三維動(dòng)畫場(chǎng)景的優(yōu)化構(gòu)建

梁翔宇

摘要：本論文是杭州市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃課題《建筑動(dòng)畫和游戲動(dòng)畫的場(chǎng)景表現(xiàn)研究》（C11WH20）成果論文。建筑預(yù)演和游戲場(chǎng)景是三維動(dòng)畫的主體構(gòu)成——三維動(dòng)畫場(chǎng)景的最典型應(yīng)用，兩者有各自特點(diǎn)與共同點(diǎn)；本文主要從兩者的動(dòng)畫運(yùn)用、模型生成、材質(zhì)貼圖方面進(jìn)行研究探討。

關(guān)鍵詞：三維動(dòng)畫場(chǎng)景；建筑預(yù)演；游戲場(chǎng)景；優(yōu)化構(gòu)建建筑

預(yù)演和游戲場(chǎng)景是三維動(dòng)畫場(chǎng)景的典型應(yīng)用。建筑預(yù)演主要是在建筑項(xiàng)目宣傳展示的時(shí)候提供預(yù)演動(dòng)畫，分為建筑動(dòng)畫和建筑虛擬現(xiàn)實(shí)兩種，前者是播放、停止的簡(jiǎn)單流程，后者具備互動(dòng)功能，即觀眾可以在仿真的虛擬場(chǎng)景中左右移動(dòng)、轉(zhuǎn)換視角等。動(dòng)漫游戲注重互動(dòng)功能。游戲場(chǎng)景的三維模型可以通過渲染成為動(dòng)畫，用以宣傳、游戲展示等用途。如果要制作精美的建筑預(yù)演或游戲動(dòng)畫，需要精美的三維模型，需要場(chǎng)景造型表現(xiàn)出較高的真實(shí)性，但會(huì)極大地降低渲染效率，影響最終表現(xiàn)效果。建筑預(yù)演與游戲場(chǎng)景的場(chǎng)景，表現(xiàn)的對(duì)象主要都是建筑和與之相關(guān)的一些三維動(dòng)畫場(chǎng)景（以下簡(jiǎn)稱場(chǎng)景）。場(chǎng)景是動(dòng)畫的主體，場(chǎng)景的構(gòu)建是整個(gè)動(dòng)畫構(gòu)建過程的關(guān)鍵一步；場(chǎng)景的模型質(zhì)量決定了最終生成動(dòng)畫的表現(xiàn)效果。如何優(yōu)化模型、優(yōu)化貼圖來達(dá)到最佳的動(dòng)畫表現(xiàn)效果，這是本研究的重點(diǎn)。本研究從兩者的場(chǎng)景構(gòu)建要求、模型特點(diǎn)、貼圖表現(xiàn)等方面展開，研究采用的軟件是目前廣泛運(yùn)用于三維建模的3Dsmax2011，以及功能強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具UnrealDevelopmentKit（以下簡(jiǎn)稱UDK），輔以Uvlayout貼圖軟件等。

