三維建模技術在虛擬現實中的實踐研究

沈楊

關鍵詞：多邊形建模；PBR建模；貼圖；場景；跨界

突如其來的疫情加速了全球數字化轉型的步伐，成了虛擬世界背后的推手，元宇宙的誕生加速推動了互聯網進入3.0時代。從互聯網的發展過程看，早期的PC互聯網到現在的移動互聯網，出現了各種各樣的應用，但是從內容的形態上來看，PC互聯網基本是文本+圖像，到了移動互聯網，視頻逐漸成了主流的形態，未來互聯網3.0時代是與"元宇宙"的概念相聯系，它的內容會呈現出文本+圖像+視頻+3D的混合形態，因此3D會成為元宇宙階段一個核心要素。近年來3D建模也不斷在藝術和技術方向飛速發展。

1 三維建模類型

三維建模本身是一個很龐大和復雜的體系，概括來說有五種建模類型：多邊形建模、雕刻建模、CAD工業建模、掃描建模以及程序建模。不同的類型適合不同的行業需求，以MESH組成的模型適合在虛擬的屏幕上顯示，CAD實體模型能夠進行工業生產，仿真的高模、風格化的低模等不同風格的模型，都會采取不一樣的建模方式。

1.1 多邊形建模

大多數的設計方案表現以及虛擬現實建模采用的是多邊形建模方式，它的本質是由一組點組成的各種信息，點有位置，連接起來稱之為邊，三個點就會組成一個面，四個點也會組成一個面片，超過四條邊就稱為多邊面，三邊面和四邊面都是可以描述模型上的信息的，便于創作主體去觀察，面組合在一起的時候就形成體。從一個最基本的形體開始，增加分段，再通過編輯不斷的處理，得到想要的形狀，簡單地說，通過思考每根線布線的方式，找到一個精準的控制，缺點是需要大量精力管理，所以多邊形建模需要借助細分將布線做一個平均。細分前的模型叫基本形，然后通過計算轉換為高面數模型，這個轉換是可逆的。

1.2 CAD 工業建模

需要生產的工業模型是不能用網格（MESH） 來描述的，頂點并不能解決所有問題。MESH是為虛擬世界服務的，任何不需要實際生產打印的模型可以用MESH，基本元素是由點線面組成的，對于現有的硬件或代碼是很擅長處理這類模型的，作為仿真交互都是可以，但是它的缺點是它只能無限接近一個形狀，所以不能完全替代真實的東西，所以真實的模型需要用CAD的方式，它的好處是可以做精準的描述，然后去定義形狀和大小，這種定義是非常精準，因為給的是參數，而不是頂點位置描述，一旦確定好圖紙傳給機器，機器就把這些識別成它的工作路徑，然后在材料上去加工。

由上所述，兩者的區別在于——一種是點坐標方式建模，一種是精準建模。

1.3 雕刻建模

雕刻是建模中制作細節的一個步驟，有些是要先做粗模，然后再去雕刻，有些是可以直接雕刻。一般的普通模型用不到雕刻，但對于模型真實度要求比較高的，比如次世代模型，影視模型等，則需要用到Zbrush 數字雕刻工具來制作細節部分，比如皮膚紋理、肌肉走勢等，以增強真實感。

1.4 掃描建模

前面的建模都是在軟件中創建數字模型，掃描建模則是一種逆向建模，把現實的東西變成虛擬的，這種建模現在主要有兩種方式：一種是通過激光掃描，一種是通過攝影測量。前一種是一種非常精準的構建方式，需要專業的設備，會像切片一樣在每一層上面去掃描每一個點所在空間的位置，當這個點足夠多時，便足以讓創作者去描述這個模型，而且特別的精準。第二種是攝影測量，在不同的角度拍攝照片，然后電腦通過算法去合成模型，這需要一些程序的幫助，攝影測量適合用在大型的具有歷史特征的建筑群中。

1.5 程序建模

程序建模是把程序、建模概念合二為一。前面的建模包含大量手動的操作，程序建模則借助于程序，設定一系列規則，通過算法，實現模型精準、快速的構建，比如智慧城市數字孿生、自然景觀等。

