清华大学出版社

《Maya基础与游戏建模》以**版本Autodesk Maya 2022为基础，适应当前各大高校及职业院校的主流课程专业安排与行业内部的**软件使用方向。书中通过对软件基本操作、Polygon建模、UV拆分、材质与贴图绘制、ZBrush雕刻、法线烘焙及模型拓扑7个部分的充分讲解，由浅入深地让初学者了解了Maya软件的大致功能和未来发展趋势；通过对不同类型模型的制作，让读者了解Maya的工作流程，对三维模型制作产生兴趣，以案例为主导，兼顾对软件内各插件用法的说明，并提供了重点步骤的视频教学与相关工程文件材料，方便师生使用。

序 目前，我国普通高等学校及中高等职业院校的设计艺术学专业以及高等艺术院校都开设了三维动画游戏设计专业。同时，在动画游戏专业框架下又衍生出若干分支，其中大部分课程均以学习操作三维软件为主。Autodesk 3ds Max、Autodesk Maya、Cinema4D这三种三维软件是目前各院校的主流教学软件，同时也被动画和游戏行业所广泛采用。虽然现在学习三维软件的人越来越多，行业需求量也与日俱增，但是市面上能见到的相关教材数量并不多，大多Maya教材版本陈旧，不能适应时代发展的需要，为初学者打开Maya之门带来了一定的困难。相比之下，互联网的发展和普及为各种视频教学资料的迅速传播创造了有利条件：诸如哔哩哔哩弹幕网（B站）、优酷视频、腾讯视频等视频网站上的课程资源还是比较丰富的。但是在教辅用书方面，国外的情况要比我国好许多。各种软件书籍琳琅满目，初学者有较大的选择空间。同时，Lynda、Digital-tutors等视频网站专门提供软件的教学服务，但这类视频都是全英文教学，对初学者的英语水平要求较高。虽然目前人们的选择余地多了，但是以书本形式来讲解操作过程的新版教材还亟待出现。鉴于此种情况，笔者编写了这本Maya软件的基础与游戏模型建模教材，主要讲解该软件及第三方软件、插件中的一些常用工具和操作步骤，力求为初学者了解该软件的用法提供帮助。 本教材通过对软件基本操作、Polygon建模、UV拆分、材质与贴图绘制、ZBrush雕刻、法线烘焙及模型拓扑这七个部分充分讲解，由浅入深地让初学者了解Maya软件的大致功能和未来发展趋势。通过对不同类型模型的制作，让学生在了解Maya工作流程的同时，对三维模型制作产生兴趣，调动学习积极性。 本书具有四大特色： 第一，通过实例讲解各种工具的用法。Maya软件在三维软件行业中属于操作比较复杂的综合性软件，它整合了三维动画游戏制作与渲染的诸多功能，通过模块间的相互配合来实现工作者想要的效果。目前市面上的教材多为工具书，即把所有工具和命令单独罗列出来。这样单纯地罗列知识点的方式既枯燥又不能有效地让读者快速掌握操作原理。本书则是从制作完整案例流程出发，以其中所涉及的相关工具和命令的操作步骤来详细解读操作理论。这样既可以避免单独介绍工具带来的无聊感，又能够在做模型的同时了解工具的用法，对建模工作流程产生一个相对直观的印象。 第二，第三方软件及插件的用法讲解。目前任何一款三维软件都会搭配一些辅助软件来进行工作，Maya也不例外。建模流程中需要的软件主要有Adobe Photoshop、Substance Painter、ZBrush、CrazyBump、Marmoset Toolbag等。其中Photoshop为纹理贴图绘制软件，可在平面空间绘制贴图；Substance Painter为基于物理的渲染（Physically-Based Rendering, PBR)贴图绘制软件，可在三维空间绘制贴图；ZBrush为2.5D雕刻软件，可直接雕刻高模（面数较多的模型）或将低模转换成高模；CrazyBump为法线贴图转换软件，可对原有贴图进行法线、置换、环境闭塞、高光以及颜色贴图的转换；Toolbag为材质编辑、渲染、动画编辑预览软件，可以烘焙高质量的PBR纹理贴图。另外，非必要性插件的讲解也是本书一大特色。涉及的插件有拓扑插件ziRail和减面插件polygonCruncher。最后，还介绍了Arnold渲染器，Arnold是一款Maya自带的渲染插件，在模型最终完成时，渲染整体效果就需要用到Arnold。