廖觀福

（浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)信息學(xué)院,浙江 東陽 322100）

1 次世代建模技術(shù)與虛擬現(xiàn)實的關(guān)系

1.1 次世代建模技術(shù)

“次世代”這個詞語來自于日語,意思是“下一代”,也可以是“即將到來的時代”,而“次世代技術(shù)”也可稱為“下一代技術(shù)”[1]。次世代技術(shù)憑借最先進(jìn)的渲染和引擎技術(shù),以震撼的視聽感受、精美逼真的畫面給體驗者帶去“真實”的沉浸式感受。[2]

對次世代技術(shù)而言,模型的制作占據(jù)了重要地位。跟傳統(tǒng)的模型制作相比,次世代模型制作發(fā)生了重大的變化。就模型的制作工具來說,低模創(chuàng)建主要依靠3DsMax 或者M(jìn)aya等三維建模軟件,高模通過ZBrush 等雕刻軟件進(jìn)行雕刻,豐富細(xì)節(jié)；至于軟件自帶的功能,雕刻軟件ZBrush 自帶的筆刷工具在保證模型面數(shù)不高的同時又可以對模型進(jìn)行優(yōu)化,為模型的制作節(jié)省時間。

1.2 虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,簡稱VR),即虛擬與現(xiàn)實的結(jié)合。利用虛擬可控的仿真系統(tǒng),生成一個相對應(yīng)的模擬環(huán)境,使感受者沉浸在生成的環(huán)境中體驗到和現(xiàn)實世界難辨真假的真實性。同時它還融入了人類所擁有的視覺、聽覺以及觸覺等感知行為,使感受者有種身臨其境的感覺[3]。

1.3 次世代建模技術(shù)與虛擬現(xiàn)實之間的關(guān)系

虛擬現(xiàn)實作為一種計算機領(lǐng)域全新的實用型技術(shù),應(yīng)用領(lǐng)域已十分廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,各行各業(yè)對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的需求也不斷提高,其產(chǎn)品在交互體驗等方面已慢慢趨于成熟,但由于建模技術(shù)滯后等原因,視覺效果與真實世界相比略差,不足以使人產(chǎn)生“沉浸”效果。以次世代技術(shù)建立的模型應(yīng)用到虛擬現(xiàn)實中符合行業(yè)發(fā)展要求,是未來主流方向[1]。

2 次世代建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用

次世代建?；玖鞒炭梢詺w納為低模- 高模- 拓?fù)涞湍?UV 展開、烘焙法線- 貼圖制作- 材質(zhì)制作,之后導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實引擎進(jìn)行程序開發(fā)。

2.1 高低模制作

次世代建?？梢苑譃榈图壞Ｐ椭谱?、中級模型制作和高級模型制作三個階段[4]。高模分段數(shù)高,面數(shù)眾多,細(xì)節(jié)豐富,后續(xù)導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實引擎中會導(dǎo)致引擎運行緩慢。與高模相比,低模面數(shù)少,細(xì)節(jié)也不夠豐富,但低模在法線貼圖或AO貼圖等貼圖作用下也能顯示得精細(xì)。

目前次世代建?？梢苑殖蓛深悾阂活惸Ｐ褪且匀说壬矬w為主,這些生物體模型通常具有明顯的骨骼結(jié)構(gòu)。低模將在3DsMax 或Maya 等軟件中采用標(biāo)準(zhǔn)基本體中的長方體來創(chuàng)建,將之轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形,通過連接線的方式進(jìn)行卡線操作,做成想要的身體結(jié)構(gòu)。在身體模型制作時,要求建模師具有一定的美術(shù)基礎(chǔ),了解生物體的身體結(jié)構(gòu),注意模型的布線分布；另一類是以武器、盾牌等機械類為主的硬表面模型,這類模型一般呈左右對稱狀,建模采用跟第一類模型類似的方法。由于這類模型左右對稱的特點,先創(chuàng)建一邊模型,另外一邊通過對稱修改器來完成。

高模制作,第一種辦法是直接在3DsMax 或Maya 等軟件中通過卡線、插入、擠出等操作對模型增加細(xì)節(jié),最后給模型添加一個渦輪平滑修改器,增加模型的細(xì)分級別；第二種辦法是將做好的低模導(dǎo)出為OBJ 文件格式,然后導(dǎo)入到ZBrush 雕刻軟件中進(jìn)行雕刻,利用軟件自帶的雕刻筆刷對低模進(jìn)行調(diào)整,增加模型的細(xì)節(jié)。

如圖1 所示為在3DsMax 軟件中建的簡易罐子模型,左邊是高模,右邊是對應(yīng)的低模。

圖1 罐子高低模

2.2 模型拓?fù)?/h3>

由表1 可知,高模分段數(shù)高,面數(shù)眾多,細(xì)節(jié)豐富,后續(xù)導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實引擎中會導(dǎo)致引擎運行緩慢。為了解決這個問題,從而有了拓?fù)涞湍５母拍?。此時高模的作用是通過生成法線貼圖的方式,將高模的細(xì)節(jié)信息投射到低模上,達(dá)到更好的顯示效果。

表1 高低模區(qū)別

模型的拓?fù)涫谴问来Ｐ椭谱鞯闹匾鞒讨?。高模制作完成后就需要對模型做進(jìn)一步的調(diào)整,主要工作是對模型的面數(shù)進(jìn)行最優(yōu)的資源配置,因為每一個虛擬現(xiàn)實項目都有著模型面數(shù)的限制,并且在面數(shù)要求的前提下用盡可能少的面數(shù)實現(xiàn)模型的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)。拓?fù)涞湍５囊环N方式是用3DsMax 等三維軟件中的石墨工具,另一種方法是在雕刻軟件Zbrush 中進(jìn)行低模拓?fù)?。在低模拓?fù)涞倪^程中,要不斷對模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,盡量避免模型之間的穿插與三角面的出現(xiàn)。

