专业3D建模软件介绍

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　　一、专业3D建模软件

　　1.3DSMax

　　美国Autodesk公司的3DStudioMax（前身是Discreet公司的，后被Autodesk收购）是基于PC系统的三维建模、动画、渲染的制作软件，为用户群最为广泛的3D建模软件之一。常用于建筑模型、工业模型、室内设计等行业。因为其广泛性，它的插件也很多，有些很强大，基本上都能满足一般的3D建模的需求。我们的学生也需要经常用到3DSMax来构建模型。网上关于3DSMax的教程和学习视频非常多，使用者众多。

　　2.Maya

　　Maya也是Autodesk公司出品的世界顶级的3D软件，它集成了早年的两个3D软件Alias和Wavefront（这两个软件在我读博时就非常有名，当时就代表了最先进的动画及数字技术，我曾用过Wavefront）。相比于3DSMax，Maya的专业性更强，功能非常强大，渲染真实感极强，是电影级别的高端制作软件。在工业界，应用Maya的多是从事影视广告，角色动画，电影特技等行业。我们的学生也经常用Maya来制作和渲染3D模型，生成漂亮的渲染结果放在论文中。

　　3.Softimage

　　Softimage曾经是加拿大Avid公司旗下的专业的3D动画设计软件，后被Autodesk收购。它在影视动画方面，特别是角色功能非常强大。许多电影，比如《泰坦尼克号》、《失落的世界》、《第五元素》等，都曾使用Softimage来制作大量的惊人的视觉效果。

　　4.LightWave

　　LightWave是美国NewTek公司开发的一款3D动画制作软件，具有悠久的历史，我在读博时曾接触过。它的功能非常强大，特别是在生物建模和角色动画方面功能异常强大，广泛应用在电影、电视、游戏、网页、广告、印刷、动画等各领域。在电影《泰坦尼克号》中细致逼真的船体模型及其他众多游戏的场景和动画都曾使用LightWave来制作的。

　　5.Rhino（犀牛）

　　Rhino是美国RobertMcNeel公司开发的专业3D造型软件，它对机器配置要求很低，安装文件才几十兆，但“麻雀虽小，五脏俱全”，其设计和创建3D模型的能力是非常强大的，特别是在创建NURBS曲线曲面方面功能强大，也得到很多建模专业人士的喜爱。在与上海造船厂研究所的合作项目中，我们用Rhino来进行船体曲面的NURBS建模和修改，非常方便灵活。

　　6.Cinema4D

　　Cinema4D(C4D)是德国Maxon公司的3D创作软件，在苹果机上用得比较多，特别是在欧美日为最受欢迎的三维动画制作工具。2009-2010年我在美国哈佛大学访问期间，经常看到学生用C4D在进行3D建模和动画的设计。

　　7.Creator

　　MultiGen-Paradigm公司开发的Creator是专门创建用于大型3D虚拟仿真的实时三维模型的软件。其强大之处在于管理3D模型数据的数据库，使得输入、结构化、修改、创建原型和优化模型数据库非常容易。前几年与一家从事数字城市的公司合作时我们就用Creator快速创建大量的城市建筑模型，并且生成数据库来管理这些模型，还是相当的方便。

　　注：从上述介绍可知，美国Autodesk公司当之无愧是当今3D建模和动画的“老大”，拥有3DSMax、Maya和Softimage等3D建模和动画专业软件。3DSMax和Maya在3D建模方面各有特色，前者更为大众化些，相对容易掌握些，后者在专业级的行业应用更为广泛，特别在制作动画和高质量渲染方面强于前者。我们的学生用Maya的相对多些，包括建模，渲染和动画制作。Softimage和LightWave在3D动画方面表现强大。Rhino对NURBS曲面的支持更好。Creator适合于构建大量的3D模型并构建数据库进行管理和修改。

　　二、CAD建模和产品设计软件

　　1.AutoCAD

　　AutoCAD(AutoComputer-AidedDesign)是美国Autodesk公司出品的自动计算机辅助设计(CAD)软件，用于二维绘图、文档规划和三维设计。适用于制作平面布置图、地材图、水电图、节点图及大样图等。广泛应用于土木建筑、装饰装潢、城市规划、园林设计、电子电路、机械设计、航空航天、轻工化工等诸多领域。大家买房时看的房型图大部分都是用AutoCAD来做的。