总之，在使用Maya的同时，通过第三方软件来完成整个流程的制作，从而达到意想不到的效果是必须的。同时，第三方软件在整个工作流程中起到的作用也是Maya无法替代的。 第三，配合视频与课件跟着做。本书的配套视频课件通过扫描二维码下载。其中，视频教程按照每章的内容命名，课件为每章的工程文件（工程文件配套教材的第3章到第9章）。鉴于初学者没有软件基础，在每章文件包中给出了每一个制作阶段的模型，方便初学者校对。 第四，纳入“课程思政”元素，融入习近平新时代中国特色社会主义思想。书中从行业发展的角度出发，讨论三维游戏动画行业的专业素质培养问题，培养学生的职业素养及良好的行为习惯。就我国目前软件行业的发展现状进行讨论，思考我国自主研发各种软件的意义，弘扬民族主旋律。认识中华民族传统艺术审美精神，思考如何将传统中国元素融入模型贴图绘制中，强调模型制作应当在主题上传递正能量，树立学生的民族文化自信意识。 通过介绍传统展UV的插件，让学生意识到科技发展的速度，并分析现有插件的局限性，思考如何进行技术突破，实现民族振兴发展。借助第三方软件对高模进行拓扑，让学生了解实现目标的多种途径，从而转换固有思维，培养其发散性思考的能力。 就常用与不常用建模工具之间的关系进行思辨，思考其存在的意义。使学生对Maya的建模模块有一个全方位的认识，提高自主思辨能力。 操作类书籍往往容易忽略学习者遇到的许多特殊情况，例如某些工具打不开等，本教材针对该点设置了“注意事项”，罗列了每章的常见问题，方便初学者校对。 最后，本书的不足之处。首先，本书没有罗列出所有的命令，也没有对所有命令做过多详细说明，而是着重针对在建模过程中使用频率较高的工具进行阐述。另外，由于Maya软件的不断更新迭代，部分工具的操作方法仅仅适用于近期的版本。 鉴于时间仓促，水平局限，笔者在编写过程中难免会有疏漏，希望读者朋友们多多指正，提出宝贵的意见和建议，笔者会在今后的改版过程中逐一改进，谢谢大家。 韩 帆 2019年8月 概　述 Maya的发展历史 Maya软件是目前较好的三维动画游戏制作软件之一。强大的特效和动画功能，使其在业界长期处于无可替代的地位。它最早是由美国Alias | Wavefront公司在1998年推出的，该公司由Alias和Wavefront组合而成。Alias成立于1983年，位于加拿大多伦多市，由于最初的商业化程序与anti-alias有关，所以软件就叫Alias。1984年，Wavefront公司在美国加州成立，因创办者喜欢冲浪而得名。1995年两家公司合并，1998年研发出第一代Maya，工业光魔公司（Industrial Light and Magic）大量采购使之成为当时的主要CG特效制作软件，制作的影片包括《星球大战》《木乃伊》。随后，经过不断的升级，Maya参与制作了《玩具总动员》《精灵鼠小弟》《金刚》等脍炙人口的经典影片。2005年10月4日Autodesk公司花费1.82亿美元将其收购，而Maya 8.5则是被收购之后的版本，图1为Maya 2008和Maya 2010的启动界面。 图1 Autodesk是全球最大的图形设计软件公司，旗下的3D Max/Softimage XSI（2015年停产）同样是三维行业的常用软件。该公司不断收购拥有了目前几乎所有主流二维和三维图形设计软件（工程特效设计类），与Adobe公司共同垄断着整个图形软件行业。可以说，Maya归入Autodesk后，有了巨大的提升。随后推出的版本在影视广告、角色动画、电影特技等方面的功能更加完善，并且工作灵活、易学易用，制作效率极高、渲染真实感强。 Maya软件每年都会进行更新，通常是当年3月开始更新产品，目前最新版本是Maya 2023。值得一提的是2016版本（图2）。该版本同时推出了Motion Builder 2016和Mudbox 2016。前者专门为调动作和动态捕捉（Mocap）设计，后者是一款2.5D模型雕刻软件。可以说，2016版是Autodesk公司推出的罕见捆绑式软件。在随后推出的2017版中这两个软件则消失了。2016年之所以会有这两个软件出现，与该行业的工作流程有密切的关系。