3D建模与处理软件简介
3D建模與處理軟件簡介
劉利剛
中國科技大學(xué)
http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu
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【前言】自半年前筆者發(fā)表博客“什么是計算機(jī)圖形學(xué)”以來，時常有人來向筆者詢問3D模型的構(gòu)建方法與工具。筆者的研究方向是以3D技術(shù)為主，具體包括3D建模，3D處理及3D打印三個方面，在3D建模與處理方面從事了十多年的研究，接觸過很多3D相關(guān)的軟件，在這方面有些經(jīng)驗(yàn)。因此，特撰寫此文，以幫助我們的學(xué)生及關(guān)注3D技術(shù)的人了解3D建模和3D技術(shù)。本文僅僅為筆者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對3D建模與處理軟件淺薄的理解，不涉及對技術(shù)的深入討論，是非學(xué)術(shù)性的。因此，筆者盡量嘗試用通俗的語言介紹一下各種3D建模的軟件和工具，以幫助還未接觸3D技術(shù)的學(xué)生來了解這些工具，以便在今后的科研和工作中能夠選擇合適的3D工具。筆者對本文的有些內(nèi)容的理解也是很有限的，值得進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和交流。有不當(dāng)之處，還請讀者諒解指正。
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一、???????????專業(yè)3D建模軟件
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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?yàn)槠鋸V泛性，它的插件也很多，有些很強(qiáng)大，基本上都能滿足一般的3D建模的需求。我們的學(xué)生也需要經(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。
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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（這兩個軟件在我讀博時就非常有名，當(dāng)時就代表了最先進(jìn)的動畫及數(shù)字技術(shù)，我曾用過Wavefront）。相比于3DS Max，Maya的專業(yè)性更強(qiáng)，功能非常強(qiáng)大，渲染真實(shí)感極強(qiáng)，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)。我們的學(xué)生也經(jīng)常用Maya來制作和渲染3D模型，生成漂亮的渲染結(jié)果放在論文中。
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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(qiáng)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。
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4.???????LightWave
LightWave是美國NewTek公司開發(fā)的一款3D動畫制作軟件，具有悠久的歷史，我在讀博時曾接觸過。它的功能非常強(qiáng)大，特別是在生物建模和角色動畫方面功能異常強(qiáng)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。
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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(qiáng)大的，特別是在創(chuàng)建NURBS曲線曲面方面功能強(qiáng)大，也得到很多建模專業(yè)人士的喜愛。在與上海造船廠研究所的合作項(xiàng)目中，我們用Rhino來進(jìn)行船體曲面的NURBS建模和修改，非常方便靈活。
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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。
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7.???????Creator
MultiGen-Paradigm公司開發(fā)的Creator是專門創(chuàng)建用于大型3D虛擬仿真的實(shí)時三維模型的軟件。其強(qiáng)大之處在于管理3D模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，使得輸入、結(jié)構(gòu)化、修改、創(chuàng)建原型和優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫非常容易。前幾年與一家從事數(shù)字城市的公司合作時我們就用Creator快速創(chuàng)建大量的城市建筑模型，并且生成數(shù)據(jù)庫來管理這些模型，還是相當(dāng)?shù)姆奖恪?/p>
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注：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(qiáng)于前者。我們的學(xué)生用Maya的相對多些，包括建模，渲染和動畫制作。Softimage和LightWave在3D動畫方面表現(xiàn)強(qiáng)大。Rhino對NURBS曲面的支持更好。Creator適合于構(gòu)建大量的3D模型并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理和修改。
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二、???????????CAD建模和產(chǎn)品設(shè)計軟件
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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(diǎn)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。大家買房時看的房型圖大部分都是用AutoCAD來做的。
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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(xiàng)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(shí)體造型和曲面設(shè)計的功能非常強(qiáng)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。