2 虛擬現實三維建模技術分析

計算機要想表達一個真實的物體，需要兩方面的信息，描述表面形狀的幾何信息，由帶有坐標信息的點組成，點云構成網格曲面。不過只有幾何信息不足以去描述這個物體，還需要描述表面光的屬性，稱為高維外觀材質，它決定了物體看上去的材料。高維外觀材質是一個隨空間位置、光照、視角變化的六維函數，這個函數就刻畫了三維對象表面的流光溢彩。因此要構建一個物體的數字化表達，本質上就要把幾何和外觀材質重構出來。

雖然效果圖表現和虛擬現實道具場景都是采用多邊形來建模，但是兩者之間還有著很大的差異。虛擬引擎渲染與圖像渲染不一樣，它是一種實時渲染的方式，如果采用圖像渲染方式對三維模型與光照系統之間的關系進行實時計算，那么對設備的計算能力要求相當高，以至于大部分電腦都難以駕馭。在虛擬世界中要想順暢運行不卡頓，讓畫面看起來更精致，則需要運用PBR建模流程[1]。

PBR （Physically Based Rendering）基于物理的渲染，是近幾年出現制作模型貼圖的流程標準，事先將光照信息與貼圖材質之間的關系計算出來，并將光照效果轉換為貼圖，再賦予模型。在引擎調用模型時，通過貼圖信息計算材質和光照信息。使用PBR方法不僅在效果上更接近真實效果，極大地提升了三維模型的渲染速度和運行流暢度[2]。

2.1 PBR 模型制作

建模是基礎，首先要有個基礎的形狀，才能為后面的步驟做準備，不需要糾結哪個軟件最厲害，它們本質上是一樣的，選擇軟件的標準主要是看是否有很多現成的資源和教程，是否對其他的軟件兼容性更好，3dsmax軟件是一個經典的游戲建模軟件，具備了上述的優點。虛擬現實建模有三個關鍵點：法線、布線和面數。

軟件通過法線信息給模型面片標記正向和反向，模型如果面數少，形狀變化大，那就顯得棱角很多，如果增加面，那么計算機壓力就大了，所以借助法線，在這些頂點的位置都不變的情況下，通過修改法線信息，讓面看起來過渡比較平滑。

多邊形建模要描述一個形狀，是通過布線實現的，同樣的形狀布線會有不一樣的方案，有經驗的模型師會讓布線排布舒服和優雅，好的布線可以讓以后的工序盡少出錯，比較節省資源。

模型面數多少合適，做之前就要考慮清楚。同樣的模型可以有不同的面數，面數越多越可以描述更多的細節，但不是越多越好，比如說要做仿真，面數越多表現越真實，但是如果要實時渲染，面數就不能太多。

PBR建模需要有一個高模和一個低模，將基本形通過卡線、平滑增加細分，再運用雕刻建模技術生成更為精細的高模，最后高模拓撲低模，使面數明顯減少，但是該有的結構一個都不會少。

下一步要對低模進行展UV的處理，展UV就是將模型壓扁，把它鋪平到2D的界面上來，這種二維的坐標信息稱作UV，將三維模型表面展平到二維界面的工序叫UV展開，之后通過貼圖處理軟件制作貼圖，最后把2D貼圖精準地貼回3D模型去。

最后還要檢查破面、重面等情況，如果在正式烘焙后才發現這些問題，則需要再次進行檢查修改、烘焙、導入等操作，導致工作量成倍增加、工作效率大幅降低。

2.2 PBR 材質制作

2.2.1 貼圖的類型

在游戲設計的初期，一個模型材質賦予一張體現紋理和顏色的貼圖就夠了，但是技術和人的需求總是在不斷提高。如果想讓物體顯示更真實，需要更多的信息才能更好地描述材質。真實靠細節的處理，一般情況下一個物體表面會不那么完美，凸出的地方更容易磨損，凹的地方更容易有灰塵，還有受光的一面會更容易褪色等。創作者可以根據這些信息生成更多的貼圖，方法是通過軟件內置的算法來計算，常見的有曲線貼圖、AO貼圖、法線貼圖、世界坐標貼圖、高度貼圖等，生產這些貼圖的過程叫作烘焙。

曲線貼圖會根據模型表面的方向，表面突出來的部分存儲為黑色，凸出越多就越黑，凹進去的地方存儲為白色，對應的Shader能夠讀取這些灰度信息，在凸起的地方就能自動添加一些磨損的效果。

對于一個表面有凹凸的模型來說必然會有一些轉折面，還有凹陷進去不容易被光照到的部分，電腦就利用單通道灰度圖存儲陰影信息，模擬物體比較狹窄的夾縫、凹坑等部位的陰影，增加縱深感，體積感，使模型的紋理看起來更加的逼真。這個貼圖稱為環境光遮蔽貼圖。

