人体造型是一个颇为艰巨的问题。
④粒子系统动画
粒子系统的一个主要优点是数据库放大的功能。一个粒子系统可以表示成千上万个行为相似，但是仍有细微差别的微小对象。粒子系统最擅长制作光怪陆离的光影、烟雾、火雨雷电，还可以模拟泡沫、闪电和溅水的动画，弥补了传统动画制作方式无法模拟自然界中如云、火、雪等随机景物和微观粒子世界的缺陷。

⑤摄影机动画
摄影机动画，也称为“镜头动画”，是通过对摄影机的推、拉、摇、移，使镜头画面改变，从而产生动画的效果。它常用来制作建筑物漫游动画，要求摄影机在运动过程中要做到平稳、节奏自然、镜头切换合理、重点内容突出。虽然镜头动画是一种间接的动画手段，但却是人们在现实中经常遇到的。

（1）主流动画软件
①Softimage 3D
Softimage 3D是由专业动画师设计的强大的三维动画制作工具，它的功能完全涵盖了整个动画制作过程，包括：交互的、独立的建模和动画制作工具、SDK和游戏开发工具、具有业界领先水平的mental ray生成工具等。
②3DS MAX
3DS MAX是一款应用于PC平台的元老级三维动画软件（如图6-16），由Autodesk公司出品。它具有优良的多线程运算能力，支持多处理器的并行运算，丰富的建模和动画能力，出色的材质编辑系统。

③MAYA
Maya是Alias|Wavefront（2003年7月更名为Alias）公司的产品（如图5-17），作为三维动画软件的后起之秀，深受业界欢迎和钟爱。Maya 集成了Alias|Wavefront 最先进的动画及数字效果技术，不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还结合了最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染和运动匹配技术。MAYA因其强大的功能在3D动画界造成巨大的影响，已经渗入到电影、广播电视、公司演示、游戏可视化等各个领域，且成为三维动画软件中的佼佼者。

④LIGHTWAVE 3D
Lightwave 3D是NewTek公司的产品（如图6-18）。目前Lightwave在好莱坞的影响一点也不比Softimage、Alias等差。它具有出色品质的，价格却是非常低廉，这也是众多公司选用它的原因之一。《泰坦尼克号》中的泰坦尼克号模型，就是用LIGHTWAVE制作的。

（2）辅助性三维动画软件
辅助性三维动画软件非常多，功能各异，通常称为功能性三维动画软件。辅助性三维动画软件相对单一，但在使用上或者效果上也更胜一筹。
①Poser
Poser是MetaCreations公司开发的软件（如图6-19），是三维动画领域具有开创性的代表软件，可以程序化地制作人物造型和一些有趣的生物造型。该软件有许多优秀的功能，如行走生成器、角色动作输出（可以在Poser中制作角色动画，再把它们应用于其他三维软件中的不同模型）、口形同步和动画功能。现在的新版本有了一定的材质编辑能力，渲染也有了很大进步，支持OpenGL加速显示，并且增加了卡通渲染能力和Flash动画的输出功能。
它的建模工具有一套独特的建模流程，可以制作出令人惊叹的复杂模型。Zbrush采用了优秀的Z球建模方式，可以实现电影特效的三维建模、游戏角色建模的制作，如《指环王III》、《半条命II》中很多怪兽的建模。
Zbrush以建模特别是生物建模闻名于世，它也有一个不错的渲染模块，有丰富的材质和渲染特效。特别是在创作静帧作品方面有很好的表现，如图6-20是Zbrush工作界面。

