全面簡單了解3d建模軟件

魔猴君  知識堂   2870天前

常常有同學(xué)問魔猴君，3D建模軟件有哪些，答案比較復(fù)雜，建模軟件的種類比較多，如果展開，可以寫一本書。在這里，魔猴君做一個簡單的總結(jié)，主要從對定性的角度來綜述一下3D建模軟件，不涉及深入的討論和教學(xué)，給對3D建模還沒有還沒有什么了解，馬上要選3D建模軟件來學(xué)習(xí)的朋友們一點點的啟迪，好了，廢話不多說，接下來，還是滿滿的干貨：

一. 專業(yè)3D建模軟件 Professional Software

專業(yè)3D建模軟件一般是指應(yīng)用到某個專業(yè)領(lǐng)域，一般也都是收費的，當(dāng)然功能也是比較強大的。

1.       3DS Max

美國Autodesk公司的3D Studio Max（前身是Discreet公司的，后被Autodesk收購）是基于PC系統(tǒng)的三維建模、動畫、渲染的制作軟件，為用戶群最為廣泛的3D建模軟件之一。常用于建筑模型、工業(yè)模型、室內(nèi)設(shè)計等行業(yè)。因為其廣泛性，它的插件也很多，有些很強大，基本上都能滿足一般的3D建模的需求。在魔猴網(wǎng)，我們也需要經(jīng)常用到3DS Max來構(gòu)建模型。網(wǎng)上關(guān)于3DS Max的教程和學(xué)習(xí)視頻非常多，使用者眾多。

2.       Maya

Maya也是Autodesk公司出品的世界頂級的3D軟件，它集成了早年的兩個3D軟件Alias和Wavefront。相比于3DS Max，Maya的專業(yè)性更強，功能非常強大，渲染真實感極強，是電影級別的高端制作軟件。在工業(yè)界，應(yīng)用Maya的多是從事影視廣告，角色動畫，電影特技等行業(yè)。

3.       Softimage

Softimage曾經(jīng)是加拿大Avid公司旗下的專業(yè)的3D動畫設(shè)計軟件，后被Autodesk收購。它在影視動畫方面，特別是角色功能非常強大。許多電影，比如《泰坦尼克號》、《失落的世界》、《第五元素》等，都曾使用Softimage來制作大量的驚人的視覺效果

4.       LightWave

LightWave是美國NewTek公司開發(fā)的一款3D動畫制作軟件，也是3D領(lǐng)域的資深軟件。它的功能非常強大，特別是在生物建模和角色動畫方面功能異常強大，廣泛應(yīng)用在電影、電視、游戲、網(wǎng)頁、廣告、印刷、動畫等各領(lǐng)域。在電影《泰坦尼克號》中細(xì)致逼真的船體模型及其他眾多游戲的場景和動畫都曾使用LightWave來制作的。

5.       Rhino（犀牛）

Rhino是美國Robert McNeel公司開發(fā)的專業(yè)3D造型軟件，它對機(jī)器配置要求很低，安裝文件才幾十兆，但“麻雀雖小，五臟俱全”，其設(shè)計和創(chuàng)建3D模型的能力是非常強大的，特別是在創(chuàng)建NURBS曲線曲面方面功能強大，也得到很多建模專業(yè)人士的喜愛，成為現(xiàn)在最流行的建模軟件之一，特別是 對于3D打印參數(shù)化建模，與Grasshopper聯(lián)用。

6.       Cinema 4D

Cinema 4D (C4D)是德國Maxon公司的3D創(chuàng)作軟件，在蘋果機(jī)上用得比較多，特別是在歐美日為最受歡迎的三維動畫制作工具。2009-2010年我在美國哈佛大學(xué)訪問期間，經(jīng)?？吹綄W(xué)生用C4D在進(jìn)行3D建模和動畫的設(shè)計。

從上述介紹可知，美國Autodesk公司當(dāng)之無愧是當(dāng)今3D建模和動畫的“老大”，擁有3DS Max、Maya和Softimage等3D建模和動畫專業(yè)軟件。3DS Max和Maya在3D建模方面各有特色，前者更為大眾化些，相對容易掌握些，后者在專業(yè)級的行業(yè)應(yīng)用更為廣泛，特別在制作動畫和高質(zhì)量渲染方面強于前者，包括建模，渲染和動畫制作。Softimage和LightWave在3D動畫方面表現(xiàn)強大。Rhino對NURBS曲面的支持更好。