我们看到的电影动作特效一般有两种制作方式，K关键帧和动态捕捉。Maya自身有动画模块，它的自动关键帧等功能也十分强大，而动态捕捉系统有Open Stage、OptiTrack和Xsens Moven等知名品牌。Autodesk将Motion Builder 2016植入安装程序是为提高自己软件的使用率，让更多的人认识Motion Builder的优越性能。可惜捆绑式安装并没有达到预期理想，大部分用户还是会选择主流软件，Mudbox也同样如此，所以在2017版就取消了捆绑安装。 图2 Maya 2022在经过了前几代的迭代更新之后，已经变得十分强大且稳定了。相对于Maya 2018—Maya 2021而言，2022版的功能与用户界面没有过度调整，但对于第三方辅助软件的依赖程度越来越低了。例如，在展UV阶段，以前需要用UVlayout或者Unfold3D这样的第三方软件进行展开，过程中要将原模型导出OBJ格式，导入第三方软件展开后再导回来，现在的新版本将Unfold3D作为内置插件融合进来，方便了操作，提高了效率。 Maya的应用范围 目前Maya软件被很多三维设计者所青睐，因为它能够提供高效的建模、动画、特效和渲染功能。随着该软件的不断升级，它在未来的工作流程会更加便捷。另外Maya也被广泛应用于平面设计领域。因为其强大的渲染能力使得三维与二维的边界开始变得模糊。其主要应用的商业领域如下。 1.广告、产品设计、平面设计辅助 三维图像设计与平面设计在当今时代已经完美地融合在了一起。很多设计师在设计产品时都会先在Photoshop中画出二维概念稿，然后在Maya软件中将其三维化，如图3所示。一幅作品，无论是平面的还是三维的，现在我们很难说它到底是用什么软件做出来的。但可以肯定的是Maya在二者转化之间发挥着重要的作用。在广告领域里Maya也得心应手，它的FX特效模块集合当前如粒子、动力学、流体、布料、破碎、特效材质等一系列最常用的功能。在制作洗发水或牛奶广告时，一些液体的运动效果在现实拍摄中难以捕捉，Maya就能够利用Realflow插件和ZBrush将其完美地表现出来，如图4所示。又如某张电影海报招贴画，卡通效果往往是在ZBrush中制作后放入Maya中渲染，再由PS美化完成。可以说，Maya在这些领域里起到了至关重要的作用，在未来的行业发展中会更加明显。 　　　　　　　　　　　　图3 　　　　　　　　　 图4 2.电影特效 Maya在电影特效方面的应用更加广泛。可以说，大部分好莱坞特效电影里面都有Maya的身影。其中，最早使用Maya的是著名的《星球大战》系列（图5）。由于当时电影特效这个概念还不被人们所熟知，该电影的出现使得全球兴奋不已，出现万人空巷的局面。由乔治·卢卡斯创办的工业光魔公司（图6）也成为了当时为数不多的电影特效制作公司。虽然现在影视特效技术已经普及，制作公司也开始逐渐增多，如著名的维塔数码公司（图7）（彼得·杰克逊创办）、数字领域（图8）（詹姆斯·卡梅隆创办），但是工业光魔的老大哥地位仍然是无法动摇的。众多好莱坞大片对Maya特别情有独钟，无论是早期的《侏罗纪公园》系列、《异形》系列、《木乃伊》系列、《哈利·波特》系列，还是后来的《指环王》系列、《加勒比海盗》系列和《变形金刚》系列等，无一例外都用到了Maya。当然，这些特效公司在制作过程中并非都使用Maya，一般情况下是用自己开发的软件制作特殊的效果，最后在Maya中进行合成。在这一过程中产生出的强大的插件最后被整合到Maya中，其技术在电影领域的应用越来越趋于成熟。值得一提的是2005年中国内地电影史上第一部三维动画电影《魔比斯环》就是用Maya制作的。其耗资超过1.3亿元人民币，由400多名动画师历时五年精心打造而成。同时，于2016年9月30日上映的《爵迹》，也是中国第一部全CG真人动画电影，也是由Maya制作完成。在这里还要说一下三维动画电影制作，著名的皮克斯公司的前身是乔治·卢卡斯的电影公司的电脑动画部。1986年，史蒂夫·乔布斯以1000万美元将其收购，成立了皮克斯动画工作室，之后于2006年被迪士尼以74亿美元收购。