真实版瀑布永动机 制作过程全揭秘
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at 2011-04-11 21:04:31
original http://www.guokr.com/article/18649/
| DIYer: | 天蓝提琴 Greeny 小蜂 |
|---|---|
| 制作时间: | 少则一周 多则一月 |
| 制作难度: | ★★★☆☆ |
| GEEK指数: | ★★★★★ |
由于 《果壳网制成第三代永动机》 一文推出之后，很多人质疑里面的视频是用视觉特效做到的，因为和原画实在是太像了！ 果壳DIY 负责任的告诉你：这绝对是真实世界的实体模型！大家的质疑实在是对我们的一种褒奖……来看一段最新拍摄的揭秘视频吧。
由于偷懒是人类的天性（顺便说一句，贴图是Greeny做的...哈哈），细看之下这个模型制作的比较粗糙。但是在最佳观测点上观察时，这种精细程度已经足够让人眼无法区别了，做得再精细也没有意义。
往下看，这个模型是如何一步步制造出来的吧。
Contents
1 工具和材料
○ ABS塑料板 1mm厚
○ PVC管，3种规格
○ PVC贴纸
○ PP贴图
○ 水泵
● 电压可调的电源
● 电钻
● 角磨机
● 美工刀
● 角尺、T型尺（可用直尺、三角板代替）
● 热熔胶枪、热熔胶
2 原画分析
《瀑布》，1961，埃舍尔
● 埃舍尔晚年所创作的《瀑布》由于其巧妙的构思广受赞誉。仔细看这幅画面。
● 为了之后的叙述简便，我们称这幅画面中部、底层是水车的三层结构为“左塔”，“左塔顶面”上放着一个由3个六面体合成的空间几何体。画面右边的双层结构为“右塔”，“右塔顶面”有一个3个八面体合成的空间几何体。水车下方积水的地方称为“水槽”，从水槽开始往画面上方数，各个水道分别命名为“第一水道”、“第二水道”...等。左塔顶层，水流流下的部分称为“瀑布平台”。
● 这个制作的目的是将原作中华丽丽的画面搬入三维世界，让人们能够看到一幅带有流水的、活起来的画面。两个问题是关键：一，如何实现原作中“不可能的”建筑结构：连续的水道自身出现了空间上的层叠关系；二，如何实现水流沿着水道和瀑布进行的循环流动。
● 为了实现这两个功能，有许多的设计思路。本文提供的只是其中一种而已，有闲的蛋疼阶级可以继续思考，看看有什么别的结构也能实现这样的效果。
● 作为一枚热爱工程学的小果壳，设计之前你需要接受以下三个前提：
1. 永动机不存在。
2. 永动机不存在。
3. 永动机不存在。
● 好吧这是一个冷笑话... 需要接受的前提是：
1. 水会向着重力的方向流动。
2. 眼见不一定为实。
3 设计思路
● 基于这两个前提，我的设计思路是：
1.整个模型置于一个平台之上（我们用了玻璃餐桌）。
2.第一水道到第四水道是连续的、逐渐降低的水道。水流出第四水道的末端之后，会进入一个回收管道，流回隐藏在平台底部的蓄水池中。左塔三层是整个模型最高的部分，瀑布口位于水车的正上方。用一个小水泵将蓄水池中的水泵上左塔三层的瀑布口，再由瀑布口流下来冲击水车，实现水流的循环。
3.视觉效果方面，只要选择一个合适的观察点，能让左塔三层的瀑布口和第四水道的末端在视觉上连接在一起，就在视觉上让水流得以循环了。而让在一个平面上的水道看起来像左右两个塔的层叠效果，需要依靠“塔”中的各个“柱子”在长短和粗细上的调整。
● 回到刚才那幅注释过的原画，可以看到，用蓝色字标示的是水流循环，橘色字标示的是三维空间中不可能出现的建筑结构，绿色字则是为了更接近原画而做的，没有功能上的意义。
4 设计过程
● 在制造一个三维模型之前，用软件建模来辅助设计是一个经济又高效的方法。大部分3D设计软件都可以做这个功能，不过我在此推荐使用最容易上手的Google SketchUp。这款软件有免费版本，是一个针对建筑设计行业的草图绘制软件。它和其他3D设计软件最大的区别就是：SketchUp是面向设计者的，允许设计者在设计过程中不断调整心中的蓝图，逐渐形成建筑的草稿。