　　2.CATIA

　　Catia由法国DassaultSystems公司开发的CAD/CAE/CAM一体化的三维软件，支持产品开发的整个过程，从概念(CAID)，到设计(CAD)，到分析(CAE)，到制造(CAM)的完整流程。可帮助制造厂商设计未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程，在机械行业，航空航天、汽车工业、造船工业等应用广泛。其实体造型和曲面设计的功能非常强大。我读博期间曾接触过Catia，在它上面写过一个NURBS曲面转换的插件程序。

　　3.SolidWorks

　　SolidWorks是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，后被法国DassaultSystems公司(开发Catia的公司)所收购。相对于其他同类产品，SolidWorks操作简单方便、易学易用，国内外的很多教育机构（大学）都把SolidWorks列为制造专业的必修课。SolidWorks在杭州有专门的研发机构，我有个学生硕士毕业后在那里进行研发工作。

　　4.UGNX

　　UGNX由美国UnigraphicsSolutions(UGS)公司开发的CAD/CAE/CAM一体化的三维软件，后被德国西门子公司收购。广泛用于通用机械，航空航天、汽车工业、医疗器械等领域。现在西门子公司在上海有专门的研发机构对UGNX产品进行升级完善，我有2个学生博士毕业后在那里负责产品的开发和维护。

　　5.Pro/E

　　Pro/Engineer是美国PTC公司(ParametricTechnologyCorporation)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。在参数化设计，基于特征的建模方法具有独特的功能，在模具设计与制造方面功能强大，机械行业用的比较多。

　　注：除了上述所介绍的CAD/CAE/CAM系统软件（它们各有特色，在市场中都占有一定的份额）外，还有其他一些同类产品，比如法国Missler公司的Topsolid和以色列Cimatron公司的Cimatron。一般在机械设计与产品研发相关的行业中才会接触到这些软件，专业性比较强，在网上很容易能找到它们的相关资料。

　　三、3D雕刻建模软件：笔刷式高精度建模软件

　　3D雕刻建模软件(Sculpturingmodeling)，也称为笔刷式高精度建模软件，顾名思义，就是像艺术家那样用不同的“笔刷”工具在模型表面上进行“雕刻”的自由创作。建模过程就像玩橡皮泥一样，利用拉，捏，推，扭等操作来对几何进行编辑，生成任意的高度复杂和丰富的几何细节（如怪兽的复杂表面细节）。这些工具的出现颠覆了过去传统三维设计工具的工作模式，解放了艺术家们的双手和思维，告别过去那种依靠鼠标和参数来笨拙创作的模式，完全尊重设计师的创作灵感和传统工作习惯。

　　1.ZBrush

　　美国Pixologic公司开发的ZBrush软件是世界上第一个让艺术家感到无约束自由创作的3D设计工具。ZBrush能够雕刻高达10亿多边形的模型，所以说限制只取决于的艺术家自身的想象力。

　　2.MudBox

　　MudBox是Autodesk公司的3D雕刻建模软件，它和ZBrush相比各有千秋。在某些人看来，MudBox的功能甚至超过了ZBrush，可谓ZBrush的超级杀手。

　　3.MeshMixer

　　最近，Autodesk公司又开发出一款笔刷式3D建模工具MeshMixer，它能让用户通过笔刷式的交互来融合现有的模型来创建3D模型（似乎是类似与Poisson融合或Laplacian融合的技术），比如类似“牛头马面”的混合3D模型。

　　值得注意的是，最新版本的MeshMixer还添加3D打印支撑优化新算法，值得关注。我们SiggraphAsia2013的论文“Cost-effectivePrintingof3DObjectswithSkin-FrameStructures”也给出了一种为3D打印加尽可能少的支撑材料的新算法（详见我的博文“经济节约型的3D打印技术”），该算法也是具有较好的市场前景，我们也在努力进行产业转化。