在建立三維動(dòng)畫場(chǎng)景模型的時(shí)候，建筑動(dòng)畫與建筑虛擬現(xiàn)實(shí)可以共用大多數(shù)模型。由于建筑動(dòng)畫的輸出是為追求真實(shí)感的精細(xì)渲染動(dòng)畫而準(zhǔn)備，就需要較高精度的模型（Hige-model，高模）；而虛擬現(xiàn)實(shí)則需要精度較低的低塊面模型（Low-model，低模）支持。無論是建筑預(yù)演還是游戲動(dòng)畫，在場(chǎng)景構(gòu)建的初期，建立起高級(jí)模型都是很有必要的。主要原因有兩點(diǎn)：第一，高模向低模的精簡(jiǎn)較為便捷高效，反之則較為繁瑣復(fù)雜。例如，使用3Dsmax2011的ProOptimizer優(yōu)化功能，可以方便快捷地將高模轉(zhuǎn)化為低模供虛擬現(xiàn)實(shí)使用。第二，高模可以在3Dsmax2011中渲染出貼圖，以供后面的低模使用，達(dá)到模擬精細(xì)模型的視覺表現(xiàn)效果。研究發(fā)現(xiàn)，在3Dsmax2011的ProOptimizer優(yōu)化功能可以對(duì)所選的模型進(jìn)行個(gè)別精簡(jiǎn)設(shè)置，也可以對(duì)多個(gè)場(chǎng)景模型進(jìn)行精簡(jiǎn)設(shè)置，這需要設(shè)計(jì)師考慮場(chǎng)景中主要表現(xiàn)的部分和次要部分，有所取舍；場(chǎng)景中的非主體設(shè)施應(yīng)予以較高的精簡(jiǎn)級(jí)，而建筑主體的正立面就需要保留較多的塊面，以免影響最終渲染效果。另外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在建立高模的時(shí)候，應(yīng)該有意識(shí)地精簡(jiǎn)一些模型的塊面。例如，建筑的背面以及場(chǎng)景中攝像機(jī)所不能觀測(cè)到的一些角度等，也可以極大地提高模型渲染動(dòng)畫的速度，同時(shí)為后來的精簡(jiǎn)模型提供更高的效率。由于精簡(jiǎn)后的低模將導(dǎo)入U(xiǎn)DK中使用，而UDK的特點(diǎn)是對(duì)四邊形塊面進(jìn)行優(yōu)化，所以在前期制作模型的時(shí)候，應(yīng)盡量減少三角形塊面的生成，在每完成一組相似模型之后應(yīng)該及時(shí)地把模型進(jìn)行塌陷合并為單個(gè)物體（CollapseBoolean）。

如果是作為建筑預(yù)演動(dòng)畫和游戲生成用途，那么可以在模型制作完成后用3Dsmax2011的渲染器進(jìn)行渲染，或者使用第三方為3Dsmax2011提供的插件進(jìn)行渲染，生成AVI格式的視頻動(dòng)畫文件。如果是作為建筑虛擬現(xiàn)實(shí)用途的話，則需要用精簡(jiǎn)后的模型導(dǎo)入U(xiǎn)DK的編輯器中進(jìn)行設(shè)定，最后通過Unreal3自帶的UnrealFront模塊對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行打包輸出用戶可以直接使用的EXE執(zhí)行文件。由于虛擬現(xiàn)實(shí)是即時(shí)渲染畫面，所以計(jì)算能力小，場(chǎng)景模型的多邊形數(shù)量須大量精簡(jiǎn)，同時(shí)不能降低游戲場(chǎng)景的美觀，必須對(duì)模型的貼圖進(jìn)行精細(xì)制作。游戲場(chǎng)景的模型在構(gòu)建完成后，將模型導(dǎo)入U(xiǎn)DK編輯器中進(jìn)行設(shè)定，除了以上提到的一些設(shè)定外，還要增加更多的互動(dòng)功能和視覺特效，例如各種趣味性的互動(dòng)操作方式，例如武器、交通工具等，以及火焰、煙霧、波浪等離子特效，娛樂需求更強(qiáng)，同時(shí)，由于這些附加特效的加入，運(yùn)算量也會(huì)更大，所以對(duì)模型的構(gòu)建提出更高的要求，需要大量精簡(jiǎn)場(chǎng)景中模型的多邊形數(shù)量，并對(duì)模型的貼圖進(jìn)行優(yōu)化。