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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。SolidWorks在杭州有專門的研發(fā)機(jī)構(gòu)，我有個學(xué)生碩士畢業(yè)后在那里進(jìn)行研發(fā)工作。
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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。現(xiàn)在西門子公司在上海有專門的研發(fā)機(jī)構(gòu)對UG NX產(chǎn)品進(jìn)行升級完善，我有2個學(xué)生博士畢業(yè)后在那里負(fù)責(zé)產(chǎn)品的開發(fā)和維護(hù)。
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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(dú)特的功能，在模具設(shè)計與制造方面功能強(qiáng)大，機(jī)械行業(yè)用的比較多。
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注：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(qiáng)，在網(wǎng)上很容易能找到它們的相關(guān)資料。
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三、???????????3D雕刻建模軟件：筆刷式高精度建模軟件
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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。
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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。
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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。
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3.???????MeshMixer
最近，Autodesk公司又開發(fā)出一款筆刷式3D建模工具M(jìn)eshMixer，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，值得關(guān)注。我們Siggraph Asia 2013的論文“Cost-effective Printing of 3D Objects with Skin-Frame Structures”也給出了一種為3D打印加盡可能少的支撐材料的新算法（詳見我的博文“經(jīng)濟(jì)節(jié)約型的3D打印技術(shù)”），該算法也是具有較好的市場前景，我們也在努力進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。
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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。
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注1：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?yàn)樗倪呅尉W(wǎng)格的邊更能反應(yīng)物體表面的流線方向(edge flow)。我們Pacific Graphics 2010的一篇論文B-mesh，就是在建模過程中同時生成具有良好流線方向的四邊形基網(wǎng)格(base mesh)，然后直接可以導(dǎo)入到這些雕刻軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)節(jié)雕刻建模。
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注2：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。
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四、???????????基于草圖的3D建模軟件
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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(diǎn)建模方法之一。這方面的研究論文有很多，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，我們也提出一種基于陰影引導(dǎo)的草圖交互的3D建模的技術(shù)“Modeling by Drawing with Shadow Guidance”，從已知的模型數(shù)據(jù)庫中提取信息來引導(dǎo)用戶的筆劃交互，能構(gòu)建更為精準(zhǔn)的3D模型，該工作發(fā)表在Pacific Graphics 2013上。
雖然在科研上提出了很多基于草圖的3D建模技術(shù)，但是至今仍未能有比較成熟的商業(yè)化的軟件出現(xiàn)，可能是因?yàn)橐斫獠煌脩舻膭澗€和草圖還是一件比較困難的事情。對于一些比較規(guī)則的物體，比如建筑、家具等人造物體，這種方式相對可行些，比如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。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(fèi)。
最近國內(nèi)出了一款叫做“EasyToy”的采用草圖式的3D建模軟件，適用于卡通動漫形象與玩具的設(shè)計。但我還沒有試用過，不知用戶體驗(yàn)如何。另外，日本東京大學(xué)的Takeo Igarashi教授也發(fā)布了一些基于草圖式的3D建模系統(tǒng)，比如Teddy，在其主頁上可以下載到。
另外，值得一提的是，基于草圖的交互方式在現(xiàn)在正在興起的Web3D建模領(lǐng)域會有新的廣闊空間。Web3D建模在稍后會介紹。
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五、???????????基于照片的3D建模軟件
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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，最近有些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(shí)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。