③Renderman Pro
该软件是Pixar公司出品的功能强大的渲染器。处于前沿的数字特效公司和电脑图形专家都使用了Pixar的产品RenderMan。因为它是有效的、适用于任何环境的、具有最高品质的渲染器，并成功地用于多部影片的制作。
Pixar的RenderMan拥有强大的着色语言和反锯齿运动模糊功能，允许设计者们用写实动作胶片整合出令人惊叹的合成效果。此外，RenderMan由Pixar的技术人员提供更有力的支持，并且它也是一个真实照片级渲染器的工业标准接口。RenderMan可以实现与Maya等三维软件之间的无缝整合，使图像渲染更逼真，品质更高。
其他辅助性三维动画软件：
例如：Autodesk MotionBuilder可以从许多不同的捕捉装置中记录下动作捕捉数据，并把它们应用于三维模型上、Bryce（三维风景和环境创建软件，与poser出自同一公司）、Vae（可以创造出真实的天气环境、复杂的地形，可以制作出真实的水效果）、Modo（强大的细分表面多边形建模工具）等等，这些软件分别在建模、灯光、贴图、渲染、动画设置等方面的具体应用上有独到之处。如Poser就是专门的人物建模，而Bryce则是用于风景建模。
（3）三维动画软件中的基本概念
三维动画软件中的基本概念：除了建模、动画和绘图（贴图与灯光）外，还有一些软件概念。
①三维视图
三维视图是计算机三维动画软件中的一个重要技术概念。在此技术的支撑下，动画设计师可以从各个角度来审视和修改自己创建的“雕塑作品”。
三维软件中的三维视图一般分为四个显示窗口，分别是前视图、顶视图、左视图、全景视图。一般前视图、顶视图和左视图中的Z轴不能旋转，只能看到物体模型的某一侧面。而在全景视图中可以旋转，方便创作者从各角度审视，如图6-22所示。

②NURBS建模 
NURBS建模是目前最受欢迎的建模方式。NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines的缩写，是指非统一有理B样条。NURBS建立的物体是以线数定义的方式，准确性很高，对于复杂曲面的物体，如人物，汽车等有很大的优势。NURBS建模包括NURBS曲线工具和NURBS曲面工具。
③Polygon建模 
Polygon（多边形）建模是在三维制作软件中最先发展的建模方式。使用Polygon建立的模型都是点，边，面三个元素组成，对点，边，面三个元素进行修改就可以改变模型的形状。只要有足够多的多边形就可以制作出任何形状的物体，不过随着多边形数量的增加系统的性能也会下降。

本节给出一个三维动画建模的实例，详细介绍了一个简单数字三维模型的建立过程，仅供大家体验和模仿。实例所用制作软件是3DS MAX。具体制作步骤如下：
（1）先在右视图中建个圆柱体，如图所示。

（2）把圆柱体转为多边形，并把圆柱的前后两个面都删掉。进入点选择，用缩放工具调正圆柱的后端，使它比前端宽度宽一些，高度低一些，如图6-24所示。

（3）新建BOX位置如图，并转为多边形，把前面的面删掉（就是对应圆柱体的面），如图6-25所示。

4）退出多边形。进入复合物体，选择圆柱体，点击连接，拾取BOX。变化如图6-26所示。

（5）进入边界选择，选择圆柱体的前端，按住SHIFT键，向外拉，并用缩放工具缩小如图6-27所示：

（6）按住SHIFT键不入，继续向前拉，如图6-28所示。

（7）选择这些边硬边，如图6-29所示。

（8）同样对尾部硬边，如图6-30所示。

（9）盖子的制作。进入2D线段，选择星，在右视图中，给它填加一个拉伸命令，如图6-31所示和图6-32所示。

（10）转为多边形，把前后盖面都砍掉，并做适当调正（呈圆锥状），如图6-33所示。

（11）按住SHIFT键不放，并用缩放工具拉伸，如图6-34所示。

（12）向里拉，最后给它封盖，如图6-35所示。

（13）后盖制作同上，如图6-36所示。

（14）制作完成，如图6-37所示。制作作品没有实施材质和灯光渲染的效果。

（15）最后将材质贴图和灯光等步骤完成，通过渲染，最终效果如图6-38所示。