虛擬現(xiàn)實(shí)引入次世代建模技術(shù)的可行性分析

卞妍

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字藝術(shù)系，四川 廣元628017）

虛擬現(xiàn)實(shí)這一新興產(chǎn)業(yè)，是20 世紀(jì)全新的實(shí)用型技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。隨著社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)VR 技術(shù)的需求也日益旺盛，當(dāng)前在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的從業(yè)人員大多是從程序員轉(zhuǎn)變而來，其作品在交互體驗(yàn)等技術(shù)方面已逐步趨于成熟，但視覺效果缺乏真實(shí)感，尤其是建模技術(shù)與效果的“現(xiàn)實(shí)”感不足以使人“沉浸”。當(dāng)前的次世代技術(shù)則是極具真實(shí)感的人工智能仿真模擬，以打造產(chǎn)品級(jí)高品質(zhì)模型為主，它的出現(xiàn)打響了高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的電子信息革命，是未來建模技術(shù)之主流。虛擬現(xiàn)實(shí)能否引入次時(shí)代技術(shù)，以此來提升視覺上的沉浸感呢？

1 虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)分析

虛擬現(xiàn)實(shí)，即虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合。利用虛擬的仿真系統(tǒng)，生成模擬環(huán)境，使用戶沉浸該環(huán)境中體驗(yàn)到與現(xiàn)實(shí)世界難辨真假的真實(shí)性，同時(shí)它還融入了人類所擁有的聽覺、視覺、觸覺等感知功能，使其有種身臨其境的意境。人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)，可以讓使用者隨意操作并得到環(huán)境最真實(shí)的反饋，它的沉浸性、交互性、感知性、構(gòu)想性等特征讓其受到了更多的關(guān)注。

在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，環(huán)境搭建是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)。當(dāng)前，以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景搭建技術(shù)，可劃分為兩個(gè)范疇：三維模型為基礎(chǔ)的3D 建模技術(shù)、圖像為基礎(chǔ)的三維全景技術(shù)。

1.1 三維模型為基礎(chǔ)的3D 建模技術(shù)

3D 建模技術(shù)就是使用三維制作工具通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理構(gòu)建出具有虛擬空間的三維數(shù)據(jù)模型。三維建模技術(shù)中又可分為：幾何建模、運(yùn)動(dòng)建模、物理建模等。

（1）幾何建模

幾何建模分為形狀建模和外觀貼圖，是靜態(tài)的三維建?；A(chǔ)。

①形狀建模。采用點(diǎn)、線、面來構(gòu)建三維物體，表現(xiàn)出物體的外表輪廓關(guān)系。其中心思想就是用網(wǎng)格關(guān)系來模擬曲面關(guān)系，這些網(wǎng)格通常由三角形、四邊形或者其它的簡(jiǎn)單的多邊形組成。虛擬現(xiàn)實(shí)模型對(duì)面數(shù)有一定的要求，一般不會(huì)太高，主要以體現(xiàn)模型輪廓外觀及結(jié)構(gòu)關(guān)系為主。幾何多邊形建模是最基本的模型建立方式，也是現(xiàn)在通用的建模方法之一，任何物理自然界存在的東西都可以用幾何建模實(shí)現(xiàn)。

②外觀貼圖。在形狀之上對(duì)外表質(zhì)地特征的表現(xiàn)，即顏色紋理表現(xiàn)。把物體的顏色、紋理按照特定的方式映射到物體模型網(wǎng)格表面，使其看上去更真實(shí)，最終形成模型的圖形表面。一般采用真實(shí)照片材質(zhì)、色彩繪畫的方式來呈現(xiàn)。

（2）運(yùn)動(dòng)建模

幾何建模是反映了虛擬對(duì)象的靜態(tài)特性，而運(yùn)動(dòng)建模則表現(xiàn)的是虛擬對(duì)象在虛擬世界中的動(dòng)態(tài)特性。有關(guān)對(duì)象位置變化、旋轉(zhuǎn)、碰撞、伸縮、手抓握、表面變形等方面的屬性就屬于運(yùn)動(dòng)建模，此類建模技術(shù)多在引擎效果中結(jié)合編程的方式呈現(xiàn)。

（3）物理建模

物理建模是根據(jù)物理特性，如重力、慣性、表面硬度、柔軟度、變形模式等，將其與幾何建模相融合，形成更具有真實(shí)感的虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境。讓用戶就能夠真實(shí)地感覺到重量、硬軟程度、物體的變形等。粒子系統(tǒng)是典型的物理建模，和運(yùn)動(dòng)建模一樣，需要在引擎中結(jié)合編程方式呈現(xiàn)。

1.2 圖像為基礎(chǔ)的三維全景技術(shù)