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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(fèi)的。
(1)????Autodesk 123D是一款免費(fèi)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(diǎn)，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(qiáng)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(shí)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(shí)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(diǎn)像3D打印的雛形。目前123D Make只有Mac版的。
(4)????Autodesk 123D Sculpt是一款運(yùn)行在iPad上的3D雕刻軟件（前面已介紹過），通過繪畫的方式在模型上雕刻幾何細(xì)節(jié)。
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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(shí)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)。
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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。其基本原理來自于Siggraph 2006的論文“Photo Tourism: exploring photo collections in 3D”及其他相關(guān)論文。
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注：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(diǎn)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?yàn)槿巳硕加惺謾C(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，可以參看我們的Siggraph 2011的論文。
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六、???????????其他3D建模軟件
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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。
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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(shí)現(xiàn)三維建模，縮短了三維GIS系統(tǒng)的建設(shè)周期。該軟件的核心技術(shù)是Siggraph 2001的論文“Procedural Modeling of Cities”及其他相關(guān)論文，早期是ETH Zurich大學(xué)的Pascal Mueller研究小組創(chuàng)辦的Procedural公司開發(fā)的，后被Esri公司收購。
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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(fèi)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。
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4.???????網(wǎng)頁3D (Web3D)建模工具
最近，出現(xiàn)了一些基于網(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。比如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。
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七、???????????虛擬現(xiàn)實(shí)軟件和平臺
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虛擬現(xiàn)實(shí)軟件本質(zhì)上不是用于3D建模的，而是用來對生成好的3D模型和場景提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等虛擬的模擬，讓用戶如同身歷其境一般。相關(guān)軟件也有很多，這不是本文的重點(diǎn)，只大致提及幾個比較常見的。
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1.???????VirTools和Quest3D
法國VirTools公司的VirTools和美國Act-3D公司的Quest3D都是元老級的虛擬現(xiàn)實(shí)制作軟件，簡單來說，就是工業(yè)或游戲用的實(shí)時圖形渲染引擎，是3D虛擬和互動技術(shù)的集成工具。可以讓沒有程序基礎(chǔ)的美術(shù)人員利用內(nèi)置的行為模塊快速制作出許多不同用途的3D產(chǎn)品，如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)游戲、多媒體、建筑設(shè)計、交互式電視、教育訓(xùn)練、仿真與產(chǎn)品展示等?。網(wǎng)上的學(xué)習(xí)資料比較多。
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2.???????Unity3D (U3D)
Unity Technologies開發(fā)的Unity3D (U3D)是最近幾年冒出來的新秀，是一個全面整合的專業(yè)虛擬3D和游戲引擎。它在制作虛擬現(xiàn)實(shí)及3D游戲方面上手非常容易，操作簡單，互動性好，有強(qiáng)大的地形渲染器。我們的學(xué)生使用U3D可以很快地制作一個3D游戲，因此也強(qiáng)烈推薦大家學(xué)習(xí)使用。
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3.???????Vega
