次世代建模技術在虛擬現實中的應用

廖觀福

（浙江廣廈建設職業技術大學信息學院,浙江 東陽 322100）

1 次世代建模技術與虛擬現實的關系

1.1 次世代建模技術

“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”也可稱為“下一代技術”[1]。次世代技術憑借最先進的渲染和引擎技術,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]

對次世代技術而言,模型的制作占據了重要地位。跟傳統的模型制作相比,次世代模型制作發生了重大的變化。就模型的制作工具來說,低模創建主要依靠3DsMax 或者Maya等三維建模軟件,高模通過ZBrush 等雕刻軟件進行雕刻,豐富細節；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不高的同時又可以對模型進行優化,為模型的制作節省時間。

1.2 虛擬現實

虛擬現實(Virtual Reality,簡稱VR),即虛擬與現實的結合。利用虛擬可控的仿真系統,生成一個相對應的模擬環境,使感受者沉浸在生成的環境中體驗到和現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 次世代建模技術與虛擬現實之間的關系

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

2 次世代建模技術在虛擬現實中的應用

次世代建模基本流程可以歸納為低模- 高模- 拓撲低模-UV 展開、烘焙法線- 貼圖制作- 材質制作,之后導入虛擬現實引擎進行程序開發。

2.1 高低模制作

次世代建模可以分為低級模型制作、中級模型制作和高級模型制作三個階段[4]。高模分段數高,面數眾多,細節豐富,后續導入虛擬現實引擎中會導致引擎運行緩慢。與高模相比,低模面數少,細節也不夠豐富,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。

目前次世代建模可以分成兩類：一類模型是以人等生物體為主,這些生物體模型通常具有明顯的骨骼結構。低模將在3DsMax 或Maya 等軟件中采用標準基本體中的長方體來創建,將之轉換為可編輯多邊形,通過連接線的方式進行卡線操作,做成想要的身體結構。在身體模型制作時,要求建模師具有一定的美術基礎,了解生物體的身體結構,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節,最后給模型添加一個渦輪平滑修改器,增加模型的細分級別；第二種辦法是將做好的低模導出為OBJ 文件格式,然后導入到ZBrush 雕刻軟件中進行雕刻,利用軟件自帶的雕刻筆刷對低模進行調整,增加模型的細節。

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

圖1 罐子高低模

2.2 模型拓撲

由表1 可知,高模分段數高,面數眾多,細節豐富,后續導入虛擬現實引擎中會導致引擎運行緩慢。為了解決這個問題,從而有了拓撲低模的概念。此時高模的作用是通過生成法線貼圖的方式,將高模的細節信息投射到低模上,達到更好的顯示效果。

表1 高低模區別

模型的拓撲是次世代模型制作的重要流程之一。高模制作完成后就需要對模型做進一步的調整,主要工作是對模型的面數進行最優的資源配置,因為每一個虛擬現實項目都有著模型面數的限制,并且在面數要求的前提下用盡可能少的面數實現模型的結構表現。拓撲低模的一種方式是用3DsMax 等三維軟件中的石墨工具,另一種方法是在雕刻軟件Zbrush 中進行低模拓撲。在低模拓撲的過程中,要不斷對模型的結構進行調整,盡量避免模型之間的穿插與三角面的出現。

2.3 UV 展開與烘焙法線

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

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進行操作,容易掌握。在UV展開時應避免拉伸和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 展好后再導回到建模軟件中進行法線貼圖的烘焙。導回時,要求導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,以備后續貼圖制作使用。退出UV 編輯界面,選中導回的低模,按0 快捷鍵,打開渲染到紋理界面,設置法線貼圖參數,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。首先對法線貼圖進行調整,要求法線貼圖中直線顏色統一。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在Substance Painter 進行材質繪制時顏色選取,不同的顏色代表不同的材質。

圖4 外觀及ID 貼圖

2.5 制作材質

貼圖制作完成,重新在建模軟件中將低模導出為OBJ文件格式,進入到Substance Painter 制作材質。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,以及產品設計等領域。軟件使用能夠調整以適應任何對象的智能材質,展示真實的表面細節或磨損情況。探索可適應任何形狀的蒙版預設,并使用高效、動態的工具進行繪圖,表2 為該軟件特點。

表2 Substance Painter 特點

新建項目,將導出的低模以及法線貼圖、外觀貼圖、ID貼圖導入軟件中,軟件會自動對導進的模型添加材質。軟件添加材質有兩種方法,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設,用于后續把紋理導出到虛擬現實引擎。這個預設的設置將導出四張貼圖,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）以及環境光遮蔽貼圖（AO）。

圖5 最后效果圖

2.6 導入引擎

Unity 引擎是實時3D 互動內容創作和運營平臺,內容包括游戲開發、美術、建筑、汽車設計、影視等[5]。

將模型和貼圖導入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,貼圖放入相應列表,效果如圖6 所示。

圖6 引擎效果圖

3 結論

本文選取真實項目案例,內容包括次世代技術基本流程低模- 高模- 拓撲低模-UV 展開、烘焙法線- 貼圖制作-材質制作- 導入虛擬現實引擎進行程序開發,講述次世代建模技術在虛擬現實中的應用。以次世代技術建立的模型應用到虛擬現實中符合行業發展要求,是未來主流發展方向。