关于三维制作技术软件的调研分析
一、序言
三维动画作为电脑美术的一个分支，是建立在动画艺术和电脑软硬件技术发展基础上而形成的一种相对的独立新型的艺术形式，其发展起来所依靠的三维制作技术，即 3D 技术，是随着计算机软硬件技术的发展而产生的一门新兴技术。
自上个世纪七十年代后期，随着计算机图形学应用的空前发展，欧美国家以电脑做工具，开始追求技术上的最大发挥，将人物造型和环境以三维形式展现。1982年，迪斯尼(Disney)推出了第一套电脑动画的电影：Tron(电脑争霸)。作为三维动画的开山之作，它为后来的三维动画的发展开了很好的头。
随着相关三维动画技术理论研究的不断深入，三维动画技术很快进入了蓬勃发展的时代，许多公司陆续推出强大的三维制作软件工具。下面，我将着重介绍 Maya、3ds Max、ZBrush 这三款三维动画制作软件。
二、简介
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软件名称 |
Maya | 3ds Max | ZBrush |
| 开发商 | Alias|Wavefront（后被Autodesk收购） | Discreet（后被Autodesk收购） | Pixologic |
| 软件大小 | 4.00GB | 8.00GB | 1.00GB |
| 系统支持 | Win 64、Mac OS、Red Hat、CentOS等 | Windows 64 | Windows 32/64，Mac OS 10.7及以上 |
| 是否收费 | 收费，新用户免费使用30天，学生可申请免费使用3年 | 收费，新用户免费使用30天，学生可申请免费使用3年 | 最低1299元，教育购买有优惠 |
Maya
Maya 是美国 Alias|Wavefront 公司出品的世界顶级的三维动画软件，应用对象是专业的影视广告，角色动画，电影特技等。Maya 集成了 Alias/Wavefront 最先进的动画及数字效果技术。它不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合。Maya 功能完善，工作灵活，易学易用，制作效率极高，渲染真实感极强，是电影级别的高端制作软件、制作者梦寐以求的制作工具。
官网入口：https://www.autodesk.com.cn/products/maya/overview
3ds Max
3ds Max 是一款由 Discreet 公司开发的（后被Autodesk公司合并）基于 PC 系统的三维动画渲染和制作软件，其前身是基于DOS操作系统的 3D Studio 系列软件，现正式更名为 Autodesk 3ds Max，是当前世界上销售量最大的三维建模，动画及渲染解决方案。3ds Max 首先开始运用在电脑游戏中的动画制作，后更进一步开始参与影视片的特效制作。因为 3ds Max 是基于PC系统的低配置要求三维制作软件，它的出现实现了 CG 软件制作平台纷纷由 Unix 工作站向基于网络的 PC 平台的转移。
官网入口：https://www.autodesk.com.cn/products/3ds-max/overview
ZBrush
ZBrush 是 Pixologic 公司开发推出的一个数字雕刻和绘画软件，一种极其高效的建模器。设计师可以通过手写板或者鼠标来控制 ZBrush 的立体笔刷工具，随意将脑中的形象雕刻成实物，至于拓扑结构、网格分布一类的繁琐问题都交由 ZBrush 在后台自动完成。它进行了相当大的优化编码改革，还可以实时的进行不断的渲染和着色。它将三维动画中间最复杂最耗费精力的角色建模和贴图工作变得简单，能够轻易塑造出皱纹、发丝、青春痘、雀斑之类的皮肤细节，包括这些微小细节的凹凸模型和材质，真正实现从 2D 到 2.5D 的转变。
官网入口：http://www.zbrushcn.com/core.html
作为一款商业软件，这三类三维制作软件都是收费的， 且正版购买费用并不低，但它们的公司也鼓励将其旗下的产品用于教育，以教育为目的来购买产品可联系其经销商获取教育优惠，且 Autodesk 公司对学生提供三年免费使用许可期，学生可充分利用时间进行学习实践。
遗憾的是，我至今未通过官方路径安装这三个软件。大二时，我以选修《三维动画制作技术》这门课为契机第一次接触 Maya 软件，那时 Maya 官网还未给学生提供三年免费使用许可，仅有对所有潜在用户适用的30天免费试用期，为了能完成该门选修的作业顺利结课，我还是选择从官网下载软件，从网络搜索序列号破解。后来，我又选修了《影视动画与特效》，学习了 3ds Max 和 ZBrush 的运用，同样使用了搜索序列号破解的方式。现在，Autodesk 公司为教育事业的进步，免费为学生提供充足的时间去学习使用它，有了这个保证，我建议想学习这方面技术的同学走官方渠道获取这些软件的使用许可。
三、版本发布
| Maya | 从1998年2月发布了 Maya 1.0之后，Maya 软件一直在不断更新，到2018年9月 Maya 发布了其最新版本 Maya 2018.4 |
| 3ds Max | 1996年4月，3D Studio MAX 1.0 诞生；期间，3ds Max 不断发展，到2018年 3ds Max 发布了其最新版本 3ds Max 2019.2 |
| ZBrush | 1999年11月，ZBrush 首次亮相，2004年4月， 发布2.0版本，2010年8月，发布4.0版本，目前更新到 ZBrush 4R8 版本 |
四、功能对比