三維全景技術(shù)是一種桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并不是真正意義上的3D 圖形技術(shù)，是利用實(shí)景照片建立虛擬環(huán)境，按照照片拍攝->數(shù)字化->圖像拼接->生成場(chǎng)景的模式來完成虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)建。全景技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)分支，基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將相機(jī)環(huán)360°拍攝的一組照片拼接成全景圖像，用專用的播放軟件在互聯(lián)網(wǎng)上顯示，讓使用者能用鼠標(biāo)控制環(huán)視的方向，可左可右、可近可遠(yuǎn)觀看物體或場(chǎng)景。通過對(duì)全景照片或者全景視頻添加交互操作，實(shí)現(xiàn)全方位互動(dòng)式觀看真實(shí)場(chǎng)景的還原展示，自由瀏覽，以VR 的方式體驗(yàn)全景世界。

2 二游戲次世代建模技術(shù)分析

游戲產(chǎn)業(yè)歷經(jīng)了由2D 到3D 的跨越，建模技術(shù)已從三渲二逐步發(fā)展到次世代技術(shù)。次世代游戲的到來，掀起了技術(shù)和美術(shù)的浪潮，使游戲行業(yè)向前邁進(jìn)了一大步，是未來游戲的發(fā)展趨勢(shì)。次世代技術(shù)依靠最先進(jìn)引擎技術(shù)和渲染技術(shù)，創(chuàng)作出精美逼真的畫面、實(shí)時(shí)的光影運(yùn)算和震撼的視聽感受，帶來極佳的沉浸式體驗(yàn)，將藝術(shù)與數(shù)字技術(shù)高度融合，讓游戲畫面有了堪比電影級(jí)別畫質(zhì)的飛躍發(fā)展，成為未來技術(shù)主流。

次世代建模使用的是幾何多邊形建模技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的游戲建模技術(shù)來說增加了模型和貼圖的數(shù)據(jù)量，并使用次世代游戲引擎來改善網(wǎng)絡(luò)游戲的畫面效果，使網(wǎng)絡(luò)游戲也能夠達(dá)到平臺(tái)級(jí)別游戲的電影級(jí)畫質(zhì)。其關(guān)鍵技術(shù)主要為：

（1）模型技術(shù)

采用幾何多邊形網(wǎng)格方式生成模型數(shù)據(jù)，制作過程繁瑣且嚴(yán)格。首先需要制作出物體的大體輪廓和結(jié)構(gòu)關(guān)系，面數(shù)多以低或中級(jí)模型表現(xiàn)為佳。然后在3dmax/maya 軟件中通過卡線或采用ZBrush 軟件雕刻的方式來生成模型的高精細(xì)度表現(xiàn)（即制作高模），最大承載量的在高級(jí)模型上做到逼真性。

（2）貼圖技術(shù)

隨著模型的精度升高，就會(huì)導(dǎo)致整體資源的耗費(fèi)，從而降低運(yùn)行速度。為了解決此項(xiàng)問題，次世代建模使用了高低模型之間的互轉(zhuǎn)機(jī)制，即使用法線烘焙來處理模型的細(xì)節(jié)保留及優(yōu)化問題。法線貼圖就是用應(yīng)用到三維模型表面的特殊紋理，通過記錄高模物體表面細(xì)節(jié)的凸凹變化，然后以貼圖的方式回貼于低模之上，使其擁有和高模細(xì)節(jié)一致的效果表現(xiàn)。法線貼圖是次世代技術(shù)與傳統(tǒng)建模相比最為凸出的革新技術(shù)，改變了模型的傳統(tǒng)制作流程。

除了保留高模細(xì)節(jié)的法線貼圖外，次世代技術(shù)中還增加了顏色貼圖、金屬度貼圖、粗糙度貼圖來表現(xiàn)該模型的顏色、表面紋理、光照條件下的材質(zhì)質(zhì)感等。采用高清真實(shí)的素材進(jìn)行疊加運(yùn)算處理，運(yùn)用實(shí)時(shí)光照烘焙處理材質(zhì)質(zhì)感及細(xì)節(jié)表現(xiàn)，模型與貼圖的組合將空間關(guān)系中的各種微妙細(xì)節(jié)都得以高度呈現(xiàn)。

（3）引擎技術(shù)

在項(xiàng)目的開發(fā)中，整體可分為游戲引擎和游戲資產(chǎn)兩大部分。引擎是最為核心的部分，是游戲的心臟。游戲引擎提供了各種編寫游戲所需的各種工具，依靠程序代碼進(jìn)行控制，并且它還容納模型、材質(zhì)、、燈光、動(dòng)畫、特效、物理系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、碰撞檢測(cè)等一系列內(nèi)容的集合與最終運(yùn)行，是游戲開發(fā)環(huán)節(jié)中的最后一環(huán)。當(dāng)前在次世代游戲平臺(tái)中最常見的引擎主要有虛幻4（簡(jiǎn)稱UE4）和Unity3D。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)與次世代建模技術(shù)異同點(diǎn)