2.3 UV 展開與烘焙法線

UV 是貼圖在模型上的坐標(biāo)位置（跟直角坐標(biāo)系中的XYZ 類似）,調(diào)整UV,實際就是調(diào)整貼圖在模型上的位置。如果想要把貼圖準(zhǔn)確的貼到模型上,一定需要使用三維軟件的UVW 貼圖坐標(biāo)模式。而使用這種模式的前提,就是該模型已經(jīng)把UV 展開了,需要注意的是UV 展開是對低模進(jìn)行操作。

每款三維軟件基本上都會自帶UV 展開的功能,對于一些較為簡單的幾何體模型,可以使用軟件自帶的UV 展開修改器。Unfold3D 是一款專門用于UV 展開的軟件,操作界面如圖2 所示,界面主要分成左右兩個視圖,左視圖是導(dǎo)入的三維模型,右視圖是展開的UV,模型跟UV 之間在點線面層級上都是一一對應(yīng)的,可以利用這個特點檢查UV 展開是否合理。軟件通過快捷鍵配合鼠標(biāo)進(jìn)行操作,容易掌握。在UV展開時應(yīng)避免拉伸和UV 之間的重疊擠壓,UV 切口部分盡量選擇在視角不易觀察的地方。為了后續(xù)法線貼圖更好修改,展開的UV 中線段部分盡量都打直成一條直線。

圖2 UV 展開界面

UV 展好后再導(dǎo)回到建模軟件中進(jìn)行法線貼圖的烘焙。導(dǎo)回時,要求導(dǎo)回的低模和軟件中的高模重疊。烘焙法線貼圖之前,必須對UV 重新排布,間距確保適中。UV 排布好后,渲染一張UV 模板,以備后續(xù)貼圖制作使用。退出UV 編輯界面,選中導(dǎo)回的低模,按0 快捷鍵,打開渲染到紋理界面,設(shè)置法線貼圖參數(shù),貼圖大小一般選擇1024*1024,對要求較高的可以選擇2048*2048,法線貼圖如圖3 所示。

圖3 法線貼圖

2.4 貼圖制作

次世代貼圖的制作一般在PhotoShop 上完成。首先對法線貼圖進(jìn)行調(diào)整,要求法線貼圖中直線顏色統(tǒng)一。利用渲染好的UV 模板以及下載或者制作的外觀圖片,制作一張外觀貼圖以及一張ID 貼圖,如圖4 所示。ID 貼圖是為了方便后續(xù)在Substance Painter 進(jìn)行材質(zhì)繪制時顏色選取,不同的顏色代表不同的材質(zhì)。

圖4 外觀及ID 貼圖

2.5 制作材質(zhì)

貼圖制作完成,重新在建模軟件中將低模導(dǎo)出為OBJ文件格式,進(jìn)入到Substance Painter 制作材質(zhì)。Substance Painter 是Adobe 公司旗下一款專門紋理制作軟件,廣泛用于電影和游戲制作,以及產(chǎn)品設(shè)計等領(lǐng)域。軟件使用能夠調(diào)整以適應(yīng)任何對象的智能材質(zhì),展示真實的表面細(xì)節(jié)或磨損情況。探索可適應(yīng)任何形狀的蒙版預(yù)設(shè),并使用高效、動態(tài)的工具進(jìn)行繪圖,表2 為該軟件特點。

表2 Substance Painter 特點

新建項目,將導(dǎo)出的低模以及法線貼圖、外觀貼圖、ID貼圖導(dǎo)入軟件中,軟件會自動對導(dǎo)進(jìn)的模型添加材質(zhì)。軟件添加材質(zhì)有兩種方法,一種方法是利用筆刷直接繪制,另一種方法是使用圖層蒙版進(jìn)行圖層的疊加,最后效果如圖5 所示。Substance Painter 有一個非常有用的預(yù)設(shè),用于后續(xù)把紋理導(dǎo)出到虛擬現(xiàn)實引擎。這個預(yù)設(shè)的設(shè)置將導(dǎo)出四張貼圖,分別是：反照透明度貼圖（AlbedoTransparency）、金屬粗糙度組合貼圖（MetallicSmoothness）、法線貼圖（Normal）以及環(huán)境光遮蔽貼圖（AO）。

圖5 最后效果圖

2.6 導(dǎo)入引擎

Unity 引擎是實時3D 互動內(nèi)容創(chuàng)作和運營平臺,內(nèi)容包括游戲開發(fā)、美術(shù)、建筑、汽車設(shè)計、影視等[5]。

將模型和貼圖導(dǎo)入Unity 資源庫中,之后模型拖入視圖面板。選中拖入的模型,在檢視面板中,貼圖放入相應(yīng)列表,效果如圖6 所示。

圖6 引擎效果圖

3 結(jié)論

本文選取真實項目案例,內(nèi)容包括次世代技術(shù)基本流程低模- 高模- 拓?fù)涞湍?UV 展開、烘焙法線- 貼圖制作-材質(zhì)制作- 導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實引擎進(jìn)行程序開發(fā),講述次世代建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用。以次世代技術(shù)建立的模型應(yīng)用到虛擬現(xiàn)實中符合行業(yè)發(fā)展要求,是未來主流發(fā)展方向。