三維建模技術(shù)在三維游戲中的應(yīng)用

張程怡

摘 要 計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)及三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展，是三維游戲出現(xiàn)的重要原因之一。三維建模技術(shù)可以將現(xiàn)實(shí)中的物品和人在二維平面進(jìn)行三維形態(tài)的模擬或再加工，達(dá)到將美術(shù)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的效果，給人立體真實(shí)的感受。因此在三維游戲的制造過程中，三維建模技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。文章對(duì)三維建模技術(shù)的發(fā)展歷程，三維建模技術(shù)在游戲中的運(yùn)用原理進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)于三維建模技術(shù)在三維游戲應(yīng)用中仍存的問題及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究和展望。

關(guān)鍵詞 三維建模；游戲；CAD技術(shù)；場(chǎng)景建模

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）223-0149-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)于精神文化方面需求的增長，游戲逐漸成為人們所喜愛的一種娛樂方式，特別在年輕人中十分受歡迎。我國游戲市場(chǎng)規(guī)模也占據(jù)了全球超50%的游戲市場(chǎng)規(guī)模，游戲研發(fā)以及與之相關(guān)的游戲直播、電競(jìng)等多項(xiàng)行業(yè)都處于高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)之中。而在所有游戲中三維游戲以其自由度高和生動(dòng)真實(shí)的特點(diǎn)脫穎而出，受到大眾的喜愛。以絕地求生為例，從2017年3月發(fā)售至2018年2月，全球全部玩家總游戲時(shí)長已超27億小時(shí)。隨著三維游戲的流行，其創(chuàng)作過程中起到主要作用的三維建模技術(shù)逐漸受到越來越多的關(guān)注。可以說研究三維建模技術(shù)在三維游戲中的應(yīng)用有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 三維建模技術(shù)的發(fā)展歷程

計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)關(guān)系密切，其核心是用計(jì)算機(jī)生成各種各樣的三維圖像。因其直觀且接近現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)，三維建模技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究、零件設(shè)計(jì)、多媒體動(dòng)畫及游戲、地質(zhì)研究等多個(gè)方面?；仡櫲S技術(shù)的發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)它起始于20世紀(jì)60年代，至今經(jīng)歷了多次改進(jìn)。

1）初始——線框模型及曲面模型（20世紀(jì)60年代—80年代）。三維建模技術(shù)是隨著CAD技術(shù)發(fā)展而發(fā)展的。在早期，CAD技術(shù)僅被運(yùn)用于計(jì)算機(jī)平面輔助畫圖。直到60年代末，才出現(xiàn)了可以構(gòu)造三維物體的線框模型。這時(shí)的模型使用點(diǎn)和線的關(guān)系來表示三維物體，沒有面和邊以及面和面的關(guān)系。線框模型被大量應(yīng)用在工廠零件生產(chǎn)。雖然之后也被嘗試應(yīng)用于游戲，但制作出的游戲畫面簡陋粗糙，難以使玩家理解。為了改進(jìn)三維建模技術(shù)，改進(jìn)產(chǎn)生的曲面模型增加了面的數(shù)據(jù)，運(yùn)用這種模型制作的三維游戲畫面已有了較大的提升，但其中物體仍沒有剖面、重心，慣性矩等數(shù)據(jù)。

2）首次改進(jìn)——實(shí)體模型（20世紀(jì)80年代—80年代后期）。為了進(jìn)一步提升三維建模的立體效果，實(shí)體模型技術(shù)在美國NASA的支持下被研發(fā)了出來。相比于曲面模型，實(shí)體模型具有完整性，如果你在實(shí)體模型的表面上挖去一塊，它就會(huì)失去一個(gè)外表面，產(chǎn)生一個(gè)新的內(nèi)曲面。而若在曲面模型的表面上挖去一塊，模型僅會(huì)失去一塊外表面。這就說明在設(shè)計(jì)實(shí)體模型時(shí)不容易缺少線或面，同時(shí)也使物體的實(shí)際特性在計(jì)算機(jī)界面得以表達(dá)，避免了不符合實(shí)際的設(shè)計(jì)產(chǎn)生。所以說這種模型在真實(shí)性方面比起之前的曲面模型又有了很大的進(jìn)步。