　　4.其他

　　其他还有一些同类的3D雕刻建模软件，比如3DCoat，Sculptris，Modo等。这里就不再详细介绍了。

　　注1：在工业界，人们更偏向于使用四边形网格(quadmesh)，而不是三角网格，一个很重要的原因就是这些雕刻建模工具善于在四边形网格上进行细节的生成和编辑，因为四边形网格的边更能反应物体表面的流线方向(edgeflow)。我们PacificGraphics2010的一篇论文B-mesh，就是在建模过程中同时生成具有良好流线方向的四边形基网格(basemesh)，然后直接可以导入到这些雕刻软件中进行进一步的细节雕刻建模。

　　注2：虽然这些笔刷式建模工具上手容易，给了用户便利的方式进行3D细节建模，但是，要想真正构建一个细节复杂和逼真的3D模型还是不容易的，除了用户需要熟练掌握软件的各种工具及雕刻技巧外，还需要用户具有较好的艺术和绘画功底。

　　四、基于草图的3D建模软件

　　基于笔划或草图的交互方式由于其符合人类原有日常生活中的思考习惯，交互方式直观简单（就像在图纸上画画一样来构建3D模型），是最近十多年来计算机图形学中研究的热点建模方法之一。这方面的研究论文有很多，比如Siggraph1999年的Teddy，到Siggraph2006年的SmoothSketch，GraphicsInterface2007的MagicCanvas，Siggraph2007年的FiberMesh，SigCHI2010年的ICanDraw等。最近，我们也提出一种基于阴影引导的草图交互的3D建模的技术“ModelingbyDrawingwithShadowGuidance”，从已知的模型数据库中提取信息来引导用户的笔划交互，能构建更为精准的3D模型，该工作发表在PacificGraphics2013上。

　　虽然在科研上提出了很多基于草图的3D建模技术，但是至今仍未能有比较成熟的商业化的软件出现，可能是因为要理解不同用户的划线和草图还是一件比较困难的事情。对于一些比较规则的物体，比如建筑、家具等人造物体，这种方式相对可行些，比如Google的SketchUp（在国内我们也称为“草图大师”）。SketchUp是一套面向普通用户的易于使用的3D建模软件。使用SketchUp，创建3D模型就像我们使用铅笔在图纸上作图一般，软件能自动识别你画的这些线条，加以自动捕捉。它的建模流程简单明了，就是画线成面，而后拉伸成体，这也是建筑或室内场景建模最常用的方法。SketchUp还可以将你自己的制作成果发布到GoogleEarth上和其他人共享，或者是提交到Google的3DWarehouse（Google的3D模型库）。当然你也能从Warehouse那儿得到想要的素材，以此作为创作的基础。很有趣的是，在2012年Google公司的SketchUp被美国Trimble公司收购了。去年出了个TrimbleSketchUp2013，网评似乎不太好。不知其是否能继续免费。

　　最近国内出了一款叫做“EasyToy”的采用草图式的3D建模软件，适用于卡通动漫形象与玩具的设计。但我还没有试用过，不知用户体验如何。另外，日本东京大学的TakeoIgarashi教授也发布了一些基于草图式的3D建模系统，比如Teddy，在其主页上可以下载到。

　　另外，值得一提的是，基于草图的交互方式在现在正在兴起的Web3D建模领域会有新的广阔空间。Web3D建模在稍后会介绍。

　　五、基于照片的3D建模软件

　　从物体的照片来进行3D模型的构建，是计算机图形学和计算机视觉的一大研究方向，称为基于图像的几何建模(Imagebasedmodeling)。这种技术已逐渐成熟且走向实用阶段，最近有些软件能够让用户拿着普通相机或者手机对着要建模的实物从不同视角拍摄若干照片，然后软件就能根据这些照片自动地生成相应的3D模型。这种基于图片的建模技术提供给了非专业建模人士来构建3D模型的工具。

　　1.Autodesk123D

　　Autodesk公司最近发布了一套平民级的建模软件Autodesk123D，用户不需复杂的专业知识，只要为物体从不同的视角拍摄几张照片，该软件就能自动地为其生成3D模型，而且软件是完全免费的。

