虛擬現(xiàn)實(shí)動畫場景的建模方法研究

熊　明，盧　潔湘潭大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，湖南湘潭　411105

虛擬現(xiàn)實(shí)動畫場景的建模方法研究

熊明，盧潔
湘潭大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，湖南湘潭411105

摘要虛擬現(xiàn)實(shí)動畫模型的制作一直動畫場景制作的難題。在動畫場景中，高精度的模型往往多邊形數(shù)量繁多，導(dǎo)致渲染速度過慢，而多邊形數(shù)太少往往會降低動畫畫面的質(zhì)量。文章通過研究了三維軟件建模的特點(diǎn)及難點(diǎn)，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)動畫建模的方法和注意事項(xiàng)，總結(jié)了虛擬現(xiàn)實(shí)場景中貼圖的三種方法：通過三維軟件的烘培工具優(yōu)化貼圖，通過三維軟件的投影工具優(yōu)化模型，使用Alpha信道對模型進(jìn)行 優(yōu)化，給出了虛擬現(xiàn)實(shí)動畫場景中建模的方案。關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)；模型；貼圖

0　引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為建筑、產(chǎn)品展示的重要方式，它以自由空間的方式呈現(xiàn)給觀眾，比傳統(tǒng)平面的方式更為直觀，展示的內(nèi)容也更為豐富。這里的展示絕對不是在三維軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中簡單地對產(chǎn)品模型進(jìn)行拼接，它借助于虛擬現(xiàn)實(shí)這一手段，根據(jù)觀眾的意愿和產(chǎn)品自身的特點(diǎn)將模型組合加以優(yōu)化，進(jìn)一步加深觀眾對產(chǎn)品的理解。合理地設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)場景的模型，并對場景中產(chǎn)品的貼圖進(jìn)行藝術(shù)加工以營造精美的畫面空間是展示能否取得成功的先決條件。

三維模型的建模方法已經(jīng)很成熟，但絕大多數(shù)的建模方法都基于三維動畫的需求。在三維動畫中，為了實(shí)現(xiàn)高精度的畫面，往往使用高面數(shù)的圖形，這種模型被賦予材質(zhì)、貼圖后，往往需要大量的時(shí)間進(jìn)行渲染輸出成視頻。而在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，模型是需要實(shí)時(shí)顯示的，即顯卡處理圖形的速度必須跟上視點(diǎn)的改變速度。在較大的場景中，如果模型面數(shù)過多，材質(zhì)、貼圖過于復(fù)雜，計(jì)算機(jī)處理圖像能力往往跟不上視點(diǎn)的移動，從而導(dǎo)致圖形顯示的遲滯現(xiàn)象。因此，對模型的優(yōu)化，即降低場景的復(fù)雜度也就成為虛擬現(xiàn)實(shí)動畫實(shí)現(xiàn)的必然需求。

1　虛擬現(xiàn)實(shí)場景中模型的創(chuàng)建

虛擬現(xiàn)實(shí)是實(shí)時(shí)的展示過程，想加深客戶對產(chǎn)品的理解，需要使其實(shí)時(shí)而流暢地觀察場景或產(chǎn)品的模型信息。場景模型多邊形的數(shù)量是影響虛擬現(xiàn)實(shí)畫面顯示速度的重要因素，在場景制作的過程中應(yīng)著重減少模型多邊形數(shù)量。模型的創(chuàng)建軟件較多，現(xiàn)在比較流行的有3ds max、maya、犀牛等三維工具。以國內(nèi)使用較多的3ds max軟件為例，它具有豐富的建模修改器和完善的材質(zhì)、燈光、渲染系統(tǒng)，使用相對比較簡單。3ds max支持DWG、FBX、DFX、OBJ等常用的三維模型格式，通過豐富的材質(zhì)系統(tǒng)和完善的渲染引擎可以制作精美的各類模型。它主要包括網(wǎng)格建模、多邊形建模、面片建模和曲線曲面建模四種方式。通過軟件的各類工具，可以靈活處理各類場景模型。

在虛擬現(xiàn)實(shí)場景建模的過程中，主要注意以下三個(gè)問題。

1.1 確定合理的場景比例和單位

在三維軟件中，建模首先要考慮的就是根據(jù)實(shí)際場景的大小按比例創(chuàng)建模型。制作人員首先根據(jù)CAD的原始素材進(jìn)行分工，確定各自負(fù)責(zé)的區(qū)域，將CAD圖紙導(dǎo)入到3ds max軟件的坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行繪制，并確定好統(tǒng)一的繪制單位。只有正確尺寸比例的場景，才能更好地在軟件中進(jìn)行光照計(jì)算以加深觀眾對虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)。

