摘 要：以123D Catch為例，通過石獅建模案例探討了將照片建模技術(shù)引入傳統(tǒng)建模流程的方法，首先獲取主體的多角度照片，之后利用拍攝主體的多角度照片建立初始模型，借助三維軟件與雕刻軟件對初始模型進行修整，建立低精度模型，之后再進行模型的uv拆分，利用烘焙工具將高精度模型的紋理與凹凸細節(jié)信息烘焙至低精度模型，再對貼圖進行細節(jié)修復(fù)后得到可以用于數(shù)字游戲、三維動畫、虛擬現(xiàn)實與影視特效等領(lǐng)域的完整模型。

關(guān)鍵詞：照片建模；三維模型；123D Catch；貼圖烘焙

中圖分類號：TP3

基于照片的建模技術(shù)是最近幾年興起的一門新技術(shù)，它使用數(shù)碼設(shè)備直接拍攝到的照片來重建三維模型和場景，克服了傳統(tǒng)建模技術(shù)的許多不足[1]。對于生物、雕塑與石刻等諸多無法依靠簡單幾何體的堆疊、排列以及布爾運算等方法得到其三維模型的復(fù)雜形來說，手動建模有著諸多不便，并且對于操作者的技術(shù)與藝術(shù)要求頗高，照片建模的自動模型創(chuàng)建與材質(zhì)映射功能不僅能夠節(jié)約模型的創(chuàng)建時間，并且可以和原始物體保持高度的一致性。另一方面，日常生活中的照片獲取由于諸多因素的限制，并不能夠獲得物體全方位的照片數(shù)據(jù)，這也導(dǎo)致了自動創(chuàng)建的模型本身的一些細節(jié)問題，這就需要結(jié)合傳統(tǒng)的手動建模方式對模型進行簡單的后續(xù)處理。

1 123D Catch簡述

123D Catch是Autodesk推出的免費的照片建模軟件，用戶可以拍攝物體不同角度的照片再借由123D Catch連接到Autodesk的服務(wù)器進行解算，最后生成投射了材質(zhì)的三維模型。能夠在較短的時間內(nèi)獲得精確度非常高的模型。對于沒有技術(shù)與藝術(shù)的積累，但同時又希望能夠建立自己的復(fù)雜三維虛擬模型的人來說，是一個非常省時省力的選擇[2]。而對于傳統(tǒng)的需要依靠手動建模方式建立模型的特定的復(fù)雜形而言，123D Catch的照片建模技術(shù)也同樣可以被引入這一工作流程。

由于實際因素的限制，能夠完全獲得拍攝主體的平行與俯視仰視角度的照片機會非常少，所以僅靠123D Catch并不能生成非常完美的模型，通常需要其他軟件的輔助。借助照片建模技術(shù)進行復(fù)雜形建模的流程可以分為以下四個步驟：

（1）數(shù)碼照片的獲取

（2）利用123D Catch進行初始模型的建立

（3）初始模型的修整

（4）UV拆分與紋理貼圖處理

經(jīng)過以上四個步驟，基本就能獲得復(fù)雜形的較為理想的三維模型了。

2 石獅的建模流程分析

本小節(jié)將以岳麓書院大成門前的石獅為例，通過具體案例來說明借助123D Catch進行復(fù)雜形建模的具體流程。

2.1 數(shù)碼照片的獲取

利用普通的數(shù)碼相機即可獲取所需的數(shù)碼照片，由于客觀因素的制約，仰視與俯視角度的圖片無法獲取，僅能夠獲取平視角度的圖片。由于照片建模軟件是依靠跟蹤照片中拍攝主體上的定位點來確定最終三維模型的點集的，所以前后兩張照片的角度相差不能過大，以防跟蹤點丟失。如圖1，環(huán)視照片以20-30張左右為宜。