　　(1)Autodesk123D是一款免费的3DCAD工具，用户可以使用一些简单的图形来设计、创建、编辑三维模型，或者在一个已有的模型上进行修改。

　　(2)Autodesk123DCatch是建模软件的重点，用户使用相机或手机来从不同角度拍摄物体、人物或场景，然后上传到云，然后该软件利用云计算的强大计算能力，可将数码照片中几分钟的时间内转换为3D模型，而且还自动带上纹理信息。我们试用过几次，感觉它的使用还是很方便的。但是其生成的3D几何的细节不多，主要是通过纹理信息来表现真实感的。有时软件也会失败，生成的几何是不正确的。

　　(3)Autodesk123DMake是将3D模型转换为2D的切割图案，用户可利用硬纸板、木料、金属或塑料等低成本材料将这些图案迅速拼装成实物，从而再现原来的数字化模型。这让用户能够“制造”出所造的3D模型，有点像3D打印的雏形。目前123DMake只有Mac版的。

　　(4)Autodesk123DSculpt是一款运行在iPad上的3D雕刻软件（前面已介绍过），通过绘画的方式在模型上雕刻几何细节。

　　2.3DSOMPro

　　3DSOMPro是一款从高质量的照片来生成3D建模的软件，它可以通过一个真实物体的照片来进行3D建模，并且制作的模型可以在网络上以交互的方式呈现。

　　3.PhotoSynth

　　微软开发了一款产品PhotoSynth，可将大量的照片做3D处理，但是它不是真正创建3D模型，而是根据照片之间的相机参数及空间对应关系，建构一个虚拟的3D场景，使得用户能够在从不同角度和位置来查看该场景，而显示的场景图像是由给定的照片所合成的。其基本原理来自于Siggraph2006的论文“PhotoTourism:exploringphotocollectionsin3D”及其他相关论文。

　　注：从多幅不同角度拍摄的照片来重建3D物体，从技术原理上来讲是可行的，但是由于算法的一些步骤，比如图像中物体特征点的检测和匹配，相机参数的估计等，还会出现不太正确的结果，使得重建结果有时不够稳定，甚至不正确。随着技术和计算能力的不断发展，相信这些会逐步得到解决。到时，从照片来重建3D模型的技术可能是最为方便的3D建模技术了，因为人人都有手机，随时都可以拍照上传到云端来构建3D模型。如果有了大数据库的支持，从单张照片来构建3D模型也是可能的，可以参看我们的Siggraph2011的论文。

　　六、其他3D建模软件

　　1.人体建模软件

　　关于构建人体模型及动画，首推Metacreations公司的Poser软件（俗称“人物造型大师”）和开源的MakeHuman软件。这两款软件都是基于大量人类学形态特征数据，可以快速形成不同年龄段的男女脸部及肢体模型，并对局部体形进行调整。可以轻松快捷地设计人体造型、动作和动画。我读博期间用过Poser构建人体模型来做morphing，还是蛮方便的。

　　2.城市建模软件

　　加拿大Esri公司的CityEngine是三维城市建模的首选软件，可以利用二维数据快速创建三维场景，并能高效的进行规划设计。应用于数字城市、城市规划、轨道交通、管线、建筑、游戏开发和电影制作等领域。另外，CityEngine对ArcGIS的完美支持，使很多已有的基础GIS数据不需转换即可迅速实现三维建模，缩短了三维GIS系统的建设周期。该软件的核心技术是Siggraph2001的论文“ProceduralModelingofCities”及其他相关论文，早期是ETHZurich大学的PascalMueller研究小组创办的Procedural公司开发的，后被Esri公司收购。

　　3.其他小巧的3D建模软件

　　这些软件大部分都非常小巧，而且是开源且完全免费的。有很多媒体工作者和艺术家用这些小软件来制作3D作品，其中Blender,K-3D,ArtofIllusion,Seamless3d,Wings3D等软件的使用面稍微广泛些。有兴趣的读者可以到网上找到相关资料去了解和学习，这里不作详细介绍。

　　4.网页3D(Web3D)建模工具

　　最近，出现了一些基于网页(web)开发的3D模型设计软件，即基于WebGL，可以在浏览器中完成3D建模的工具。比如3DTin，TinkerCAD（去年被Autodesk收购）等，它们的界面简单直观，有Chrome等浏览器插件插件，可以在线生成3D模型，直接存在云端，并在社区分享模型。

　　在互联网的时代，Web3D技术将被越来越被广泛使用，建议大家多关注。

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