二、   CAD等工業(yè)建模軟件

1.       AutoCAD

AutoCAD (Auto Computer-Aided Design)是美國Autodesk公司出品的自動計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)軟件，用于二維繪圖、文檔規(guī)劃和三維設(shè)計。適用于制作平面布置圖、地材圖、水電圖、節(jié)點圖及大樣圖等。廣泛應(yīng)用于土木建筑、裝飾裝潢、城市規(guī)劃、園林設(shè)計、電子電路、機(jī)械設(shè)計、航空航天、輕工化工等諸多領(lǐng)域。大家租房時看的房型圖大部分都是用AutoCAD來做的。

2.       CATIA

Catia由法國Dassault Systems公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化的三維軟件，支持產(chǎn)品開發(fā)的整個過程，從概念(CAID)，到設(shè)計(CAD)，到分析(CAE)，到制造(CAM)的完整流程?？蓭椭圃鞆S商設(shè)計未來的產(chǎn)品，并支持從項目前階段、具體的設(shè)計、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計流程，在機(jī)械行業(yè)，航空航天、汽車工業(yè)、造船工業(yè)等應(yīng)用廣泛。其實體造型和曲面設(shè)計的功能非常強大。我讀博期間曾接觸過Catia，在它上面寫過一個NURBS曲面轉(zhuǎn)換的插件程序。

3.       SolidWorks

SolidWorks是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，后被法國Dassault Systems公司(開發(fā)Catia的公司)所收購。相對于其他同類產(chǎn)品，SolidWorks操作簡單方便、易學(xué)易用，國內(nèi)外的很多教育機(jī)構(gòu)（大學(xué)）都把SolidWorks列為制造專業(yè)的必修課。

4.       UG NX

UG NX由美國Unigraphics Solutions (UGS)公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化的三維軟件，后被德國西門子公司收購。廣泛用于通用機(jī)械，航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

5.       Pro-E

Pro/Engineer是美國PTC公司(Parametric Technology Corporation)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。在參數(shù)化設(shè)計，基于特征的建模方法具有獨特的功能，在模具設(shè)計與制造方面功能強大，機(jī)械行業(yè)用的比較多。

除了上述所介紹的CAD/CAE /CAM系統(tǒng)軟件（它們各有特色，在市場中都占有一定的份額）外，還有其他一些同類產(chǎn)品，比如法國Missler公司的Topsolid和以色列Cimatron公司的Cimatron。一般在機(jī)械設(shè)計與產(chǎn)品研發(fā)相關(guān)的行業(yè)中才會接觸到這些軟件，專業(yè)性比較強，在網(wǎng)上很容易能找到它們的相關(guān)資料。

三、 3D雕刻建模軟件：筆刷式高精度建模軟件

3D雕刻建模軟件(Sculpturing modeling)，也稱為筆刷式高精度建模軟件，顧名思義，就是像藝術(shù)家那樣用不同的“筆刷”工具在模型表面上進(jìn)行“雕刻”的自由創(chuàng)作。建模過程就像玩橡皮泥一樣，利用拉，捏，推，扭等操作來對幾何進(jìn)行編輯，生成任意的高度復(fù)雜和豐富的幾何細(xì)節(jié)（如怪獸的復(fù)雜表面細(xì)節(jié)）。這些工具的出現(xiàn)顛覆了過去傳統(tǒng)三維設(shè)計工具的工作模式，解放了藝術(shù)家們的雙手和思維，告別過去那種依靠鼠標(biāo)和參數(shù)來笨拙創(chuàng)作的模式，完全尊重設(shè)計師的創(chuàng)作靈感和傳統(tǒng)工作習(xí)慣。這些軟件也往往需要用戶有一定的美術(shù)、雕刻功底；

1.       ZBrush

美國Pixologic公司開發(fā)的ZBrush軟件是世界上第一個讓藝術(shù)家感到無約束自由創(chuàng)作的3D設(shè)計工具。 ZBrush 能夠雕刻高達(dá) 10 億多邊形的模型，所以說限制只取決于的藝術(shù)家自身的想象力。

2.       MudBox

MudBox是Autodesk公司的3D雕刻建模軟件，它和ZBrush相比各有千秋。在某些人看來，MudBox的功能甚至超過了ZBrush，可謂ZBrush的超級殺手。

3.       MeshMixer

最近，Autodesk公司又開發(fā)出一款筆刷式3D建模工具MeshMixer，它能讓用戶通過筆刷式的交互來融合現(xiàn)有的模型來創(chuàng)建3D模型（似乎是類似與Poisson融合或Laplacian融合的技術(shù)），比如類似“牛頭馬面”的混合3D模型。值得注意的是，最新版本的MeshMixer還添加3D打印支撐優(yōu)化新算法。