● 在Sketchup的帮助页上就能看到入门教程的youtube视频，国内的视频网站上也能搜到。
● 在建立这个模型时，使用了“照片匹配”的功能。将埃舍尔的原画作为从某个视角拍摄这个建筑的照片，然后以它为背景，建立一个看起来和背景画面上的建筑完全相同的3D模型。
● SketchUp官方教程中关于照片匹配的说明
● 这张就是按照原画视角来建模的对比图。仔细看，左图中是有一个半透明的模型挡在原画前面的。右图中去掉了作为背景的原画。
● 这里提出一个“观察点”的概念。在SketchUp中建模时，要在Camera选项中选择Perspective，也就是透视视角。在这个透视视角下，我们看到的画面是模拟了一个摄像机对这个模型进行拍摄时的效果。一切视觉错觉都是建立在这个摄像机的位置和角度固定的前提下。我们称上图中摄像机的位置和角度为“观察点”，之后的讨论全部都是关于“如何欺骗观察点的观察者”的。
● 另一个角度观察这个模型，真相大白了。
● 这个3D模型比最终模型少了两个主要部分，一个是水流的底面，另一个是产生空间幻觉的立柱。
为了造福偷懒的同学，这里给出 瀑布永动机的SketchUp模型文件（不含立柱）下载 。由于SketchUp是设计建筑用的，所以模型的单位是米。太大的模型在搬运和存放上都很麻烦，而太小的模型会很难加工。所以在实际制作的时候，适当的缩放比例才是王道。
从完全不会使用SketchUp到做出这个模型，一共只用了3天时间，也就十几个小时的样子。这也是SketchUp上手速度快的一个明证。
5 建造《瀑布》
● 按照正常的顺序，制作这个瀑布的模型时应该先完全搭好模型，功能测试通过之后，再进行表面纹理的贴图。由于各种崎岖的原因，导致了果壳DIY在制作这个模型时，贴图和功能实现是并行前进的，所以在建造模型的照片中会发现已经有一部分模型表面做了贴图。
● 所有模型的尺寸都可以从缩放后的SketchUp模型文件中直接量出来（使用标注工具），所以以下制作步骤不再涉及尺寸的问题。
5.1 底盘
● 底盘是用ABS塑料板切割出来的，用美工刀或者刻刀即可。有条件的同学，使用电动工具（比如角磨机或者电磨）效率会高很多。
● 照片左下角是水槽部分，往右上方数，依次是第一、二、三、四水道的底面。可以看到，第三水道比第一水道宽，第四水道比第二水道宽，而在图片中感觉这四条水道应该是一样宽的。这是因为人眼在观察事物的时候会有一个透视的效果，就是所谓的“近大远小”。为了产生“第四水道在第二水道的正上方”以及“第三水道在第一水道的正上方”这两个错觉，处于远处的三、四两条水道的宽度必然会比处于近处的一、二两条水道的宽度更宽。这个方法叫做“强制透视”。之后会提到远近立柱的直径区别、两个空间几何体大小的区别等等都是要造成强制透视的效果。
5.3 左塔三层
● 从SketchUp的设计图中可以看出，整个《瀑布》模型就只有左塔三层是真正处在高处的，目的是为了让水流从高处落下冲击水轮。
● 初步效果已经出来了。此处本来不应该贴图的。
● 这是立杆上，左塔三层的瀑布口。
● 用两根PVC管把这个瀑布口支起来，连接的地方用热熔胶粘住。在观察时，右边的那根PVC管一定要被左边的立杆挡住，才不会穿帮。
● 为了达到尽量接近原画的“瀑布”效果，我们在瀑布出水口装上了一张透明的塑料片，让水流沿着这个塑料片流下来。
5.4 水流底面
● 将PVC管子切成合适的高度，用热熔胶依次粘在底盘上，作为水流底面的支柱。由于水往低处流，所以PVC管子的高度也是逐渐下降的，并且顶面都朝着同一个方向倾斜。
● 所有支柱粘贴完成后的效果
● 将ABS塑料板切成合适的形状，用热熔胶固定在两侧水道围墙之间。为了加工方便，水流底面不是一个整体，每个水道都用一块独立的ABS板作为水流底面。注意观察图片中部的接缝，这个接缝之后会被前面的立柱挡住，所以在观察点是看不出来的。这种欺骗观察点的思想会贯穿整个模型的制作过程...
