3D建模与处理软件简介

http://blog.sina.com.cn/s/blog_d185e9fb0101jawx.html，原文作者

 【前言】自半年前笔者发表博客“什么是计算机图形学”以来，时常有人来向笔者询问3D模型的构建方法与工具。笔者的研究方向是以3D技术为主，具体包括3D建模，3D处理及3D打印三个方面，在3D建模与处理方面从事了十多年的研究，接触过很多3D相关的软件，在这方面有些经验。因此，特撰写此文，以帮助我们的学生及关注3D技术的人了解3D建模和3D技术。本文仅仅为笔者根据自己的经验对3D建模与处理软件浅薄的理解，不涉及对技术的深入讨论，是非学术性的。因此，笔者尽量尝试用通俗的语言介绍一下各种3D建模的软件和工具，以帮助还未接触3D技术的学生来了解这些工具，以便在今后的科研和工作中能够选择合适的3D工具。笔者对本文的有些内容的理解也是很有限的，值得进一步的学习和交流。有不当之处，还请读者谅解指正。

一、    专业3D建模软件

1.       3DS Max

        美国Autodesk公司的3D Studio Max（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3DS Max来构建模型。网上关于3DS Max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3DS Max，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Robert McNeel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.       Cinema 4D

        Cinema 4D (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3DS Max、Maya和Softimage等3D建模和动画专业软件。3DS Max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 (Auto Computer-Aided Design)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Dassault Systems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Dassault Systems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.       UG NX

        UG NX由美国Unigraphics Solutions (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UG NX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(Parametric Technology Corporation)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(Sculpturing modeling)，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Siggraph Asia 2013的论文“Cost-effective Printing of 3D Objects with Skin-Frame Structures”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(quad mesh)，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(edge flow)。我们Pacific Graphics 2010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(base mesh)，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Siggraph 1999年的Teddy，到Siggraph 2006年的SmoothSketch，Graphics Interface 2007的Magic Canvas，Siggraph 2007年的FiberMesh，SigCHI 2010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“Modeling by Drawing with Shado

来源：gebilaowanglalala