1.2 合理控制場景多邊形的數(shù)量

在制作場景時(shí)嚴(yán)格控制相鄰物體面與面之間的多邊形數(shù)量，對于被遮擋的多邊形進(jìn)行刪除，多余的面不影響虛擬現(xiàn)實(shí)的畫面質(zhì)量，但是模型越復(fù)雜，消耗的系統(tǒng)資源越多，圖形處理的速度也就越慢。一般來說，只創(chuàng)建受光線影響的多邊形，視圖中看不到且對別的物體不造成折射、反射影響的物體可以忽略不計(jì)。我們也可以根據(jù)鏡頭對模型進(jìn)行精簡，刪除攝像機(jī)不可見的多邊形，在控制模型面數(shù)的同時(shí)又可以充分利用貼圖資源，以達(dá)到提高顯示速度的目的。

1.3 嚴(yán)格控制模型之間的距離

虛擬現(xiàn)實(shí)場景中為避免破面、閃爍、漏光等現(xiàn)象，應(yīng)嚴(yán)格保持模型之間的距離，模型之間必須控制疊面、共面、漏面和反面的現(xiàn)象。這里主要是為了防止貼圖顯示時(shí)出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致在瀏覽場景是出現(xiàn)破面、閃爍、漏光的問題。一般可以使面與面之間距離控制在場景最大尺度的兩千分之一單位。

2　虛擬現(xiàn)實(shí)場景中貼圖的優(yōu)化

虛擬現(xiàn)實(shí)場景具有浸沒感的特征，通過合理地設(shè)置模型和材質(zhì)，使用戶在軟件的模擬環(huán)境中難辨真假，如同游走在現(xiàn)實(shí)世界中。貼圖的大小影響顯卡對圖像的讀取速度，而這種讀取速度恰恰是影響用戶進(jìn)行虛擬體驗(yàn)的重要因素。現(xiàn)階段的虛擬現(xiàn)實(shí)中，模型的處理主要通過三維軟件的烘培工具優(yōu)化貼圖、通過三維軟件的投影工具優(yōu)化模型、使用Alpha信道對模型進(jìn)行貼圖處理這三種方法來實(shí)現(xiàn)。

2.1 通過三維軟件的烘培工具優(yōu)化貼圖

烘培學(xué)名又叫“渲染到紋理”，行業(yè)內(nèi)部俗稱“烘培”。使用貼圖烘培技術(shù)能夠依據(jù)對象在渲染場景中的外觀創(chuàng)建紋理貼圖，這種紋理貼圖包含了場景內(nèi)部的燈光、折射、反射等材質(zhì)信息。通過將具有材質(zhì)信息的貼圖烘培回對象之上，使模型本身在沒有燈光、環(huán)境的情況下也具相關(guān)的質(zhì)感，也就是說通過貼圖使得當(dāng)前的外觀情況成為了對象的一部分。這種技術(shù)在游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)的場景中尤為重要，在3ds max、maya等主流三維軟件中都可以實(shí)現(xiàn)。通過貼圖的烘培，使得模型不需要計(jì)算場景的燈光信息和其他物體對其折射、反射的影響也能顯示真實(shí)效果，貼圖占用較少的內(nèi)存空間，提高計(jì)算機(jī)對虛擬場景的運(yùn)算能力。從而大大降低了顯卡的工作強(qiáng)度，在保證畫質(zhì)的同時(shí)為虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)顯示提供了可能。

在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中，烘培的貼圖尺寸大小一般保存為2n像素單位，同時(shí)，根據(jù)場景中模型的比例對貼圖像素尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制，以最大程度優(yōu)化場景。

在三維軟件中，烘培貼圖的使用需要對模型進(jìn)行精確的UV貼圖坐標(biāo)設(shè)置，即確定二維貼圖在三維空間的坐標(biāo)點(diǎn)。三維軟件的坐標(biāo)系統(tǒng)通過UVW的數(shù)值來控制，模型的每一個(gè)頂點(diǎn)都有不同的UV信息。只有烘培出來的貼圖合理地分配到對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)上，才能準(zhǔn)確地表現(xiàn)物體的體積關(guān)系和材質(zhì)、燈光信息。對于某些物體較多，模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的場景而言，烘焙貼圖的工作比較繁瑣，需要消耗較長時(shí)間對模型進(jìn)行處理，我們可以將模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，把復(fù)雜模型分區(qū)域處理，使得模型的烘焙更方便。如對于一個(gè)建筑模型而言，我們可以把建筑外部框架結(jié)構(gòu)、玻璃、屋頂?shù)确殖啥鄠€(gè)模型進(jìn)行烘培。

