三維動畫場景的優化構建

梁翔宇

摘要：本論文是杭州市哲學社會科學規劃課題《建筑動畫和游戲動畫的場景表現研究》（C11WH20）成果論文。建筑預演和游戲場景是三維動畫的主體構成——三維動畫場景的最典型應用，兩者有各自特點與共同點；本文主要從兩者的動畫運用、模型生成、材質貼圖方面進行研究探討。

關鍵詞：三維動畫場景；建筑預演；游戲場景；優化構建建筑

預演和游戲場景是三維動畫場景的典型應用。建筑預演主要是在建筑項目宣傳展示的時候提供預演動畫，分為建筑動畫和建筑虛擬現實兩種，前者是播放、停止的簡單流程，后者具備互動功能，即觀眾可以在仿真的虛擬場景中左右移動、轉換視角等。動漫游戲注重互動功能。游戲場景的三維模型可以通過渲染成為動畫，用以宣傳、游戲展示等用途。如果要制作精美的建筑預演或游戲動畫，需要精美的三維模型，需要場景造型表現出較高的真實性，但會極大地降低渲染效率，影響最終表現效果。建筑預演與游戲場景的場景，表現的對象主要都是建筑和與之相關的一些三維動畫場景（以下簡稱場景）。場景是動畫的主體，場景的構建是整個動畫構建過程的關鍵一步；場景的模型質量決定了最終生成動畫的表現效果。如何優化模型、優化貼圖來達到最佳的動畫表現效果，這是本研究的重點。本研究從兩者的場景構建要求、模型特點、貼圖表現等方面展開，研究采用的軟件是目前廣泛運用于三維建模的3Dsmax2011，以及功能強大的虛擬現實開發工具UnrealDevelopmentKit（以下簡稱UDK），輔以Uvlayout貼圖軟件等。

在建立三維動畫場景模型的時候，建筑動畫與建筑虛擬現實可以共用大多數模型。由于建筑動畫的輸出是為追求真實感的精細渲染動畫而準備，就需要較高精度的模型（Hige-model，高模）；而虛擬現實則需要精度較低的低塊面模型（Low-model，低模）支持。無論是建筑預演還是游戲動畫，在場景構建的初期，建立起高級模型都是很有必要的。主要原因有兩點：第一，高模向低模的精簡較為便捷高效，反之則較為繁瑣復雜。例如，使用3Dsmax2011的ProOptimizer優化功能，可以方便快捷地將高模轉化為低模供虛擬現實使用。第二，高模可以在3Dsmax2011中渲染出貼圖，以供后面的低模使用，達到模擬精細模型的視覺表現效果。研究發現，在3Dsmax2011的ProOptimizer優化功能可以對所選的模型進行個別精簡設置，也可以對多個場景模型進行精簡設置，這需要設計師考慮場景中主要表現的部分和次要部分，有所取舍；場景中的非主體設施應予以較高的精簡級，而建筑主體的正立面就需要保留較多的塊面，以免影響最終渲染效果。另外，經研究發現，在建立高模的時候，應該有意識地精簡一些模型的塊面。例如，建筑的背面以及場景中攝像機所不能觀測到的一些角度等，也可以極大地提高模型渲染動畫的速度，同時為后來的精簡模型提供更高的效率。由于精簡后的低模將導入UDK中使用，而UDK的特點是對四邊形塊面進行優化，所以在前期制作模型的時候，應盡量減少三角形塊面的生成，在每完成一組相似模型之后應該及時地把模型進行塌陷合并為單個物體（CollapseBoolean）。