● 由于ABS塑料板的表面光滑，水流在流经时不会平铺在板子表面，而是汇聚成一股涓涓细流...为了达到原画的效果，需要对水流底面进行打磨处理。注意画面左边砂纸打磨过的痕迹。
5.5 水的循环流动
● 看过瀑布永动机视频的同学，不知道有多少人能猜得出来这个代号忧伤的蓝色液体是什么...答案是洁厕宝...嗯。这事儿不能说太细...你懂的。
● 我们需要做一个水槽，来作为这个水循环的一级缓存，保证水流的持续流动。为什么水槽的形状这么崎岖？ 因地制宜罢了。
● 用一个塑料盒子作为水循环的二级缓存。可以看到，盒中还有尚未溶解的洁厕宝...
● 白色圆柱体是一个小水泵，负责把水流从低处泵到瀑布出水口。所以永动机什么的都是浮云...这个模型是靠电力驱动的啦~~~
● 这个水泵工作在12V电压下时，号称能把水泵到2米高。为了让水流平稳地从瀑布出水口“流下”而不是“喷发”，我们需要控制水泵的流速。这里用的是一个可调电源，通过控制水泵的电压来控制流速，当然其他电机调速的方式也都是可以的。
● 从文章开头的视频中可以看到整个水流循环的过程：水溢出水槽->流经四条水道->收集进一个透明小碗中->沿着水管流入水箱->水箱中的泵把水泵上左塔三层的出水口->水流从高处落下，流入水槽。
● 至此，水流循环的部分全部实现了，之后的步骤就是产生视觉错觉，以及为了接近原画而做的贴图了。
5.6 视觉错觉监控系统
● 从这一步开始，之后的步骤都需要一个能够实时处于观察点的观察者来随时反馈视觉错觉的效果。这里采用了摄像机+电视输出。也可以通过人眼啦...只是需要观察者的描述能力更强一点。
5.7 立柱产生错觉
● 为了强制透视产生错觉，按照“近小远大”的原则用不同规格的PVC管粘在各个立柱底座上。为了产生视觉错觉，需要切掉PVC管相应的部分。这张照片示意了怎样画应该切掉的部分。实际上我们是使用摄像机在电视屏幕上的输出来调整马克笔痕迹的位置的。
● 初步的效果
5.8 水车
● 第一次做水车时，为了尽量贴近原画的形状，做出了这个...
● 在真正使用的时候，发现这样的形状对于水流冲击的位置精度要求很高，而且浸没在水面以下的部分会受到很大的阻力。
● 这是改良后的版本。两侧是用ABS塑料板切的，叶片是用四分之一片PVC管子做的。用热熔胶进行粘结。为了接近原画的颜色，整体涂上了银色的丙烯颜料。
● 这是装在模型上的效果
5.10 左右塔顶上的几何体
● 关于这两个几何体的奇妙性质，参见死理性派的文章 《埃舍尔威武！解读瀑布上的两个立体图形》 。
● 左塔顶部的几何体。下载图纸打印出来，粘结即可。
● 右塔顶部的几何体。由于处在远端，所以体积比左塔顶端那个大。
● 这个几何体是由12个完全相同的八面体粘结而成的。
● 这 两个几何体的图纸 下载
6 纹理贴图
● 建筑封顶，下一步：装修。有请装修师傅……Greeny！
● 为了达到尽可能与原画一致的效果，“面子工程”当然很重要。可惜我不是那本领强的粉刷匠，只能用ps将原画Ctrl+V到模型上去。
● 思路很简单——从原画中选择相应的内容，调整大小和透视，打印，粘贴。
● 瀑布的主体部分，也就是要与水亲密接触的部分，用防水性能良好的PP背胶喷绘。而打酱油的部分，比如前景、背景什么的，就直接用120g的A4纸打印了。
● 由于美工师傅迫切的想看到成果，模型主体没做完就心急的把贴图贴上了，后面调整的时候对贴图造成了不小的破坏，比如粘底板时原画的砖缝看不见了啊，调试流水时颜料层进水掉色啊，背胶沾水不黏了啊……不得已竣工之后贴图又重做一份贴图。
● 下面我来演示ps过程，对ps无爱的同学可以直接移步下载区寻找“瀑布装修套件”。当然你也可以尽情施展你的设计天赋，无视这些ps指导和装修套件，所谓艺无定法嘛！