| 软件名称 | Maya | 3ds Max | ZBrush |
| 建模 | 多边形建模、对称建模、曲面建模、雕刻工具集、OpenSubdiv 细分 | CAD 导入、创建几何体、网格和曲面建模、样条线修改器、数据通道修改器 | 动态网格体生成工具、ShadowBox 遮罩建模、ZSphere 模型、参数化调整、曲线雕刻、抛光功能 |
| 材质 | 平面纹理、凹凸贴图 | 常用材质（陶瓷、混凝土、硬木等）、 “Arch & Design” 通用材质、Mental Ray 专用材质、Slate 材质编辑器。 | 表面噪波生成器、MicroMesh（微体网络）、材质着色 |
| 纹理 | 浮雕、真实反射、大气、2D 和 3D 贴图、矢量置换贴图、程序物质纹理 | 在 Fusion 360 中用程序创建纹理、混合框贴图 | UV 贴图、Projection Master 帮助用笔刷进行纹理绘制 |
| 布料 | nClothShape 属性编辑器、基于PhysX的布料解算系统 | mCloth 修改器 | 网格生成、曲线雕刻 |
| 毛发 | XGen 线条修饰 | “Hair 和 Fur” 修改器 | 纤维网格功能 |
| 动力学 | Birost 液体仿真、自适应流体仿真、刚／柔体仿真、粒子系统、可变形材质仿真、头发修饰工具 | 空间扭曲对象、粒子系统、3ds Max Fluids | 无 |
| 渲染 | sdk 提供的 OpenGL、direct 3D 着色器插件、Mental Ray 渲染器插件和 Arnold 渲染器插件，批渲染、交互方式渲染 | 曝光控制、网络渲染、批处理渲染、命令行渲染、交互式渲染、VR 可视化效果 | BPR渲染系统 |
| 照明 | Arnold 渲染器中灯光添加至渲染层 | 照明分析助手、Arnold 渲染器中灯光自带 | 映射上色、光线跟踪 |
| 相机跟踪 | 快照模式，手动设置相机，提供镜头、焦距、景深功能 | 物理摄像机、 手动设置相机 | 无 |
| 骨骼绑定 | 刚性蒙皮绑定、平滑蒙皮绑定、“测地线体素”绑定、Biped 骨架 | CAT 工具、Character Studio 工具、碎步玩偶、Biped 和群组动画工具、“测地线体素”绑定、热量贴图蒙皮 | 无 |
| 动画 | 常规动画工具集、时间编辑器、混合形变变形器（面部动画） | Max Creation Graph 动画控制器、动画约束、运动混合器、关联参数、MassFX 工具、常规动画工具、导入模拟数据设置动画 | 无 |
| 脚本和API | Maya 嵌入式语言 (MEL)、Python 脚本语言 | Python/.NET 工具组合 | 无 |
Maya 作为视觉设计领域中最为流行的顶级三维动画软件，其主要利用多边形建模工具，为动画制作提供了模拟、效果、动画、建模、着色渲染和特效等功能。同 3ds Max 相比，Maya 软件主要应用于动画片制作、电影制作、电视栏目包装、电视广告、游戏动画制作等。作为高端的 3D 制作软件，其使用者需具备一定的美术功底和对生物骨骼结构的理解要达到一定深度。Maya 提供的动力学系统使动画的世界更加真实，其渲染精度可达电影级，高端的蒙皮技术和骨骼绑定技术使得角色动画的实现更加容易，是电影、电视、游戏等领域开发、设计、创作的不二选择。
3ds Max 软件提供的 CAD 导入模式，方便的模型导入和导出操作，使得用户在面向建筑动画，建筑漫游及室内设计等方面的工作变得更加得心应手。作为中端 3D 制作软件，它易学易用，使用门槛较低，即使美术功底相对薄弱，也能够快速上手。
ZBrush 是一款基于 ZSphere 球的用笔刷来雕刻模型的绘制工具，它的特点是在 2D 绘图手法不变的基础上用计算机构建三维的立体模型，但由于其缺乏摄像机和动画模块的内容，不能构建相机的运动路径，不能从360度视角真实地观察这个立体模型，而只能渲染一面，故其生成的只能算是伪三维模型，又叫 2.5D 模型。ZBrush 实现的是 2D 到 2.5D 世界的转变。因为其本质上还是用笔刷进行绘图，其潜在用户需要有较强程度的美术功底。
这三个软件在基本功能上有所重叠，但又有各自的侧重点，像 Maya 侧重于角色的骨骼绑定、动力学仿真和动画的连贯输出，3ds Max 则侧重于大型场景的模型构建，而 ZBrush 则侧重于对物理模型的细节雕刻，每一个软件都有其存在的意义，因为三维构建技术本来就不是一个软件就可以搞定的事儿，有针对性地选择趁手的工具就行。
五、软件应用
通过《三维动画制作技术》这门课，我用 Maya 做出了一个一分钟左右的动画短片，包括动画环境的搭建、人物模型的构建、人物的蒙皮处理和骨骼绑定，最后调整动画参数和摄像机的运行轨迹逐帧渲染出作品；通过 3ds Max 搭建大型三维立体场景导出模型后，导入到 VRML 程序中制作了特定场景三维虚拟漫游程序，还可作为游戏场景导入到 Unity 3D 进行三维游戏的开发；ZBrush 则帮助我更好地进行人物三维原型设计。
图为用 3ds Max 搭建大型建筑场景
图为用 Maya 完成人物蒙皮和骨骼绑定
六、改进
三维制作技术是依托于计算机软硬件技术的发展而产生的，它运用了大量的图形图像处理技术的知识，其操作速率严重依赖于 GPU 技术的提升和优化。现在看来，渲染图像需要花费的时间开销还是相当巨大，一个一分钟的短动画需要大约 2 个小时进行渲染输出，这方面还有很大的进步空间。且输出的内容为图片序列，我需要将图片序列导入视频处理软件手动连接后导出视频格式，才算制作完最终的短动画效果。如果这些软件能自动后台处理该步骤，将减少不必要的人工投入。