Vega是MultiGen-Paradigm公司開發(fā)的用于實(shí)時視覺模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開發(fā)引擎，提供很多的C/C++語言的應(yīng)用程序接口API，結(jié)合其應(yīng)用程序的圖形用戶GUI界面軟件LynX，可以迅速創(chuàng)建各種實(shí)時交互的3D環(huán)境。對于開發(fā)3D游戲和3D場景漫游的項(xiàng)目非常方便。
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4.???????OSG (Open Scene Graph)
OSG (Open Scene Graph)是一套開源的基于C++平臺的應(yīng)用程序接口API，能夠讓開發(fā)者快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。它將3D場景定義為空間中一系列連續(xù)的對象，能夠?qū)?D場景進(jìn)行有效的管理。由于OSG是開源和完全免費(fèi)的，很多3D應(yīng)用的軟件都選用OSG作為基礎(chǔ)架構(gòu)。幾年前，我們與一個公司合作開發(fā)的義齒軟件就選用OSG作為管理3D數(shù)據(jù)的框架，使得開發(fā)非常方便。
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5.???????其他
其他的一些用于3D應(yīng)用程序開發(fā)的軟件開發(fā)包(SDK)或API還有GLUT(OpenGL Utility Toolkit), OpenGL Performer, CG2 VTree, Quamtum3D Mantis等。有興趣的讀者也可以去了解一下。
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注：相比于十年前，由于有了上述開發(fā)平臺和開發(fā)包，現(xiàn)在開發(fā)一個看起來還比較cool的3D應(yīng)用程序或游戲不是那么困難，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和3D應(yīng)用不斷滲入到各行各業(yè)，相信以后會更加方便。
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八、???????????開源3D網(wǎng)格處理庫
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1.???????PCL (Point Cloud Library)
Point Cloud Library (PCL)是一個獨(dú)立的大型跨平臺的處理二維/三維圖像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的C++模板庫，它基于許多第三方庫，比如Boost、Eigen、FLANN、VTK、CUDA、OpenNI、Qhull等，實(shí)現(xiàn)了大量點(diǎn)云相關(guān)的通用算法和高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，涉及到點(diǎn)云獲取、濾波、分割、配準(zhǔn)、檢索、特征提取、識別、追蹤、曲面重建（包括Poisson重建算法）、可視化等。早期的PCL是由Dr. Radu Bogdan Rusu在德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)讀博士期間開發(fā)的，目的是要為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的研究及應(yīng)用，建立出一個共同的基礎(chǔ)架構(gòu)。另外，PCL利用OpenMP、GPU、CUDA等先進(jìn)高性能計算技術(shù)，通過并行化提高程序?qū)崟r性。集成了Kinect Fusion重建算法。有人將其地位比喻為3D的OpenCV，足以可見其對3D的開發(fā)和研究的重要性，我們的學(xué)生在科研過程中經(jīng)常用到PCL。
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2.???????CGAL (Computational Geometry Algorithms Library)
CGAL是一套開源的C++算法庫，提供了計算幾何相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，諸如三角剖分（2D約束三角剖分及二維和三維Delaunay三角剖分），Voronoi圖（二維和三維的點(diǎn)，2D加權(quán)Voronoi圖，分割Voronoi圖等），多邊形，多面體（布爾運(yùn)算），網(wǎng)格生成（二維Delaunay網(wǎng)格生成和三維表面和體積網(wǎng)格生成等），幾何處理（表面網(wǎng)格簡化，細(xì)分和參數(shù)化等），凸殼算法，搜索結(jié)構(gòu)（近鄰搜索，kd樹等），插值，形狀分析，擬合等。CGAL功能強(qiáng)大，是我們學(xué)生做科研的必備程序庫之一。
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3.???????MeshLab
MeshLab是一個開源的處理三角形網(wǎng)格的C++算法庫，提供了三角網(wǎng)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，諸如曲面重建、編輯、修復(fù)、光順、編輯等算法。MeshLab也是我們學(xué)生做科研的必備程序庫之一。
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4.???????其他開源網(wǎng)格處理庫
OpenMesh：由德國RWTH Aachen大學(xué)的Leif Kobbelt研究小組開發(fā)的C++網(wǎng)格處理庫
Libigl:?由瑞士Ethz大學(xué)的Olga Sorkine研究小組開發(fā)的C++網(wǎng)格處理庫
Trimesh：有美國Princeton大學(xué)的Thomas Funkhouser研究小組開發(fā)的C++網(wǎng)格處理庫
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5.???????網(wǎng)格剖分(Delaunay)與生成庫
Triangle, NetGen：平面三角網(wǎng)格生成庫
TetGen, Stellar：空間四面體網(wǎng)格生成庫
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注：這里列出了幾個主要的網(wǎng)格處理的C++代碼庫，我們的學(xué)生在學(xué)習(xí)和科研的過程中會經(jīng)常用到它們。當(dāng)然，網(wǎng)上還有其他的各種算法庫，對我們的科研和開發(fā)都是非常有用，我們有時也會用到，這里就不再詳述。
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九、???????????基于掃描（逆向設(shè)計）的3D建模軟件