3）再次改進(jìn)——特征參數(shù)技術(shù)及變量化技術(shù)（20世紀(jì)90年代—至今）。90年代的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)已漸趨完善，三維建模技術(shù)得以進(jìn)一步發(fā)展。此時(shí)研發(fā)出來的特征參數(shù)技術(shù)，達(dá)到了高效設(shè)計(jì)模型的目的，被廣泛運(yùn)用于零件設(shè)計(jì)。其原理就是事先設(shè)置好不同模型的參數(shù)關(guān)系，運(yùn)用數(shù)學(xué)中幾何約束的方法來進(jìn)行建模。特征化參數(shù)模型的效率和精確度無疑比之前更高，但留給設(shè)計(jì)師發(fā)揮的余地較小。而之后改進(jìn)出現(xiàn)的變量化技術(shù)則給予了設(shè)計(jì)師較大的自由。變量化技術(shù)以特征參數(shù)技術(shù)為基礎(chǔ)，首先確定必要的設(shè)計(jì)條件，之后就可以進(jìn)行自由設(shè)計(jì)。變量化技術(shù)的特點(diǎn)可以概括為先考慮形狀，后考慮尺寸，先滿足設(shè)計(jì)需求，后考慮幾何細(xì)節(jié)。

2 三維建模技術(shù)運(yùn)用于三維游戲的原理

在將三維建模技術(shù)運(yùn)用于三維游戲時(shí)，為了使得三維游戲擁有精美的畫面與角色，人們會(huì)將三維建模技術(shù)與動(dòng)作捕捉、物理引擎、渲染程序等結(jié)合使用。在制作三維游戲時(shí)可以將制作過程分為場(chǎng)景建模、渲染與后期、角色建模以及角色動(dòng)作這四大部分。

1）場(chǎng)景建模。對(duì)于一個(gè)游戲來說，場(chǎng)景決定了游戲的大致風(fēng)格，玩家所操縱的角色就在此活動(dòng)。創(chuàng)建場(chǎng)景所需的第一步是規(guī)劃。由于在三維游戲中場(chǎng)景模型和玩家所操縱的角色模型都占有空間，如果沒有合理規(guī)劃，角色模型會(huì)很容易被卡住影響游戲體驗(yàn)。接下來就是場(chǎng)景中物體的制作。較為規(guī)則的物體可以通過運(yùn)用物理引擎或其他方式制作，再利用貼圖賦予其性質(zhì)，如紋理，材質(zhì)等。最后再在其中確定質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)量、性質(zhì)等多個(gè)數(shù)據(jù)，物理引擎就可以自行模擬出看起來較為真實(shí)的物理效果。而火苗、煙花、云霧等非規(guī)則物體則可以用粒子系統(tǒng)來模擬，充分體現(xiàn)這些物體的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性。

2）渲染與后期。為了讓游戲畫面更加接近真實(shí)，建模后還有關(guān)鍵的一步就是渲染與后期。在渲染時(shí)，首先必須確定多個(gè)角度，以確保玩家在游戲中可以調(diào)整視角，觀看到多個(gè)角度畫面。三維渲染軟件一般會(huì)提供默認(rèn)的4個(gè)角度的攝像機(jī)，其中透視圖的攝像機(jī)基本遵循真實(shí)攝像機(jī)的原理，這樣的渲染結(jié)果才會(huì)具備立體感。接下來還需通過確定物體的遮擋關(guān)系營造空間感。光的反射和折射使世間物體有了顏色，所以渲染程序是通過確定光源來觀測(cè)透視圖中的著色效果的。但與真實(shí)世界一般只有一個(gè)主要光源不同的是，在渲染時(shí)需要大量的輔助光源，不同材質(zhì)物體的反射光和折射光也不同，所以還要輸入物體材質(zhì)以便計(jì)算投射出來的陰影的狀態(tài)。如果場(chǎng)景中有粒子系統(tǒng)，渲染程序也需特別注意。后期的工作也十分的復(fù)雜，包括聲音與動(dòng)作的匹配等。

3）角色建模。在一個(gè)游戲中，非玩家控制的角色或代表玩家的角色都十分重要。Maya、3D？MAX都是常用的創(chuàng)造角色的三維建模軟件。如果想要進(jìn)行角色建模，首先要掌握基礎(chǔ)素描，學(xué)習(xí)構(gòu)圖技巧等。學(xué)習(xí)基礎(chǔ)透視理論，還需了解人體構(gòu)造，了解骨骼和肌肉的關(guān)系，掌握骨骼與模型結(jié)構(gòu)以及蒙皮技術(shù)等。