2.2 利用123D Catch進行初始模型的建立

123D Catch目前是一款免費軟件，可以在官方網(wǎng)站進行下載，由于需要與服務(wù)器通信，所以使用時需要聯(lián)網(wǎng)，簡單注冊后就可以開始新建自己的項目，之后選擇處理好的環(huán)視圖片直接上傳至服務(wù)器即可，等待服務(wù)器解算完成后會自動下載模型到本地，如圖2，之后就能夠?qū)⒔⒑玫某跏寄Ｐ鸵钥捎玫娜S格式進行導(dǎo)出了，軟件提供了主流的FBX格式的文件導(dǎo)出方式，并且提供了不同的導(dǎo)出精度，因為需要后續(xù)進行進一步處理，所以選擇最大精度的選項，這樣可以保留初始模型盡量多的細節(jié)。

2.3 初始模型的修整

接下來是利用三維軟件與雕刻軟件進行初始模型的細節(jié)修整，由于照片沒有提供最夠的主體信息，123D Catch自動建立的初始模型有較多問題，比如生成了不必要的部分，以及破面問題等等。這些都需要依靠手動修正。主要有三步，首先需要刪除不需要的部分，并且修復(fù)高精度模型的破面問題，刪除部分面之后細節(jié)丟失，需要利用雕刻軟件對高精度模型進行細節(jié)的修復(fù)，最后需要進行模型的拓撲操作，重新整理三維模型的布線，以方便后續(xù)處理。

模型的修復(fù)主要依靠3dsmax（版本為2013）與雕刻軟件Zbrush（版本為4R6），3dsmax可以從點線的層級對破面以及模型多余的部分進行快速的修復(fù)與刪除，而Zbrush可以以高精度的方式對模型的一些表面細節(jié)進行快速的修復(fù)與添加，同時可以非常高效的進行模型的拓撲工作。

利用123D Catch將模型導(dǎo)出為fbx格式，再導(dǎo)入3dsmax中，利用3dsmax的多邊形編輯功能可以快速的刪除不需要的部分，保留比較干凈模型主體如圖3，左為原始模型，此時模型保留著草地、圍欄等一些無用細節(jié)，右邊為整理之后的模型，去除了不需要的部分，保留石獅主體。

經(jīng)過處理之后的模型能夠較為干凈，但是同時也喪失了一些細部細節(jié)，比如石獅頭部在進行修復(fù)后出現(xiàn)了大塊的平坦區(qū)域，這部分也是無法拍攝到的部分，這就需要借助Zbrush再進行細節(jié)的添加。利用Zbrush自帶的Goz插件將3dsmax中的模型導(dǎo)入到Zbrush中，之后利用Zbrush中的畫刷工具進行丟失細節(jié)的添加，如圖4。這時可以參考原有的模型細節(jié)進行修復(fù)。借助Goz插件可以實現(xiàn)3dsmax與Zbrush之間數(shù)據(jù)的無縫互導(dǎo)，3dsmax處理模型不會導(dǎo)致Zbrush中的高精度細節(jié)的喪失，所以利用3dsmax進行多邊形編輯與zbrush進行的細節(jié)修復(fù)與添加可以交互進行。

之后是對模型進行重新拓撲工作。三維模型的拓撲信息描述的是各個組成元素的數(shù)目以及他們之間的相互關(guān)系[3]。對三維模型進行拓撲操作簡單來說就是重新整理模型表面的布線，同時保留原始模型應(yīng)有的轉(zhuǎn)折關(guān)系。進行這步工作主要有三個原因：首先，相對于原始模型的繁雜布線，重新整理布線可以減少接下來UV拆分與貼圖處理的工作量，其次，重新布線可以能夠確保模型能夠以足夠多的四邊面進行分布，對于需要進行形變動畫的模型來說，這點尤為主要，最后，重新整理后的布線能夠以比較合理的面數(shù)來表現(xiàn)模型的轉(zhuǎn)折關(guān)系，可以大幅度的減少模型的面數(shù)，獲得低精度模型，傳統(tǒng)的手動建模方式是從點面的層級重新建立模型表面的布線，3dsmax與Zbrush都提供了類似功能，而Zbrush 4R6在新版本中提供了新的工具ZRemesher，通過一次點擊就能夠快速的重新產(chǎn)生模型表面的布線，并且對于細節(jié)部分布線的走向可以進行智能計算，如圖5，重新整理布線后模型能夠在保證轉(zhuǎn)折關(guān)系正確的情況下大幅度的減少面數(shù)。