4.       其他

其他還有一些同類的3D雕刻建模軟件，比如3DCoat，Sculptris，Modo等。這里就不再詳細(xì)介紹了。

在工業(yè)界，人們更偏向于使用四邊形網(wǎng)格(quad mesh)，而不是三角網(wǎng)格，一個很重要的原因就是這些雕刻建模工具善于在四邊形網(wǎng)格上進(jìn)行細(xì)節(jié)的生成和編輯，因為四邊形網(wǎng)格的邊更能反應(yīng)物體表面的流線方向(edge flow)。

雖然這些筆刷式建模工具上手容易，給了用戶便利的方式進(jìn)行3D細(xì)節(jié)建模，但是，要想真正構(gòu)建一個細(xì)節(jié)復(fù)雜和逼真的3D模型還是不容易的，除了用戶需要熟練掌握軟件的各種工具及雕刻技巧外，還需要用戶具有較好的藝術(shù)和繪畫功底。

四、基于草圖的3D建模軟件

Google的SketchUp（在國內(nèi)我們也稱為“草圖大師”）。SketchUp是一套面向普通用戶的易于使用的3D建模軟件，主要用于建筑、家具。使用SketchUp，創(chuàng)建3D模型就像我們使用鉛筆在圖紙上作圖一般，軟件能自動識別你畫的這些線條，加以自動捕捉。它的建模流程簡單明了，就是畫線成面，而后拉伸成體，這也是建筑或室內(nèi)場景建模最常用的方法。SketchUp還可以將你自己的制作成果發(fā)布到Google Earth上和其他人共享，或者是提交到Google的3D Warehouse（Google的3D模型庫）。當(dāng)然你也能從Warehouse那兒得到想要的素材，以此作為創(chuàng)作的基礎(chǔ)。很有趣的是，在2012年Google公司的SketchUp被美國Trimble公司收購了。去年出了個Trimble SketchUp 2013，網(wǎng)評似乎不太好。不知其是否能繼續(xù)免費。

基于筆劃或草圖的交互方式由于其符合人類原有日常生活中的思考習(xí)慣，交互方式直觀簡單（就像在圖紙上畫畫一樣來構(gòu)建3D模型），是最近十多年來計算機(jī)圖形學(xué)中研究的熱點建模方法之一。基于草圖的交互方式與現(xiàn)在正在興起的Web3D建模相結(jié)合，會有新的廣闊空間。也請大家持續(xù)關(guān)注魔猴網(wǎng)，魔猴也將為大家?guī)硇碌暮唵我子玫脑诰€3D建模工具。

五、基于照片的3D建模軟件

從物體的照片來進(jìn)行3D模型的構(gòu)建，是計算機(jī)圖形學(xué)和計算機(jī)視覺的一大研究方向，稱為基于圖像的幾何建模(Image based modeling)。這種技術(shù)已逐漸成熟且走向?qū)嵱秒A段，目前，市場上有軟件能夠讓用戶拿著普通相機(jī)或者手機(jī)對著要建模的實物從不同視角拍攝若干照片，然后軟件就能根據(jù)這些照片自動地生成相應(yīng)的3D模型。這種基于圖片的建模技術(shù)提供給了非專業(yè)建模人士來構(gòu)建3D模型的工具。

1.       Autodesk 123D

Autodesk公司最近發(fā)布了一套平民級的建模軟件Autodesk 123D，用戶不需復(fù)雜的專業(yè)知識，只要為物體從不同的視角拍攝幾張照片，該軟件就能自動地為其生成3D模型，而且軟件是完全免費的。

(1)    Autodesk 123D Design 是一款免費的3D CAD 工具，用戶可以使用一些簡單的圖形來設(shè)計、創(chuàng)建、編輯三維模型，或者在一個已有的模型上進(jìn)行修改。

(2)    Autodesk 123D Catch是建模軟件的重點，用戶使用相機(jī)或手機(jī)來從不同角度拍攝物體、人物或場景，然后上傳到云，然后該軟件利用云計算的強大計算能力，可將數(shù)碼照片中幾分鐘的時間內(nèi)轉(zhuǎn)換為3D模型，而且還自動帶上紋理信息。我們試用過幾次，感覺它的使用還是很方便的。但是其生成的3D幾何的細(xì)節(jié)不多，主要是通過紋理信息來表現(xiàn)真實感的。有時軟件也會失敗，生成的幾何是不正確的。

(3)    Autodesk 123D Make是將3D模型轉(zhuǎn)換為2D的切割圖案，用戶可利用硬紙板、木料、金屬或塑料等低成本材料將這些圖案迅速拼裝成實物，從而再現(xiàn)原來的數(shù)字化模型。這讓用戶能夠“制造”出所造的3D模型，有點像3D打印的雛形。