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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(diǎn)云來重建三維模型的工作在最近幾年的Siggraph(Asia)上能常見到，比如我們Siggraph Asia 2010，Siggraph 2013等的工作。最近幾年產(chǎn)生了許多基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模與處理（或逆向工程和設(shè)計）的軟件，而且各種掃描設(shè)備的生產(chǎn)廠商也會發(fā)布相應(yīng)的點(diǎn)云重建的軟件。
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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(diǎn)：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(dú)立的應(yīng)用程序運(yùn)用于快速制造，或者作為對CAD軟件的補(bǔ)充。是我們學(xué)生科研的必備軟件之一。
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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(yùn)算模式，可實(shí)時將點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)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。我們購買的Konica Minolta?的激光掃描儀Range 7就是用RapidForm來進(jìn)行逆向設(shè)計。我們SGP 2010的ARAP參數(shù)化算法作為目前為止最好的參數(shù)化算法之一，被集成到了RapidForm軟件中。
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3.???????ReconstructMe
ProFactor公司開發(fā)的ReconstructMe是一個功能強(qiáng)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(shí)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。我們嘗試過，效果還可以。ReconstructMeQt提供了一個實(shí)時三維重建利用ReconstructMe SDK（開源）的圖形用戶界面。
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注：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(shí)時3D?掃描。
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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(yàn)館掃描物體的首選產(chǎn)品。我試用過Artec Eva后感覺還是需要較多的技巧才能掃描好物體，而且后期需要用軟件進(jìn)行較多的處理，比如數(shù)據(jù)的去噪、修復(fù)、光滑、補(bǔ)洞等。
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(bǔ)漏洞、清理數(shù)據(jù)、進(jìn)行測量、導(dǎo)出數(shù)據(jù)等。不確定它是否也使用了Kinect Fusion算法。
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5.???????PolyWorks
PolyWorks是加拿大InnovMetric公司開發(fā)的點(diǎn)云處理軟件，提供工程和制造業(yè)3D測量解決方案，包含點(diǎn)云掃描、尺寸分析與比較、CAD和逆向工程等功能。
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注1：全球四大逆向工程軟件除了Geomagic Studio和RapidForm外，還包括ImageWare和CopyCAD，由于后兩者我不熟悉，在此就不介紹了，有興趣的讀者可以到網(wǎng)上去找相關(guān)資料了解。
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注2：微軟的Kinect作為快速獲取3D數(shù)據(jù)的傳感器，可以作為3D掃描儀來使用，我們曾使用3臺Kinects來掃描人體全身，論文發(fā)在2012年的IEEE TVCG期刊?，F(xiàn)在有多款軟件或者開發(fā)庫（包括上面介紹的PCL，ReconstrutMe，Artec Studio，Skanect），支持將單臺Kinect作為手持式掃描儀來掃描物體，其核心都是Kinect Fusion算法。
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十、???????????后記
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最近，隨著人們對3D建模的需求越來越大，出現(xiàn)了許多其他形式的3D建模軟件和工具，比如Blokify,?基于塊狀化3D建模軟件，特別適合孩子們制作模型。這些新出現(xiàn)的工具我這里就不一一介紹了，大家可以關(guān)注網(wǎng)上的一些科技新聞網(wǎng)站、論壇或博客等。
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1.???????3D模型數(shù)據(jù)瀏覽與轉(zhuǎn)換軟件
上面介紹的大部分的軟件或庫都支持查看不同格式的3D模型數(shù)據(jù)。如果僅僅是瀏覽或查看現(xiàn)有的3D模型數(shù)據(jù)，我個人推薦3D Exploration軟件（相當(dāng)于查看圖像的ACDSee軟件），它是一個專門用來查看各種格式的3D模型文件，包括3DS數(shù)據(jù)?(*.3ds, *.prj, *.asc)、LightWave Objects (*.lwo,*.lw)、?DirectX(*.x)、AutoCAD (*.dxf)、Object File Format (*.off)、Wavefront (*.obj)等，還可以用鼠標(biāo)交互從不同視角來查看。而且還能查看各種圖像文件，包括bmp、rle、dib、gif、jpg、png、tif、tga、pcx等。當(dāng)然也能查看帶紋理的3D模型。3D Exploration是我的機(jī)器必裝軟件之一，強(qiáng)烈推薦。另一個我推薦的同類軟件是Deep Exploration，它除了可以瀏覽3D數(shù)據(jù)外，還可以轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式（最新版本還支持Sketchup文件），同時它還可以對你的模型進(jìn)行編輯及添加注釋制作動畫等，我也強(qiáng)烈推薦。