2.4 uv拆分與紋理貼圖的處理

最后需要進行模型UV的拆分與紋理貼圖的烘焙以及細節(jié)修正操作。UV是指u，v紋理貼圖坐標(biāo)的簡稱。其定義了圖片上每個點的位置信息，這些點能夠與3D模型相互聯(lián)系，以決定表面紋理貼圖的位置[4]。由于需要考慮到uv空間的使用效率以及貼圖繪制問題，所以需要進行uv的重新拆分布置。3dsmax與Zbrush都提供了方便的模型uv拆分工具。如圖6最后需要保證模型的UV不重疊，有足夠的間距。

經(jīng)過以上步驟的處理之后，模型的布線和uv信息都發(fā)生的變化，此時需要再經(jīng)過烘焙的步驟進行模型紋理的處理，模型的表面細節(jié)主要可以分為顏色紋理與幾何紋理[5]，前者可以依靠漫反射貼圖實現(xiàn)，后者可以利用法線貼圖實現(xiàn)（這里討論的是一種簡化的情況，實際上不同材質(zhì)屬性的模型用到的貼圖類型不盡相同）。借助3dsmax的烘焙至材質(zhì)的命令可以利用原始的高精度模型處理出漫反射貼圖與法線貼圖，如圖7。之后需要依靠Photoshop對烘焙后的圖片進行細節(jié)修復(fù)。處理思路類似于利用Zbrush進行模型的細節(jié)修復(fù)與添加。

經(jīng)過以上處理，最終的模型布線均勻、面數(shù)合理并且材質(zhì)信息相對完整，之后就可以將得到的模型用于游戲、虛擬現(xiàn)實、三維動畫或者是影視特效的制作了。如圖8，左為實地拍攝的石獅照片，右為經(jīng)過前文所述步驟處理后的三維模型在游戲引擎中的顯示效果

3 總結(jié)

本次研究通過實際的建模案例探討了利用123D Catch的照片建模技術(shù)配合傳統(tǒng)的手工建模方式進行石獅模型的建立，從實踐的層面分析了將照片建模技術(shù)引入傳統(tǒng)建模流程的可行性。軟件工具總是隨著技術(shù)的不斷進步而完善，而傳統(tǒng)的工作流程也會因為舊有工具功能的升級或者新工具的出現(xiàn)而發(fā)生改變。照片建模技術(shù)的發(fā)展對于傳統(tǒng)的建模流程的影響既是此例。將其引入到傳統(tǒng)的工作流程，減少了手動建模的時間，提高了模型的精確程度，同時也簡化了工作流程。

參考文獻：

[1]喬杰，郭雋菡，蘭天亮.利用照片建模技術(shù)重建文物的三維數(shù)據(jù)模型[J].文物保護與考古科學(xué).2011，23（1）：68.

[2]王冠.AutoDesk：讓3D建模變得簡單[J].IT經(jīng)理世界，2013，355：72.

[3]周莉，蘇紅根.通用3D模型文件格式的算法研究及其OpenGL實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2009，30（2）：434.

[4]UV坐標(biāo).http：//baike.baidu.com/view/4961929.htm[EB/OL].

[5]薛軍濤.典型紋理映射實現(xiàn)方法的研究[J].計算機工程，2005，7：211.

作者簡介：劉清濤（1989-），男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向：數(shù)碼藝術(shù)與信息設(shè)計；曾新（1969-），男，湖南長沙人，副教授，博士學(xué)位，研究方向：數(shù)碼藝術(shù)與信息設(shè)計。

作者單位：中南大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，長沙 410012