2.2 通過三維軟件的投影工具優(yōu)化模型

在虛擬現(xiàn)實(shí)場景的制作中，雖然通過烘培使得模型脫離燈光和環(huán)境也能顯示良好的質(zhì)感，但如果被烘培的對象本身屬于多面數(shù)的模型，顯卡同時(shí)處理的多邊形數(shù)量過多，同樣會影響到顯卡顯示圖形的效果。在這種情況中，一般會使用“投影修改器”將烘培后高模的UV貼圖映射到低模的UV上。“投影修改器”是高模進(jìn)行低模轉(zhuǎn)換的重要工具，它指定了高模物體貼圖到低模物體貼圖的坐標(biāo)。通過投影修改器，一個(gè)具有上萬個(gè)多邊形的復(fù)雜模型將被顯示在一個(gè)十余個(gè)面的簡單幾何體上，對圖形處理的加速有了質(zhì)的飛躍。

在復(fù)雜的虛擬場景中，應(yīng)用烘培和投影貼圖的方式對模型進(jìn)行優(yōu)化是非常重要的步驟。結(jié)合投影貼圖的設(shè)置可以讓烘焙出來的貼圖更好地覆蓋在低精度模型的表面，在保證畫面效果的同時(shí)又降低場景模型的面數(shù)，達(dá)到優(yōu)化場景模型的效果，從而加快了虛擬現(xiàn)實(shí)動畫的顯示速度。

2.3 使用Alpha通道進(jìn)行建模

為實(shí)現(xiàn)圖形的透明效果，采取在圖形文件的處理與存儲中附加上另一個(gè)8位信息的方法，這個(gè)附加的通道代表圖形中各個(gè)素點(diǎn)透明度的信息就叫做Alpha通道。[1]Alpha通道用黑色表示圖層的透明信息，白色表示圖層的不透明信息，灰色代表圖層的半透明層度。

在設(shè)計(jì)軟件中大量使用到該通道，如平面軟件photoshop，三維軟件3ds max、maya、zbrush等，一般用來優(yōu)化模型，降低模型的復(fù)雜度。在虛擬現(xiàn)實(shí)場景的制作中，這種技術(shù)主要使用在植物、欄桿、人物頭發(fā)等細(xì)節(jié)過多模型上。在三維軟件中，通過在材質(zhì)的透明通道中加上黑白灰的通道圖，制作透明效果以去除模型多余部分，同時(shí)在漫反射通道中加上帶有色彩信息的圖片。這樣簡單的步驟使一個(gè)數(shù)以萬記面數(shù)的模型能用一個(gè)簡單的面片來實(shí)現(xiàn)，大大地降低了虛擬現(xiàn)實(shí)場景模型的復(fù)雜程度，提升了交互過程的顯示速度，如圖所示。

3　結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)動畫作為一種交互的形式，在展示設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用使受眾對產(chǎn)品的認(rèn)識從被動接受轉(zhuǎn)為主動認(rèn)識，產(chǎn)品的信息得以更為直觀地表現(xiàn)出來。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，它在展示領(lǐng)域的運(yùn)用將會越來越廣泛，對模型的要求也會越來越高，對計(jì)算機(jī)硬件的需求也不斷增強(qiáng)。通過三維軟件建模，并利用烘培工具、投影工具、Alpha通道對虛擬現(xiàn)實(shí)場景的模型和貼圖進(jìn)行優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)師在計(jì)算機(jī)硬件與虛擬現(xiàn)實(shí)畫面質(zhì)量的沖突中有了表現(xiàn)的余地，得以在現(xiàn)有硬件條件基礎(chǔ)上最大化的表現(xiàn)出展品的特征。同時(shí)，這種模型的處理方法大大縮短了制作工期。有理由相信，這種模型的優(yōu)化技術(shù)將在很長的時(shí)間內(nèi)成為制作虛擬現(xiàn)實(shí)模型的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1]周中云.Alpha通道在多媒體課件作品開發(fā)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2003（2）：71-73

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳優(yōu)秀青年課題（項(xiàng)目名稱：虛擬現(xiàn)實(shí)動畫中人機(jī)交互技術(shù)在建筑展示中的應(yīng)用研究。項(xiàng)目編號：11B129）

中圖分類號TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1674-6708（2015）139-0095-02