(4)    Autodesk 123D Sculpt是一款運行在iPad上的3D雕刻軟件，通過繪畫的方式在模型上雕刻幾何細(xì)節(jié)。

2.       3DSOM Pro

3DSOM Pro是一款從高質(zhì)量的照片來生成3D建模的軟件，它可以通過一個真實物體的照片來進(jìn)行3D建模，并且制作的模型可以在網(wǎng)絡(luò)上以交互的方式呈現(xiàn)。

3.       PhotoSynth

微軟開發(fā)了一款產(chǎn)品PhotoSynth，可將大量的照片做3D處理，但是它不是真正創(chuàng)建3D模型，而是根據(jù)照片之間的相機(jī)參數(shù)及空間對應(yīng)關(guān)系，建構(gòu)一個虛擬的3D場景，使得用戶能夠在從不同角度和位置來查看該場景，而顯示的場景圖像是由給定的照片所合成的。而就在幾天前，2017年2月6日，微軟宣布關(guān)閉PhotoSynth服務(wù)。

從多幅不同角度拍攝的照片來重建3D物體，從技術(shù)原理上來講是可行的，但是由于算法的一些步驟，比如圖像中物體特征點的檢測和匹配，相機(jī)參數(shù)的估計等，還會出現(xiàn)不太正確的結(jié)果，使得重建結(jié)果有時不夠穩(wěn)定，甚至不正確。隨著技術(shù)和計算能力的不斷發(fā)展，相信這些會逐步得到解決。到時，從照片來重建3D模型的技術(shù)可能是最為方便的3D建模技術(shù)了，因為人人都有手機(jī)，隨時都可以拍照上傳到云端來構(gòu)建3D模型。如果有了大數(shù)據(jù)庫的支持，從單張照片來構(gòu)建3D模型也是可能的。

六、 基于掃描（逆向設(shè)計）的3D建模軟件

3D掃描也是3D數(shù)據(jù)和3D建模的重要來源，特別是隨著深度相機(jī)的普及及掃描儀的價格迅速下降，人們采集三維數(shù)據(jù)變得容易，從采集到的三維點云來重建三維模型的軟件也越來越多。

1.       Geomagic

Geomagic (俗稱“杰魔”) 包括系列軟件Geomagic Studio、Geomagic Qualify和Geomagic Piano。其中Geomagic Studio是被廣泛使用的逆向工程軟件，具有下述所有特點：確保完美無缺的多邊形和 NURBS 模型處理復(fù)雜形狀或自由曲面形狀時，生產(chǎn)效率比傳統(tǒng) CAD軟件提高數(shù)倍；可與主要的三維掃描設(shè)備和CAD/CAM軟件進(jìn)行集成；能夠作為一個獨立的應(yīng)用程序運用于快速制造，或者作為對CAD軟件的補充。

2.       RapidForm

RapidForm是韓國INUS公司出品的逆向工程軟件，提供了新一代運算模式，可實時將點云數(shù)據(jù)運算出無接縫的多邊形曲面，使它成為 3D掃描數(shù)據(jù)的最佳化的接口，是很多3D掃描儀的OEM軟件。

3.       ReconstructMe

ProFactor公司開發(fā)的ReconstructMe是一個功能強大且易于使用的三維重建軟件，能夠使用微軟的Kinect或華碩的Xtion進(jìn)行實時3D場景掃描（核心算法是Kinect Fusion），幾分鐘就可以完成一張全彩3D場景。ReconstructMeQt提供了一個實時三維重建利用ReconstructMe SDK（開源）的圖形用戶界面。

另外，法國ManCTL公司開發(fā)的Skanect為Mac平臺的第一款3D 掃描軟件，也支持者華碩的Xtion或者微軟的Kinect進(jìn)行實時3D 掃描。

4.       Artec Studio

Artec公司出品的Artec Eva, Artec Spider等手持式的結(jié)構(gòu)光3D掃描儀，重量輕且易于使用，成為許多3D體驗館掃描物體的首選產(chǎn)品。同時，Artec公司還開發(fā)了一款軟件Artec Studio，可以和微軟的Kinect或華碩的 Xtion以及其他廠商的體感周邊外設(shè)配合使用，使其成為三維掃描儀。Kinect通過Artec Studio可以完成模型掃描，然后進(jìn)行后期處理，填補漏洞、清理數(shù)據(jù)、進(jìn)行測量、導(dǎo)出數(shù)據(jù)等。