法線貼圖能夠讓低模看起來更加逼真，基本原理是：準備兩個一樣的模型，一個面數低，一個面數高，把它們重合到一起，通過對比每個面表面切線坐標的值，對比兩者的差異，然后把這個差異信息存儲為法線貼圖。使用法線貼圖，低模就會呈現出更多的細節，做仿真應用時，法線貼圖是經常用的。

在人眼中能夠分辨物體的上下左右，但是電腦未必能知道這些信息，模型每個頂點都是有坐標的，只要把這些坐標存儲到世界坐標貼圖中，這樣電腦就能知道這些點的相對位置，比如可以利用它來做山體的高度圖，高處坐標用紅色表示，低處的坐標用藍綠色表示。

高度貼圖也稱為視差貼圖，往往與法線貼圖組合使用，它將近處的紋理通過膨脹產生明顯的凸起，遠處的紋理縮小看起來像被遮擋，實現一種表面級遮擋效果，但這種效果不會修改模型的輪廓。

2.2.2 貼圖烘焙

創建貼圖和建模一樣也是充滿創意的過程，可以在模型表面繪制各種各樣的紋理。如何制作模型表面的紋理呢？有兩種方式，一種是利用UVWMap將現成的紋理貼圖制作重復的圖案平鋪紋理，像磚墻用的就是這類平鋪貼圖，但其使用是有局限的，幾何形體多采用這種貼圖方式；另一種是利用UV展開制作獨立的紋理，將UV展好后繪制貼圖。繪制貼圖有幾種方式：一種是借助Substance Painter直接在3D模型上繪畫，這也是行業中最常用的貼圖制作工具；第二種是根據模型的信息自動計算，做一些細節疊加上去，Substance Designer很擅長；第三種是利用帶有高度計算的專業材質掃描儀去掃描自然的紋理，它可以將比較簡單的幾何形狀的物體材質掃描構建出來，得到數碼材質，節省大量時間。這三種方式在具體的項目中可以混著用[3]。

利用PBR建模技術使低面數的模型表現出更多的細節，保證在實時渲染的場景中流暢運行，是虛擬現實模型技術發展的必然[4]。

3 虛擬現實建模中的新理論和新方法

著名的物理學家愛因斯坦曾說過：“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。”當越來越多的專家學者投身到元宇宙模型建設中時，無疑是對想象力的實踐和探索[5]。

隨著虛擬現實應用越來越廣泛，虛擬現實建模需要具備多學科知識的融合與交叉，按照新興技術創新模式，虛擬現實場景建模通過跨界搜索、吸收存儲、融合重構三種行為，將展示設計、裝置藝術、人機工程學、心理學等專業知識的跨界融合。

虛擬現實場景模型創作中，跨界融合實現了空間布局、空間風格、色彩配飾、空間尺度等知識群間的聚集。在知識跨界搜索行為中，由于知識存在多樣性，為了尋找融合高質量資源，創作者應在知識聚集度高、設計專業性強的區域進行跨界搜索，通過感知、識別、評估、篩選，確定最優目標，同時完成信息采集工作。

當跨界融合對象和新興技術知識被確定之后，創作者就要致力于空間設計的創新。通過對設計元素和相關知識的鏈接、融合、重構創造出新的空間形態。

4 結束語

3D場景作為虛擬現實應用中最直接的體驗感受要素，它的質量直接影響虛擬現實作品的水平。早期的3D建模技術已經逐漸落伍，最明顯的變化是隨著設備性能的提高，模型面數和貼圖精度提升，從只有一張用“Body Paint”工具手繪的固有色貼圖，發展到今天使用“Substance”系列工具將固有色、法線、金屬度、粗糙度、高光貼圖等貼圖組合表現的材質效果，自動拓撲也越來越好。軟硬件的提升使創作者不斷追求用更快、更高精度的方式來完成3D作品。虛擬現實是藝術、技術、數字媒體等多學科的融合，3D場景多樣性的表現，同時涉及多學科門類的知識，需要創作者具備跨界思維能力和學習能力。

綜上，三維制作的主要任務就是在滿足目前硬件顯示能力的同時創造優美逼真的虛擬環境，三維建模技術必然在虛擬現實技術中發揮著重要的作用，成為虛擬現實的核心技術。