● 第一步当然是新建文件，单位设置成厘米，如果你只打算做能被人看到的那几面墙，90X60cm的大小就够了（因为pp纸材的常用规格是45cm、60cm或90cm。不过为了360°展示模型时不那么寒酸，我还是把原画里看见的和看不见的每一面都做了。所以你下载的会是90X120cm的完整版）。
● 从原画中截出一部分砖块图像（范围尽量大些），复制几次直到满屏，把连接不自然的地方和看起来太规律的地方稍作调整，然后在编辑菜单中把它设置为填充图案。
● 按照google sketchup的尺寸先建立参考线，然后画出每一堵墙的轮廓。墙外的部分用蒙版挡住，在内部填充墙的图案。由于原画中每一堵墙的砖层数量是确定的，所以填充图案的大小也很好调整。值得注意的是，柱子底座的砖块厚度，和墙体上砖块的厚度并不完全一样，这也有助于错觉的产生。
● 做完砖块，顺手在边边角角的空白处把底板做了，再多做几层砖以备不时之需。再剩下边缘地带也不能浪费——房子的侧面由于要与水亲密接触，所以给空白处做个简单的浅灰色纹理吧。
● 最后送去洗印店的喷绘图纸要调成灰度模式，以免由于喷绘设备偏色（这简直是一定的）而增加不必要的纠结。
● 墙面贴纸文件下载 （右键另存为）
这个白色轮廓隐约让我联想到了事故现场...
● 原画上看起来不大的背景，经过透视和反透视的抗争后变的比模型大了很多。我们的背景墙距离模型50cm左右，经过计算背景尺寸应该是145cm*100cm。
● 直接抠出来的背景会有一些地方是被瀑布挡住的。虽然理论上讲，调整好模型的摆放角度和距离，这些空白的地方并不会“出境”，但实际上做出的东西很难那么刚刚好。为了不穿帮，还是把空白补上吧。
● 你可以用ps的“仿制图章”和“补丁”工具一点点填补，也可以直接用画笔在空白处继续创作。如果你是手绘达人，用整开大白纸挥就一张背景图显然更有范。（我本来是想如此显摆一下的，但是考虑到时间有限，还是把精力奉献给了模型这个主角……）。
● 除了垂直的背景，桌面上的空白处同样需要粉饰。不过因为桌面的可见范围比较少，我就只是随便摆了几张背景图案（视频证明细看还是有破绽的）。
● 背景图案下载
房顶设计图
● 把原画中的房顶截下来，调整成矩形就ok了。房顶的烟囱不需要单独做，只要你的房顶角度和原画看起来一致，那么调整过透视房顶贴上去烟囱自然是直的。
● 别忘了柱子后面还有一小部分房顶。打印一张房顶砖瓦的肌理，剪一个“小”三角（只是看上去小而已，实际大小可以通过监视器调整）补在柱子后面的“空地”上。
● 在我们理想化的设计中，立柱是360°的实体模型，而不是这么坑爹一张贴纸。但是由于两种方案在镜头中看起来是一样的，制作中就避繁趋简了（俗称偷懒）。同样，从原画上截图，调整透视，打印，贴图。
● 实际中的模型立柱距离摄像机有三个不同距离，所以打印的立柱图也应该有三种不同的尺寸，这样镜头中看起来才是一样的粗细。（尺寸参数？嘿嘿，你猜~）
● 看完立柱和房顶的制作过程，面对那华丽而繁复有如深海乐园的前景，你应该毫无压力了吧？
7 永动机视频的拍摄
● 重点就是，欺骗观察点的观察者。经过这么长的制作攻略熏陶，自认为掌握了这个重点的读者，可以直接略过本段啦!
● 在摄像机面前隐藏水管什么的就不用说了吧？ 需要说明的只有一点：为了让水流从第四水道流入瀑布出水口的过程看起来是连续的，需要在拍摄前就控制水泵让液面处于略低于出水口的位置，然后在恰当的时机调高水泵电压，让水流出现在出水口。这个过程需要练习。
● 实际上，这个过程可以用一个自动装置来完成。没有做这个装置的原因是……避繁趋简、避繁趋简.……嗯。在第四水道出水口放置有两根相距很近的探针，并将探针的另一端接到继电器的控制脚。继电器的受控脚连到水泵上。记得要用继电器自锁接法，这样就能在有水流流经探针的时候，触发并锁住继电器保持接通状态，实现自动控制出水口的出水时机。