该公司在创办之初还没有Maya软件，计算机科学家艾德·卡特莫尔（图9）和其他技术员共同研发电脑制作合成系统，开发出了皮克斯独有的CG制作系统，也为后来计算机图形学的发展打下了坚实的基础。现在，皮克斯运用自己改良后的Maya来制作模型和流体等，最后在自己的渲染系统中渲染。 图5 图6 总之，Maya软件最为强大并且独到的应用领域就是电影特效。可以说，其他领域都有相关软件可以代替，但唯独在特效领域它是无法替代的，这也是Maya在不断发展壮大的过程中一直保持行业霸主地位的原因所在。 　　　　 　　　　　 图7 　　　　　　 图8 　 图9 3.游戏设计 Maya在游戏设计领域的应用可谓是“后来者居上”。在电脑三维游戏刚刚起步的时候，3D Max是该行业的领军者。1990年，Max的前身3D Studio成立，专门负责研发三维制作软件，直到1996年其第一个版本诞生，说它是Maya的老大哥也不为过。由于出现得早，当时没有其他可以制作3D模型的软件选择，所以该软件长期垄断游戏设计领域。直到2005年Maya 8.0诞生，3D Max在该领域的霸主地位才开始动摇。随着Maya的不断发展，其建模模块日趋完善，越来越多的人开始知道原来它也可以做游戏，Maya才真正进入人们的视野里。现在，3DMax在建筑装修和产品设计领域发展出独特的功能，逐渐转向这类工业设计领域，而Maya在游戏设计方面通过不断整合各种插件成为该行业的首选。 目前，该软件的雕刻、细分、UV、肌肉插件、MASH节点等功能的发展日趋完善，为游戏开发提供了强有力的帮助。从目前游戏行业的发展状况来看，Maya仍然是市场的主要部分。随着新设备的不断推广，手游、平板电脑以及VR技术逐渐占领未来游戏终端平台，但无论相关硬件设备如何发展，模型制作仍然是整个行业的重要基石。而Maya软件强大的建模功能则是该行业的基础。同时不得不提的，就是现在主流游戏模型制作软件ZBrush，如图10所示。2013年在育碧公司研发的一款Wii U平台游戏《僵尸U》的制作流程中可以看到，该类游戏采用Goz制作方式，即在Zbrush里将角色分精度雕刻细节后将初始精度模型导入Maya，拆分UV、烘焙法线贴图、AO贴图等，然后再加上细节贴到Maya模型上，最后导入游戏引擎中。目前多部分主机（次世代）游戏的制作流程基本类似，ZBrush雕刻技术反映出行业的最高制作水平。索尼公司在PS4平台上推出的次世代游戏《战神4》就是该技术的代表作。在上文中提到的MudBox（图11）也是一款类似的2.5D雕刻软件，在早期的高精度游戏制作中经常看到，现在用的人已经不多了。 　　 　图10 　　　　　　　　 图11 4.3D打印与手办制作 3D打印（3D Printing，3DP）即快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，如图12所示。目前一般3D打印机可识别的格式为STL。早年3D Max是生成该格式的首选软件，Maya模型需要由OBJ格式在3D Max中转成STL格式。2018版本后Maya自带了STL导出功能，能够直接在Maya和3D打印软件（Cura、Craft Ware、Autodesk 123D等）之间切换，实时修改模型比例，方便实用。同时，ZBrush 4R7也提供STL导出，这就为手办爱好者制作模具提供了极大的便利。目前，手办模型制作行业开始流行在ZBrush中雕刻模型零件，如sideshow、拆盒网以及上海优塔数码（图13）等手办公司，他们在制作手办时会找模型师在ZBrush中设计造型，然后在3D打印机中将这些零件打印出来。涂装后，拿到工厂翻模，这样做不仅提高了工作效率，还能更加直观地看到手办在制作之前的大概面貌，为手办的修改和上色等流程提供了极大的便利。 　　　　　 图12 　　　 　 　 图13 总之，Maya的应用范围还有很多，凡是与三维沾边的领域它多少都能涉及一些，笔者就不再一一列举。未来Maya的发展会给三维领域带来新的活力，我们拭目以待。

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