注：現(xiàn)在有很多3D數(shù)據(jù)格式，幾乎每個3D建模軟件都會定義自己的數(shù)據(jù)格式。幾種比較公認(rèn)的3D數(shù)據(jù)格式有VRML、obj、off、stl (用于3D打印的數(shù)據(jù)格式)等?，F(xiàn)在有些組織在力推3D數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。相信隨著3D技術(shù)的發(fā)展，這些格式都將越來越標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化。對各種數(shù)據(jù)格式需要更多了解的，可以到網(wǎng)上找找，比如：
http://www.cnblogs.com/sunliming/archive/2012/02/28/2372398.html
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2.???????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(shí)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。一般我們使用Maya進(jìn)行渲染放在論文中，已經(jīng)足夠漂亮了，讀者可以在我們的許多論文中看到利用Maya渲染的結(jié)果圖。
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3.???????其他相關(guān)的軟件
本文以介紹3D建模的軟件和庫為主，另外，還有許多跟3D技術(shù)相關(guān)的軟件和開發(fā)包我沒有提及，比如圖像處理、可視化、處理醫(yī)學(xué)圖像、建筑設(shè)計、裝潢設(shè)計及藝術(shù)設(shè)計等。讀者可以根據(jù)各自的專業(yè)去網(wǎng)上尋找所需要的專業(yè)軟件。
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4.???????學(xué)習(xí)使用3D建模軟件
相比于2D平面軟件Adobe Photoshop，Illustrator，CorelDraw等，學(xué)習(xí)3D軟件難度稍大些，需要了解和掌握一些3D的概念、3D交互習(xí)慣和技巧。因此，想要在短期熟練掌握好一個3D建模軟件，是不太可能的，需要多用、多摸索、多體會。網(wǎng)上有許多教材和視頻，您可以跟著去學(xué)習(xí)。總之，您要多去玩，就能玩熟了。如果您能有個確定的目標(biāo)來學(xué)習(xí)3D軟件，比如完成項(xiàng)目或者論文中所需要的效果，您就能掌握得更快！因?yàn)?#xff0c;帶有確定目標(biāo)和任務(wù)的學(xué)習(xí)，是最高效的學(xué)習(xí)。但您如果暫時用不到，暫可不必花太多時間去學(xué)習(xí)，學(xué)了但不去用，也容易忘。只要您學(xué)習(xí)軟件的速度快就可以，而這正是我們對學(xué)生的基本要求。J
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5.???????3D時代的來臨
最近兩年3D打印機(jī)的興起，引起人們的極大好奇與廣泛關(guān)注，同時也有些爭論。雖然還不清楚它是否能成為人們生活中不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)，但不可否認(rèn)，3D打印技術(shù)確實(shí)已經(jīng)給世界帶來巨變，已逐漸在某些領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的價值，比如，提高了制造行業(yè)的生產(chǎn)力，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用（義齒，假肢，器官等），為藝術(shù)家提供了有效的創(chuàng)作工具等等。個人認(rèn)為，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”，這也使得我們這個學(xué)科終于在人們生活中體現(xiàn)了巨大的價值。關(guān)于3D打印技術(shù)將給大規(guī)模工業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來的巨大沖擊以及給我們的生活將帶來的巨大變化，這里不展開討論，我將以后抽空撰文加以詳述。
我們再來看一下這幾年的一些巨頭科技公司的變化，2011年微軟公司的Kinect讓人們獲取3D數(shù)據(jù)的硬件代價降低了許多，2012年3D打印的興起造就了兩家上市公司Stratasys和3D Systems，2013年蘋果公司收購了Kinect的核心技術(shù)公司PrimeSense，谷歌公司收購了大名鼎鼎的機(jī)器人公司Boston Dynamics，這些都說明，越來越多的高科技企業(yè)在快速發(fā)展3D科技，3D時代已經(jīng)來臨！
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。
當(dāng)然，當(dāng)前人們對3D技術(shù)的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，大部分的人對3D技術(shù)仍然很陌生。另一個我個人看好的市場就是3D教育與培訓(xùn)，普及3D技術(shù)與培養(yǎng)3D技術(shù)人才已時不我待。
另外，現(xiàn)在也開始有了一些3D模型共享的網(wǎng)站在運(yùn)營，能夠提供給全世界的用戶下載、上傳、分享3D數(shù)據(jù)；類似于十多年隨著Internet發(fā)展而產(chǎn)生的圖像共享網(wǎng)站，這些3D數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站也將在不久的未來產(chǎn)生巨大的價值，3D模型數(shù)據(jù)也將逐步進(jìn)入“大數(shù)據(jù)時代”。
我們很慶幸成為3D科技新時代的弄潮兒，有很多的機(jī)會和挑戰(zhàn)在等待著我們！讓我們一起努力！J
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祝您健康、快樂、成功！
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劉利剛
中國科技大學(xué)，圖形與幾何計算實(shí)驗(yàn)室(http://gcl.ustc.edu.cn)
個人主頁：http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu
2014年2月8日
from:?http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/Resources/CG/3D_modeling.htm
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的3D建模与处理软件简介的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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