如果是作為建筑預演動畫和游戲生成用途，那么可以在模型制作完成后用3Dsmax2011的渲染器進行渲染，或者使用第三方為3Dsmax2011提供的插件進行渲染，生成AVI格式的視頻動畫文件。如果是作為建筑虛擬現實用途的話，則需要用精簡后的模型導入UDK的編輯器中進行設定，最后通過Unreal3自帶的UnrealFront模塊對場景進行打包輸出用戶可以直接使用的EXE執行文件。由于虛擬現實是即時渲染畫面，所以計算能力小，場景模型的多邊形數量須大量精簡，同時不能降低游戲場景的美觀，必須對模型的貼圖進行精細制作。游戲場景的模型在構建完成后，將模型導入UDK編輯器中進行設定，除了以上提到的一些設定外，還要增加更多的互動功能和視覺特效，例如各種趣味性的互動操作方式，例如武器、交通工具等，以及火焰、煙霧、波浪等離子特效，娛樂需求更強，同時，由于這些附加特效的加入，運算量也會更大，所以對模型的構建提出更高的要求，需要大量精簡場景中模型的多邊形數量，并對模型的貼圖進行優化。

建筑預演和游戲動畫的場景中，模型的貼圖分兩種，一種是模型自帶坐標貼圖，適用于場景中的單一材質物體，例如燈具、器皿等，由于場景中物體的數量巨大，這樣做就會極大硬件運算量，甚至無法表現一些需要的效果；另一種是UVW坐標貼圖，可以人為詳細設定模型的貼圖坐標和塊面，可以使一個復雜模型僅使用一張整合貼圖。在3Dsmax2011建立的模型，一些塊面較為復雜的模型會造成貼圖坐標混亂失真，而且高模在精簡后都會失去自帶的貼圖坐標，此時需要重新設定。如果是建筑預演動畫，高模使用在3Dsmax2011自帶的UVW貼圖編輯器重新設定模型的貼圖坐標并進行貼圖。若需要在UDK中生成虛擬現實場景或者游戲場景，那么就需要在精簡過的低模上進行貼圖，以最小的計算量渲染出最真實可信的場景。在某市的古建筑項目預演動畫的三維模型構建工程中，我大量使用了3Dsmax2011與Uvlayout軟件相結合的方式，把生成的模型經由OBJ格式導入進Uvlayout軟件中，對物體的多邊形進行拆分，并根據實際需要重新設定UV貼圖坐標，以最少的多邊形塊面數，達到最好的表現效果。在制作某游戲場景場景項目的過程中，我也使用了此方法，對場景中的模型有有意識地做出選擇，使用重新生成UV貼圖坐標的方式進行優化設定。在一些建筑預演和游戲的場景模型設定中發現，低模的塊面應以四邊形為主，盡量減少三角形塊面，以免造成后期UV難以分割的問題。其次，UV坐標的人為設定也決定了最終表現效果，特別是對于一些塊面較復雜的物體，例如場景中的雕塑、異形建筑設施等，由于需要一定的感性認識，所以須要設計師的經驗積累。

建筑預演和游戲場景中的天空與云彩，使用半球模型和相關貼圖進行模擬，可以極大提高生成畫面的速度；貼圖制作精美完整，還能達到優于程序生成云霧天空的場景畫面效果。在建筑預演和游戲場景設定中，如果是作為動畫渲染的特定場景，可以使用軟件設定生成的天空云彩；如果是導入虛擬現實的低模，則采用半球貼圖。在3Dsmax2011中構建半球模型，設定完成后導出為FBX模型，進入UDK進行貼圖，模擬天空效果。半球模型的貼圖可設置產生光照效應，這樣能夠更好地烘托出場景光線的氛圍；以場景中主體建筑為主的慢速旋轉的運動方式，模擬出云彩的飄動，達到非常逼真的表現效果。

綜上所述，使用以上方式優化了三維模型，結合UV貼圖，在美化場景的同時提高了動畫的生成速度；結合Unreal3引擎，極大地提高了虛擬現實場景的美觀性、仿真度和渲染速度，一舉兩得。建筑預演與游戲場景的構建具有諸多相似之處又有一定區別，從業人員可以完成者兩者的角色互換，拓寬就業渠道；同時，二者之間可以取長補短，優化工作效率、提高成果質量。

參考文獻：

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