5.       PolyWorks

PolyWorks是加拿大InnovMetric公司開發(fā)的點云處理軟件，提供工程和制造業(yè)3D測量解決方案，包含點云掃描、尺寸分析與比較、CAD和逆向工程等功能。

注：全球四大逆向工程軟件除了Geomagic Studio和RapidForm外，還包括ImageWare和CopyCAD，有興趣的讀者可以到網(wǎng)上去找相關(guān)資料了解。

七、 其他3D建模軟件

1.       人體建模軟件

關(guān)于構(gòu)建人體模型及動畫，首推Metacreations公司的Poser軟件（俗稱“人物造型大師”）和開源的MakeHuman軟件。這兩款軟件都是基于大量人類學(xué)形態(tài)特征數(shù)據(jù)，可以快速形成不同年齡段的男女臉部及肢體模型，并對局部體形進(jìn)行調(diào)整?？梢暂p松快捷地設(shè)計人體造型、動作和動畫。我讀博期間用過Poser構(gòu)建人體模型來做morphing，還是蠻方便的。

2.       城市建模軟件

加拿大Esri公司的CityEngine是三維城市建模的首選軟件，可以利用二維數(shù)據(jù)快速創(chuàng)建三維場景，并能高效的進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。應(yīng)用于數(shù)字城市、城市規(guī)劃、軌道交通、管線、建筑、游戲開發(fā)和電影制作等領(lǐng)域。另外，CityEngine對ArcGIS的完美支持，使很多已有的基礎(chǔ)GIS數(shù)據(jù)不需轉(zhuǎn)換即可迅速實現(xiàn)三維建模，縮短了三維GIS系統(tǒng)的建設(shè)周期。

3.       其他小巧的3D建模軟件

下面的這個網(wǎng)頁還介紹了一些其他3D建模相關(guān)的軟件或程序：

http://tech.sina.com.cn/s/2008-10-20/08192519895.shtml

這些軟件大部分都非常小巧，而且是開源且完全免費的。有很多媒體工作者和藝術(shù)家用這些小軟件來制作3D作品，其中Blender, K-3D, Art of Illusion, Seamless3d, Wings3D等軟件的使用面稍微廣泛些。有興趣的讀者可以到網(wǎng)上找到相關(guān)資料去了解和學(xué)習(xí)，這里不作詳細(xì)介紹。

4.       網(wǎng)頁3D (Web3D)建模工具

基于網(wǎng)頁(web)開發(fā)的3D模型設(shè)計軟件，即基于WebGL，可以在瀏覽器中完成3D建模的工具。 國內(nèi)有魔猴網(wǎng)在線建模工具，國外有3DTin，TinkerCAD（去年被Autodesk收購）等，它們的界面簡單直觀，有Chrome等瀏覽器插件插件，可以在線生成3D模型，直接存在云端，并在社區(qū)分享模型。在互聯(lián)網(wǎng)的時代，Web3D技術(shù)將被越來越被廣泛使用，建議大家多關(guān)注魔猴網(wǎng)。

5. 3D模型渲染軟件

本文介紹的各種3D建模軟件一般都能渲染3D模型，但要得到更為逼真的真實感渲染效果，還可以使用專門的3D模型渲染軟件，比如Pixar Renderman、POV-Ray、 V-Ray、 Mental Ray、Final-Render等，這里就不詳細(xì)介紹。一般使用Maya進(jìn)行渲染，已經(jīng)足夠漂亮了。

此外還有廣泛應(yīng)用游戲、VR等領(lǐng)域的Unity3D、Quest3D和 Vega等，現(xiàn)在還不能直接和3d打印對接，這里就不再介紹，有興趣的同學(xué)可以去網(wǎng)上搜一下。

3D打印提供給了平民零技能制造的技術(shù)，會朝著“私人定制”（個性化需求）的方向發(fā)展；隨著大量草根參與到3D的設(shè)計和制造，3D打印將逐步顛覆人們創(chuàng)造東西的能力。正因人們對3D模型有了巨大的需求，3D打印技術(shù)才使得計算機(jī)圖形學(xué)“落地”。隨著人們對3D技術(shù)有了越來越多的需求，本文所介紹的3D建模工具將會發(fā)揮出更為巨大的價值。隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，云計算與物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，將會出現(xiàn)越來越便利的3D建模工具，比如Autodesk 123D正在將3D技術(shù)從專業(yè)變成非專業(yè)，人們接觸3D技術(shù)的門檻將越來越低，創(chuàng)造的3D模型越來越豐富。我堅信，日后3D技術(shù)將“飛入尋常百姓家”，會越來越平民化，且成為人們生活中重要的一部分。