3.1 相似性

虛擬現(xiàn)實(shí)雖運(yùn)用于游戲、教育、醫(yī)學(xué)、房產(chǎn)、軍事等眾多領(lǐng)域，涉及到模型制作的部分，其建模的方式與游戲建模制作過程有較多的相似性。

（1）模型生成

在對(duì)兩者之間建模技術(shù)的分析中，它們?cè)陟o態(tài)模型的制作表現(xiàn)中，皆采取的是幾何多邊形的建模方式，使用到的建模軟件以Maya 或3Dmax 為主。主要依靠幾何體多邊形的點(diǎn)線面關(guān)系來生成物體的輪廓關(guān)系，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)表現(xiàn)有一定的要求，外觀表現(xiàn)都需使用紋理貼圖實(shí)現(xiàn)。

（2）優(yōu)化運(yùn)行

資源優(yōu)化是項(xiàng)目開發(fā)中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，優(yōu)化不佳，則會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中的環(huán)境變差，最直觀的表現(xiàn)就是卡機(jī)。所以兩者在項(xiàng)目研發(fā)過程中都會(huì)出于對(duì)硬件設(shè)備支撐性的考慮，在各個(gè)環(huán)節(jié)中進(jìn)行資源的優(yōu)化。模型制作過程中資源節(jié)省的方式就是依靠減低模型的面數(shù)來控制損耗。所以，不論是虛擬現(xiàn)實(shí)還是游戲次世代建模，最終所運(yùn)用的模型都是低面模型。

（3）引擎運(yùn)用

虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲開發(fā)環(huán)節(jié)中，它們?cè)谝娴牟捎蒙蠋缀跻恢拢际褂玫氖钱?dāng)前市場(chǎng)主流引擎開發(fā)工具虛幻4（簡(jiǎn)稱UE4）或unity3D。

3.2 差異性

虛擬現(xiàn)實(shí)建模和游戲次世代建模的差異性，主要體現(xiàn)在模型的制作流程方面。當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)建模的方法與傳統(tǒng)的游戲建模方法相類似，以低模+顏色貼圖的方式呈現(xiàn)，主要以體現(xiàn)模型外觀輪廓為主。這種方式所制作出來的模型在精細(xì)度、材質(zhì)真實(shí)度上都嚴(yán)重欠缺，這也是導(dǎo)致市場(chǎng)中虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品畫面缺乏仿真性，不足以讓人沉浸的主要原因。其具體的差異點(diǎn)如下：

圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)與次世代模型差異性

4 結(jié)論

通過以上對(duì)兩者建模技術(shù)的梳理及對(duì)比得出，虛擬現(xiàn)實(shí)引入次世代建模技術(shù)是完全可行的，主要有幾點(diǎn)：

4.1 不論是虛擬現(xiàn)實(shí)還是次世代建模，最終都是以低級(jí)模型來進(jìn)入引擎完成資源優(yōu)化整合，并不會(huì)影響因模型面數(shù)過多導(dǎo)致的資源損耗問題。

4.2 兩者采用的引擎幾乎無太大區(qū)別，皆能較好的支撐次世代貼圖材質(zhì)的應(yīng)用效果，通過實(shí)時(shí)的光照渲染，讓高模細(xì)節(jié)和材質(zhì)真實(shí)性完美呈現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)升級(jí)改造的空間是完全存在的。

當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品中，次世代技術(shù)未被引入的原因在于行業(yè)技術(shù)開發(fā)者在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)，存在于兩種偏向。一種是偏向于人機(jī)交互為主的內(nèi)容開發(fā)，注重于傳感技術(shù)、人工智能的交互體驗(yàn)，市場(chǎng)中的這一類虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)公司占據(jù)大比例。而另一種是偏向于三維虛擬環(huán)境的模擬，主要運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)的視覺效果仿真性的內(nèi)容開發(fā)，但由于客觀因素，其仿真性的視覺呈現(xiàn)是明顯是不足的。

總的來說，開發(fā)者們更偏向于交互沉浸式的技術(shù)研究中，而忽略模擬環(huán)境的仿真感，但逼真的三維場(chǎng)景是產(chǎn)生沉浸感和真實(shí)感的先決條件，模型質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到整個(gè)虛擬系統(tǒng)的成敗，沒有高質(zhì)量的仿真虛擬環(huán)境，又怎能讓虛擬現(xiàn)實(shí)得以真正含義上的體現(xiàn)呢。