建筑預(yù)演和游戲動(dòng)畫的場(chǎng)景中，模型的貼圖分兩種，一種是模型自帶坐標(biāo)貼圖，適用于場(chǎng)景中的單一材質(zhì)物體，例如燈具、器皿等，由于場(chǎng)景中物體的數(shù)量巨大，這樣做就會(huì)極大硬件運(yùn)算量，甚至無法表現(xiàn)一些需要的效果；另一種是UVW坐標(biāo)貼圖，可以人為詳細(xì)設(shè)定模型的貼圖坐標(biāo)和塊面，可以使一個(gè)復(fù)雜模型僅使用一張整合貼圖。在3Dsmax2011建立的模型，一些塊面較為復(fù)雜的模型會(huì)造成貼圖坐標(biāo)混亂失真，而且高模在精簡(jiǎn)后都會(huì)失去自帶的貼圖坐標(biāo)，此時(shí)需要重新設(shè)定。如果是建筑預(yù)演動(dòng)畫，高模使用在3Dsmax2011自帶的UVW貼圖編輯器重新設(shè)定模型的貼圖坐標(biāo)并進(jìn)行貼圖。若需要在UDK中生成虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景或者游戲場(chǎng)景，那么就需要在精簡(jiǎn)過的低模上進(jìn)行貼圖，以最小的計(jì)算量渲染出最真實(shí)可信的場(chǎng)景。在某市的古建筑項(xiàng)目預(yù)演動(dòng)畫的三維模型構(gòu)建工程中，我大量使用了3Dsmax2011與Uvlayout軟件相結(jié)合的方式，把生成的模型經(jīng)由OBJ格式導(dǎo)入進(jìn)Uvlayout軟件中，對(duì)物體的多邊形進(jìn)行拆分，并根據(jù)實(shí)際需要重新設(shè)定UV貼圖坐標(biāo)，以最少的多邊形塊面數(shù)，達(dá)到最好的表現(xiàn)效果。在制作某游戲場(chǎng)景場(chǎng)景項(xiàng)目的過程中，我也使用了此方法，對(duì)場(chǎng)景中的模型有有意識(shí)地做出選擇，使用重新生成UV貼圖坐標(biāo)的方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定。在一些建筑預(yù)演和游戲的場(chǎng)景模型設(shè)定中發(fā)現(xiàn)，低模的塊面應(yīng)以四邊形為主，盡量減少三角形塊面，以免造成后期UV難以分割的問題。其次，UV坐標(biāo)的人為設(shè)定也決定了最終表現(xiàn)效果，特別是對(duì)于一些塊面較復(fù)雜的物體，例如場(chǎng)景中的雕塑、異形建筑設(shè)施等，由于需要一定的感性認(rèn)識(shí)，所以須要設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)積累。

建筑預(yù)演和游戲場(chǎng)景中的天空與云彩，使用半球模型和相關(guān)貼圖進(jìn)行模擬，可以極大提高生成畫面的速度；貼圖制作精美完整，還能達(dá)到優(yōu)于程序生成云霧天空的場(chǎng)景畫面效果。在建筑預(yù)演和游戲場(chǎng)景設(shè)定中，如果是作為動(dòng)畫渲染的特定場(chǎng)景，可以使用軟件設(shè)定生成的天空云彩；如果是導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)的低模，則采用半球貼圖。在3Dsmax2011中構(gòu)建半球模型，設(shè)定完成后導(dǎo)出為FBX模型，進(jìn)入U(xiǎn)DK進(jìn)行貼圖，模擬天空效果。半球模型的貼圖可設(shè)置產(chǎn)生光照效應(yīng)，這樣能夠更好地烘托出場(chǎng)景光線的氛圍；以場(chǎng)景中主體建筑為主的慢速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，模擬出云彩的飄動(dòng)，達(dá)到非常逼真的表現(xiàn)效果。

綜上所述，使用以上方式優(yōu)化了三維模型，結(jié)合UV貼圖，在美化場(chǎng)景的同時(shí)提高了動(dòng)畫的生成速度；結(jié)合Unreal3引擎，極大地提高了虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的美觀性、仿真度和渲染速度，一舉兩得。建筑預(yù)演與游戲場(chǎng)景的構(gòu)建具有諸多相似之處又有一定區(qū)別，從業(yè)人員可以完成者兩者的角色互換，拓寬就業(yè)渠道；同時(shí)，二者之間可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)化工作效率、提高成果質(zhì)量。

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