4）角色動(dòng)作。在很多三維游戲中，角色需要有真實(shí)且豐富的動(dòng)作，由于人們對(duì)自身的了解，對(duì)人體動(dòng)作的模擬是一個(gè)復(fù)雜且困難的過程。在三維游戲制作中，運(yùn)用傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)關(guān)鍵幀來創(chuàng)作角色動(dòng)作的方式仍然發(fā)揮著比較重要的作用。目前動(dòng)作捕捉技術(shù)也會(huì)被運(yùn)用在角色動(dòng)作創(chuàng)作中，一些較復(fù)雜但可反復(fù)使用的動(dòng)作就可以借助動(dòng)作捕捉技術(shù)。

3 三維建模技術(shù)的不足及發(fā)展趨勢(shì)

三維建模技術(shù)在三維游戲中得到了較為廣泛的應(yīng)用，增強(qiáng)了玩家的游戲體驗(yàn)，然而在應(yīng)用時(shí)三維建模技術(shù)仍存在下面兩個(gè)問題。

1）在創(chuàng)作上，三維建模制作存在著制作耗時(shí)長和成本高的問題。造成這一問題的原因首先是建模師們?yōu)榱耸顾鶆?chuàng)模型符合設(shè)定及游戲腳本，需要對(duì)模型進(jìn)行多次修改。其次制作游戲角色動(dòng)作也十分耗時(shí)和復(fù)雜，每一秒簡單的動(dòng)作都需要十幾張關(guān)鍵幀。現(xiàn)在已經(jīng)逐漸在采用動(dòng)作捕捉自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合三維建模技術(shù)來彌補(bǔ)手動(dòng)調(diào)節(jié)關(guān)鍵幀的繁雜。但是如果要完成怪物角色的動(dòng)作、動(dòng)物角色的動(dòng)作等，就需要請(qǐng)專門的動(dòng)作捕捉演員，也是十分麻煩的。而最后的渲染與后期會(huì)更加復(fù)雜。進(jìn)行渲染時(shí)不僅需要很長時(shí)間，同時(shí)也需要大量的人力物力。

2）還需要注意三維游戲所需內(nèi)存大，所需配置高的問題。雖然三維游戲給予了玩家相比于二維游戲更高的自由度，但受限于其復(fù)雜的模型，三維游戲可達(dá)到的最高精細(xì)度并不高。同時(shí)如果三維游戲想達(dá)到畫面的精細(xì)度和分辨率更高的效果，那么它對(duì)所需的內(nèi)存和運(yùn)行設(shè)備要求也更高。隨著在未來手機(jī)游戲的主流化，怎樣利用有限內(nèi)存與簡單設(shè)備配置展現(xiàn)三維游戲的精致畫面可能會(huì)成為三維建模技術(shù)的未來研究方向之一。

相比于現(xiàn)在三維建模技術(shù)多用于客戶端三維游戲的情況，未來將會(huì)出現(xiàn)大量運(yùn)用三維技術(shù)在網(wǎng)頁游戲和手機(jī)游戲呈現(xiàn)三維畫面的局面。目前網(wǎng)頁游戲還未廣泛使用三維畫面，由于三維技術(shù)的應(yīng)用使網(wǎng)頁游戲更加具有表現(xiàn)力和吸引力，無疑會(huì)成為頁游發(fā)展的新的突破口。同時(shí)頁游所具有的簡便快捷的特點(diǎn)也會(huì)促進(jìn)三維建模技術(shù)在頁游上的運(yùn)用。手機(jī)游戲也將會(huì)由于其便攜，隨時(shí)可以進(jìn)行的特點(diǎn)，得以在未來獲得不斷擴(kuò)大的市場(chǎng)。與此同時(shí)，伴隨其市場(chǎng)的擴(kuò)大，三維建模技術(shù)在其中的運(yùn)用也將更為普遍。

4 結(jié)論

本篇文章對(duì)于三維建模技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行了簡單的介紹，包括線框模型及曲面模型、實(shí)體模型和特征參數(shù)技術(shù)及變量化技術(shù)。同時(shí)文章還對(duì)于三維建模技術(shù)在游戲中的運(yùn)用原理的四個(gè)步驟進(jìn)行了概括性的介紹。最后對(duì)于三維建模技術(shù)在應(yīng)用中仍存的問題和未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)和展望?？梢灶A(yù)見，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展以及動(dòng)作捕捉技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，三維建模技術(shù)在三維游戲的運(yùn)用也將更加完善和便利。并且，隨著未來游戲市場(chǎng)的不斷繁榮，三維游戲也會(huì)具有更加廣闊的發(fā)展前景。

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